浅谈地铁轨道减振技术

浅谈地铁轨道减振技术
摘要：改革开放以来，我国的国民经济得到了飞速的发展，交通业也相应发展起来，随着城乡一体化进程加快，城市规模不断扩大，城市人口日益增长，城市机动车辆拥有数量迅速增加，从而造成污染、能耗、交通拥堵等一系列制约城市交通发展的问题。

因此，污染低、容量大、能耗低的城市轨道交通就成为解决城市交通问题的首选方案。

但是，城市交通轨道特别是地铁轨道经常建立在人口密集区以及重要建筑物下。

从而对沿线地面建筑物的稳定性产生影响，振动引发的噪声给沿线的建筑和居民带来很大的破坏和困扰。

文本对地铁轨道的减振技术做了简要的分析和探讨。

关键词：地铁；减振；降噪；探讨
一．地铁振动产生原理
地铁振动的主要原因是地铁列车在行驶时，速度非常高。

地铁列车的动力系统和轮轨系统是地铁振动的两个主要发生源。

具体如下：
1. 地铁列车在行驶的过程中，由于重力荷载会对地铁轨道产生冲击，从而造成轨道结构与车轮的振动；
2. 地铁列车行驶的时候,由于车轮比较多且与钢轨在同一时刻发生作用，其产生的作用力，导致钢轨结构以及列车上同时发生作用所产生的作用力,造成车辆与钢轨结构(包括道床、扣件以及钢轨等)上的振动。

实际测量表明振动源处振级高达103db；
3. 当车轮经过钢轨接缝处的时候时,由于轮轨的相互作用而产钢轨结构与地铁车轮的振动；
4. 轨道不平顺或者地铁车轮的粗糙损伤作为随机性激励而产生的振动；
5. 由于车轮偏心等产生的周期性激励造成的地铁列车的振动。

二．地铁轨道振动的产生和传播
首先说明一下什么是变通振动。

在车辆运行当中，车辆自身会引起机构振动，这一振动会通过地下或地面等周围的底层向外传播出去，从而造成临近建筑物包括室内家具在内以及地下结构的二次振动以及噪声。

地铁振动的传播形态比较复杂，这是因为地铁是由振动产生的横波、纵波以及表面波合成的复杂波动。

已有的研究成果表明,近场的振动波型主要以弯曲波形式传播，远场主要以表面波形式传播。

振动的传播途径是从轨道传到轨道扣件和道床，再传递到隧道和岩土,从而引发附近地面建筑物的振动。

振动及噪声特别是高频轮轨尖叫噪声给快速轨道交通带来了许多问题，对于地下轨道振动噪声影响因素主要有列车速度、车辆重量、隧道基础和衬砌结构类型以及轨道类型是否采用了隔振措施等。

此外机车
本身的动力作用，机车和车辆以一定速度通过时的动力作用、轨道不平顺、钢轨顶面不均匀、磨耗车轮安装偏心以及车轮踏面不均匀磨耗引起的动力作用等均会加大振动作用。

为了限制环境振动对居民睡眠学习等日常生活的干扰和影响，国家环境保护局制定并批准的国家标准《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)规定了地铁对环境振动的影响要求。

其超标地段应采取减振措施以满足环保要求。

三．减振措施
地铁的振动主要涉及三个方面，即车辆的振动和由车辆振动所引起的轨道振动以及周围建筑结构的振动。

前面已经述及，在地铁列车运行的过程中线路走向、线路表面的平顺度、坡度的变化、甚至车轮的粗糙损伤等等都会造成地铁车辆的振动，其中主要的振动原因就是轨道的不平顺以及车辆与轨道之间的动力作用。

此外，钢轨和众多的车轮接触面之间任何微小的不平整都会造成结构上的振动, 从而产生振动噪声。

车辆振动不仅仅会影响到地铁列车的平稳运行，关系着乘客乘坐列车的切身感受以及人身安全，还会引起周围地面的振动，对周围的环境造成影响。

1. 车辆减振措施
车辆的减振主要应该考虑到使激扰振动频率远离车辆的固有频率。

通过设置车辆结构、牵引缓冲装置以及走行悬挂系统来达到减振的目的。

通过这种减振措施，能达到有效的减振降噪目的。

通常而言较为成熟的地铁列车特别是采用了国外先进技术的列车都能达到车辆对于平稳性以及安全性的要求, 比如依照我国铁路客车对列车运行平稳性的等级划分标准，要求地铁列车的平稳性达到1级。

2. 高架线路减振措施
列车通过时对高架桥所引起的振动主要是列车作为移动载荷对桥墩的动力作用，而轨道的不平顺对桥墩动力的影响较小，因此，对于高架线路，要尽可能地降低车辆的轴重。

采用桩基基础结构相对于平基而言其对地面振动的衰减速度更大, 因而，在桥梁结构的设计中应该尽量采取桩基基础来避免地铁列车经过高架桥时产生共振。

3. 轨道减振措施
轨道减振也是地铁减振的一个重要措施，通过选择使用适合的道床以及轨道扣件可以明显降低地铁列车的振动。

根据不同地段对减振的要求，针对不同地段减振整体道床可以分为中等减振道床、高等减振道床和钢弹簧浮置板特殊减振整体道床3种形式，现场动测减振效果显著,可以达到国家环境保护要求。

一般减振地段采取中等减振道床（减振扣件道床），可有效减振5～15dB；较高减振地段采取高等减振道床或钢弹簧浮置板道床，可有效减振10～40dB，减振效果较好。

轨道减振应该遵循以下三个原则：
1）减小激振能级。

最重要的一点是减少车辆对轨道的运动力，但不能忽略了减振的根本条件是要保持线路的平顺性以及钢轨工作面的平滑性。

2）减少因激振动力引起的振动级。

为了减少轨道振动加速度级和振动速度级，增大作为振源对象的轨道个别部件振动体的质量或抗弯刚性是控制轨道振动的关键。

3）减小传递力的振幅级。

在轨道组成部件之间设置弹性支撑材料，以期减弱轨道支承的刚性特点，隔断振动的传递。

4. 振源减振控制
通过分析地铁振动产生的原因以及影响振动的因素，可以直接从从振动源控制地铁振动，具体措施如下：
(1) 将列车轻型化。

(2) 提高车轮的平滑度。

比如采取阻尼车轮、有弹性的车轮以及通过打磨车轮踏面等措施来提高车轮的平滑度，进一步降低地铁列车的振动强度。

(3) 采取重型钢轨和无缝线路。

(4) 采用盘式制动。

(5) 使用直线电机。

直线电机有着诸多优点，其爬坡能力强、噪声小、功耗低、污染小、安全系数高等等。

是21世纪城市轨道交通发展的方向，目前，广州地铁四号线、五号线、六号线及北京地铁机场线等已经采用此项技术。

(6) 适当降低车轮的运行速度。

(7) 采用合适的弹性扣件以及减振扣件。

我国地铁目前使用的扣件类型主要有DTI型～DTⅦ型、WJ2型、单趾弹簧扣件、弹条Ⅲ型扣件等,这些扣件适用于一般的减振要求较低的路段,通常可以减振2～5dB。

在一些特殊的减振要求比较高的地段通常使用GJ-Ⅲ（lord）型扣件、浮轨（vanguard）扣件和轨道减振器扣件等减振扣件，可有效减振5～15dB，其减振效果从小到大依次为轨道减振器扣件、GJ-Ⅲ（lord）扣件、浮轨（vanguard）扣件。

上述三种减振扣件其作用原理基本为通过增加弹性橡胶构件的使用或改变传统扣件与钢轨的接触与受力方式，从而降低钢轨与扣件连接的刚性特性，从而达到减振降噪的目的。

因其减振效果明显，且相对造价较低，更换、维修、保养方便等特点，所以现其已广泛应用至北京、上海、广州等地地铁轨道结构中和各地既有运营线减振降噪换铺段中。

(8) 通过选择适合的轨道结构类型来降低振动源的激振强度。

地铁道床结构
类型包含有一般整体道床、中等减振道床、高等减振道床和钢弹簧浮置板道床。

其中高等减振道床类型包含有橡胶隔振垫减振道床、梯形轨枕道床，其与钢弹簧浮置板道床作用原理基本为将传统整体道床进行分层，在上下层接触部位铺设弹性垫层（橡胶隔振垫道床、梯形轨枕道床）或采用弹性隔振器作为其支撑与受力方式（钢弹簧浮置板道床），通过其约束阻尼与弹性作用，达到减振降噪的目的，通过实测其有效减振为10～40dB。

但由于其造价相对较高，所以现高等减振道床普遍用于对减振降噪有较高要求的特殊地段。

5.振动传播途径控制
(1) 可以在轨枕（轨道板）与道床之间加一些隔振材料。

用的比较多的是钢弹簧浮置板减振系统以及橡胶隔振垫与梯形轨枕减振系统。

钢弹簧浮置板减振系统是一种质量-弹簧系统，适用范围较为广泛，减振效果显著，但是其造价较高。

后两者的构造比较简单，施工工艺也相较简单，但是减振效果不如钢弹簧浮置板减振系统。

(2) 可适当增加隧道埋深或隧道壁厚，针对不同的情况选择适合的隧道结构。

通常而言，隧道埋深对地铁振动的影响比较大，隧道埋深越大其对地铁振动的影响就越小，因此，可以适当加大隧道埋深以此来降低地铁振动。

(3) 对于有碴轨道，可适当增加道碴的厚度，在隧道和道碴之间铺设整体橡胶道碴垫。

通过铺设橡胶道碴垫，可将隧道壁振动降低10～20 dB，但不足的是会增大钢轨的变形。

(4)使用隔振屏障。

采用屏障来降低地铁振动是比较常见的方法。

其原理是，通过改变或者阻挡振动波传播到屏蔽区，从而降低屏蔽区的结构振动以及地面振动。

隔振屏障一般可以采取隔振沟、缓冲带、消振壁以及围栏桩的方式，这些方式都可以有效减弱地铁振动向地基的传递。

其中效果最好的是隔振沟的方式，只要隔振沟达到一定的深度，就可以阻碍振动波向外传播，达到理想隔振效果。

四．总结
地铁振动不仅会对人体造成直接影响，还会间接影响人们的工作效率。

同时会对地铁周边的建筑物以及室内的仪器设备造成影响。

如上所述，地铁振动的原因是多方面的，不仅是车辆本身的问题, 而是各种振动源及振动传播方式的综合结果。

地铁振动原因的复杂性增加了减振的困难程度，但随着社会的发展，人们对于生活质量的要求越来越高，地铁减振还是应该受到高度的重视。

总体来说，当下科技发展迅速，通过综合治理是可以达到减振的要求的。

减少地铁振动，为居民营造一个良好的生活环境有着非常重要的现实意义。

参考文献：
[1]余枫等.地铁振动及其控制的研究[J].都市快轨交通.2005
[2]关歆莹等.地下铁道的振动及其控制措施的研究[J].振灾防御技术.2011
[3]陈俊辉等.地铁轨道减振降噪措施探讨[J].城市建设理论研究.2012。