城市轨道交通轨道结构类型选择的研究

城市轨道交通轨道结构类型选择的研究

提　要: 本文根据城市轨道交通的特点, 通过分析有碴轨道与无碴轨道结构的特点, 提出在城市轨道交通中, 应优先采用无碴轨道结构类型及其设计原则。提出了减振降噪型轨道结构的设计、应用特点。
关键词: 减振降噪; 轨道结构; 城市轨道交通
1　前言
城市轨道交通极大地方便了人民群众的出行, 产生了显著的社会效益, 但同时也不可避免地给城市环境带来了诸如噪声、振动、电磁辐射、景观以及日照等方面的负面影响, 其中以运营期的噪声、振动影响尤为突出。过量的噪声和振动将严重影响人们正常的工作和休息、损害身心健康、降低工作效率, 同时将引起受振物体的疲劳损坏, 降低使用寿命。因此, 噪声和振动的污染防治成为城市环境保护的重要内容之一。我国国家标准《城市区域环境振动标准》(GB 10070-88)、《城市区域环境噪声标准》(GB 3096-93) 和《城市区域环境噪声适用区域划分技术范围》(GB ?T 15190-94) 中, 对于特殊住宅区的室内振动标准值为6B dB, 噪声标准值为昼间50 dB 和夜间40 dB 。对于普通的居民区和文教区, 室内振动标准值为昼间70 dB 和夜间67 dB, 噪声标准值为昼间55 dB 和夜间45 dB 。因此, 在修建轨道交通的同时, 如果不注意在相应的区段采取相应的减振降噪措施, 就难以达到国家的环境标准, 影响沿线居民的生活质量。
随着我国第一条城市高架轨道交通线——上海市轨道交通明珠线一期工程的通车试运营以及地铁二号线东延伸段的开通, 沿线部分地段的噪声超标问题引起了社会的广泛关注。此外, 全国人口密集的各大城市也在积极筹建轨道交通, 有鉴于高架线较之地下线投资省、工期短、运能、制式与地铁无差别的优点, 目前其建设规模几乎与地下线相当, 如武汉轻轨、北京八通线等。因此在如此大规模建设轨道交通的形势下, 在吸取已有的轨道交通建设的经验的基础上, 及时寻求技术可行、经济合理的新型轨道结构, 在当前来说是相当迫切的。
2　轨道结构的设计原则
2. 1　有碴轨道与无碴轨道结构
轨道结构按其轨下基础型式的不同可分为两大类: 有碴轨道与无碴轨道结构。有碴轨道具有造价相对低、施工速度快、维修方便及弹性好等优点, 目前一些工业先进的国家仍然采用。如原联邦德国汉堡37 km 高架线路采用轨枕碎石道床; 1985 年建成通车的菲律宾马尼拉轻轨铁路, 全长14. 5 km, 为高架线路, 采用双块式预应力混凝土枕, 潘得罗尔扣件, 硬质碎石道床。
然而城市轨道交通应优先采用无碴轨道结构, 这是由城市轨道交通其特殊的运营特点所决定的。
(1) 有碴轨道养护维修量大。传统的碎石道床由松散的碎石组成。因此, 在列车荷载作用下, 道碴的磨损、坍塌、局部陷入路基以及钢轨和轨枕的变形, 都会引起轨道的残余变形, 产生轨道不平顺。而道碴的变形是引起轨道不平顺的主要原因, 占轨道变形的80% 以上。整治道床占养护维修工作量的80% 以上。
(2) 轨道交通线路在其运营时间内进行养护维修几乎已不可能。据统计, 自1863 年伦敦开行第一列城市轨道交通线以来, 世界各国的城市轨道交通累计已达4 000 km , 其行车间隔时分不超过4m in 的线路占90% 以上, 其运营时间通常在18 个小时左右, 夜间的养护维修作业在安全、质量和设备要求上提出更为苛刻的要求;
(3) 此外, 城市轨道交通除市郊铁路外, 地铁和轻轨线在城区内以隧道和高架形式穿越的情况居多, 其养护维修作业在空间上受到极大限制, 且隧道内的工作条件十分恶劣。
(4) 高架线采用道碴道床, 其轨下基础单线自重为1. 9t/m, 而选用结构简洁的轨道结构, 其双线自重仅为1. 8t/m。因此, 采用道碴道床增加了桥梁的自重, 从而可能需加大梁跨和桩基尺寸, 增加投资。
此外, 有碴轨道道床的清筛粉尘也给城市环境造成污染。因此, 无碴轨道相比于有碴轨道, 具有稳定性、平顺性、刚度均匀性好, 维修工作量少、简洁易清洗等显著优点, 逐渐被世界上许多国家所认识, 并在过去的几十年里, 对无碴轨道结构开展了长期、系统的研究工作, 已把它作为城市轨道交通的主要轨道结构型式加以发展和应用。
3　弹性轨道结构的设计
3. 1　弹性支承块式轨道结构
3. 1. 1　为了降低列车运行时车辆-轨道系统的振动, 增加轨道结构的弹性是一种较为有效的手段。英吉利海峡隧道采用低振动轨道结构(L ow V ib ration T rack ) ( 图1), 其目的也是使得轨道结构具有较好的减振性能, 降低轮轨之间的动力作用和使得列车运行平稳。日本对高速铁路轨道结构弹性的研究更为广泛, 不但对轨道结构弹性与轮轨的动力作用关系进行研究, 而且对轨道弹性与降低列车运行噪音的关系进行研究。国外对此问题的多年研究, 特别是对钢轨下垫层的刚度的研究, 已积累了许多资料。研究的目的也是为了提高列车运行的平稳性, 使轨道结构能够有效吸收轮轨之间的冲击振动。

2. 2　无碴轨道结构设计的主要原则
在城市轨道交通中, 轨道结构应根据不同的环境要求来设计, 从而做到物尽其用, 经济合理。减振降噪是城市轨道交通建设与设计中应重点研究内容之一。因此, 无碴轨道结构设计应遵循以下主要原则:
(1) 在列车长期动荷载作用下, 轨道结构应保持安全、可靠的几何状态, 并具有足够的承载能力、强度贮备和使用耐久性;
(2) 轨道结构的振动质量、刚度和阻尼应根据轨道结构动力学原理进行合理选择, 以适应减振降噪的要求, 使结构体有最大的减振降噪效果, 并能减缓轮轨之间的冲击荷载, 减轻钢轨的磨耗和波磨;
(3) 结构简单, 便于组织快速施工和安装, 便于配套设备和机构的应用, 施工进度应符合铺轨要求, 对于混凝土道床的局部损坏应考虑有修复的可能性;
(4) 在轨道的基础已确保坚实稳定的前提下, 仍需考虑因施工误差、曲线超高变化, 以及预应力混凝土桥梁伸缩、上拱等因素引起的轨面标高的改变。为此, 配套的扣件设计应考虑足够的调整量和可行的调整方法;
(5) 合理选材, 轨道部件国产化, 从而控制轨道结构的成本, 由于无碴轨道可大幅度降低维修费用, 其综合的经济效益可被接受, 从而有推广应用的价值;
(6) 由于减振材料的寿命不如混凝土, 少量维修是必要的, 因此减振材料的更换应方便。

图1　英吉利海底隧道的LV T 无碴轨道结构
瑞士国营铁路首次采用弹性支承块式无碴轨道结构(LV T)。根据瑞士联邦铁路的轨道检查记录显示, 运营了1～ 7 年的轨道几何状态仍可保持在标准范围之内, 最大限度地减少了轨道的维修工作量。由于维修费用的减少, 总运营费较有碴轨道可节省50% 。由于其特有的减振、降噪、减磨等优越性能, 后来被世界上许多国家所采用。
我国的弹性支承块式无碴轨道结构在国铁中的应用刚刚开始, 在刚建成的18 km 长秦岭隧道内, 铺设了这种弹性轨道结构。在课题研究期间, 曾于天宝线白清隧道改线工程中铺设了100m 的试验段。现场测试及理论分析结论表明, 这种轨道结构的振动衰减特性接近于有碴轨道。此外, 我国的秦(皇岛)～ 沈(阳) 客运专线也部分铺设了这种轨道结构的试验段, 以验证其减振性能。
由于这种轨道结构减振降噪的效果较为明显, 因此, 对于城市轨道交通中对振动和噪声敏感的地段, 特别是高架结构, 弹性支承块式无碴轨道结构是一种比较理想的方案。广州地铁一号线已铺设, 北京地铁于1972 年在东十四条站铺设了这种轨道, 现场测试较一般整体道床振动加速度降低30% , 减振效果好, 经过20 年运营使用, 技术状态良好。正在兴建的上海地铁一号线北延伸, 部分高架地段拟采用这种轨道结构, 其结构形式如图2 所示。

图2　高架桥上的弹性支承块式无碴轨道结构
3. 1. 2　结构组成
弹性支承块式轨道结构由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成。弹性支承块由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块以及块下大橡胶垫板组成。橡胶靴套与块下大橡胶垫板具备一定的厚度, 大橡胶垫板为沟槽形, 其设置是根据所需刚度设计而定, 与轨下垫板的弹性匹配目标是使得无碴轨道的总体刚度与传统有碴轨道的刚度相接近, 尽可能做到线路上无碴轨道和有碴轨道的结构受力、动力传递均匀一致。支承块承轨部分设轨底坡, 由于无碴轨道调整钢轨高度的需要, 配套扣件为弹性分开式, 支承块与铁垫板的联结通过预埋绝缘套管及螺栓实现; 道床板由就地灌注的填充混凝土和槽形板组成的道床将弹性支承块嵌固在其中。每7～ 8 个支承间距作为一个板长单元。道床表面设人字坡, 以利排水; 在隧道内, 混凝土道床可直接与隧底仰拱填充混凝土联结。而在高架结构上, 考虑列车制动和温度力等作用, 加设了混凝土底座底。为此, 需解决底座与桥面的联结以及底座与道床的联结等问题。为了提供混凝土道床的可修复性, 在底座表层设置隔离层; 在曲线地段, 外轨超高的设置是在混凝土底座内完成。
3. 1. 3　结构特点

·轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供, 最大程度上模拟了弹性点支承传统碎石道床的结构和受荷响应特性, 并使得轨道纵向弹性点支承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择, 可使轨道的组合刚度接近有碴轨道的刚度。
·支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形。使这种无碴轨道在承载、动力传递和振动能量
吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道。这种低振动轨道可以弥补无碴轨道弹性不足, 以适应环保对低振动、低噪音的要求。
·通过双层弹性垫板的隔离, 轨道的支点荷载和振动等动力性能可保持长期稳定, 轨道的几何形位也可在长时间内得以保持。
·结构简单, 施工相对容易。支承块为钢筋混凝土结构, 可在工厂预制, 在现场只需将钢轨、扣件、靴套及垫板的支承块力加以组装, 经准确定位后, 就地灌注混凝土即可成型。
·由于采用橡胶靴套和块下大橡胶垫板, 初期投资较大。且由于橡胶易老化, 故运营一定时间后必须更换。

铁道部科学研究院对弹性支承块式轨道结构进行了室内1∶1 模型试验。在确认了其疲劳强度和安全性后, 利用落轴冲击试验对其振动特性进行了对比试验, 结果表明, 减振型结构道床的最大振动加速度为刚性型的一半, 振动频率也只有一半, 说明弹性支承块轨道结构的减振性能优良。测试结果表明: 其阻尼值比刚性整体道床提高30. 8～ 50. 7% , 有利于消振。弹性支承块式整体道床轨道结构建议用于有一般减振要求的1 类地区, 如居民区、商业区域等。
3. 2　浮置板式轨道结构
根据振动理论可知, 当一个振动体在一个外部激振动力作用下, 该振动体产生振动, 但振动体振动的频率与振动体质量的开方成反比, 与振动体的刚度开方成正比。而加速度的大小是与振动体振动频率的平方成正比, 所以也就与质量成反比, 与刚度成正比。浮置板就是利用这一原理, 增大振动体的振动质量和增加振动体的弹性, 利用其惯性力吸收冲击荷载, 从而起到隔振作用, 所以浮置板式轨道结构是降低传振和传声的很有效的方法。这种隔振系统在共振频率下的放大倍数很低, 所以减振降噪效果非常显著。浮置板轨道结构系统采用三层水平垫板(钢轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、板下橡胶垫板) 和一层侧向垫板。
(1) 国内外应用概况

图3　德国有道碴浮置板轨道结构

图4　迪塞乐多夫轻轨铁路上的无碴浮置板式轨道
最早采用浮置板式轨道结构的是联邦德国。德国对环境标准的要求非常严格, 随着地铁的开通, 噪声和振动也不可避免地产生了。针对此情形, 德国先开发了有道碴的浮置板轨道结构(见图3), 在多特蒙德(Do rtm und) 的一座轻轨铁路隧道内铺设了试验段。此后, 在科隆地铁和波鸿至穆尔海姆轻轨铁路及迪塞尔多夫的轻轨铁路上铺设了无碴浮置板式轨道(见图4)。由于其良好的减振降噪性能, 这种结构在华盛顿、亚特兰大、多伦多、布鲁塞尔均有铺设。
我国第一次采用浮置板式轨道结构的城市轨道交通线路是广州地铁一号线。由于目前全国建成的轨道交通线路的城市只集中于京、津、沪、穗, 其他城市也只是处于在建或筹建阶段, 因此, 这种轨道结构的性能在国内的实际运用情况可通过下一步的试验来进一步阐明。

(2) 浮置板轨道结构的特点
·减振降噪效果最好。据联邦德国有关部门测试, 有道碴下垫层和浮置板式的轨道结构其阻尼效应可达30 dB, 且在垂直荷载20%～ 100% 变化范围内其隔振的效果几乎保持不变。
·轨道绝缘性能强。由于轨道结构四周基本上由绝缘的橡胶支座与混凝土底座隔离, 可有效防止轨道迷流的发生。
·体积庞大, 施工与维修不便。由于浮置板是采用了有意增大轨下参振质量和有效阻尼的方法来控制噪声和振动, 故一般而言, 浮置板体积较大, 需大型机械施工。维修时, 若需更换支座, 在隧道内将造成不便。

·由于采用橡胶支座, 故造价较高。
浮置板式轨道结构包括两种基本类型: (1) 连续现浇浮置板; (2) 轨枕板式预制浮置板。连续现浇浮置板是在橡胶隔振垫上铺一块金属模板, 然后将混凝土浇入金属模板。但这种类型施工和维修均不便。板下橡胶支承方式分为整体支承、线性支承、分布式支承三种。浮置板的基本形式如图5 所示。

图5　浮置板式轨道结构示意图
整体支承在瑞士、法国、西班牙、意大利、德国、法国等国地铁中采用, 其优点是构造简单, 施工速度快, 支承面积大, 道床受力均匀, 成本较低, 缺点是维修不方便。浮置板的线性连续支承主要在德国地铁中应用, 其优点是较整体支承节省材料, 轨道结构的固有频率较低。分布式支承曾在德国、法国、加拿大、新加坡地铁中采用。这种支承方式如果设计合理, 轨道结构的固有频率低, 减振效果好, 维修方便。但在国外应用时曾发现轨道纵向和横向抵抗力差, 为了限制变形, 必须使剪切模量、弹性模量、垫板厚度、垫板大小等的匹配, 采取凹槽对橡胶垫板进行定位, 能有效地提高板的稳定性。
浮置板式与弹性支承块式整体轨道相比, 施工和维修都较为困难, 但经过仔细研究国外地铁轨道结构资料后, 发现采取改进板的结构型式和尺寸, 对现有板下橡胶支承方式进行改进, 可使施工和维修简化, 在维修过程中完全可采用简单机具更换橡胶垫板。浮置板轨道结构建议用于有特殊减振要求的0 类地区, 如心脏病医院、文教类区域。
4　结束语
城市轨道交通的建设是百年大计, 对轨道交通工程每一部分的选择都应慎之又慎, 一方面要节约投资, 另一方面要考虑环境等因素又不得不增加投资。所以有时不能只因节约投资而忽略环境、运行等问题。一旦轨道交通建成, 要对其整改, 所花的费用则可能是一次性投资的几倍。据此, 这里提出一些对城市轨道交通轨道结构设计的原则和类型选择的建议, 以供决策部门考虑与借鉴:
(1) 修建城市轨道交通工程应有超前意识, 全线宜采用整体轨道结构类型。
(2) 根据城市环境的要求和轨道结构振动、噪声的特点, 应采用新型的整体轨道结构形式, 如: 弹性轨道结构、减振降噪型轨道结构等类型。
(3) 对城市轨道交通沿线地区, 根据环境的要求, 进行分类。有特殊减振要求的区域, 如心脏病医院、文
教类区设为0 类地区; 其他地段为一般减振要求, 如学校、居民区、商业区域设为1 类地区。0 类地区, 采用浮置板轨道。1 类地区, 采用弹性支承块式整体道床轨道。
(4) 就我国目前的应用情况, 减振降噪型轨道结构真正应用于具体的城市轨道交通中, 还有以下几个大的方面要进行工作:
·以相应的运营条件, 建立动态轨道力学模型进行理论计算分析, 从理论上分析结构减振降噪的关键所在;
·对减振部件进行优化设计, 以获得最佳减振降噪效果。对减振橡胶材料进行理化性能的研究, 提高其长期的使用寿命, 降低成本;
·进行必要的室内性能试验。如条件许可, 可建立实尺轨道模型进行振动、噪声和力学传递等的对比研究;
·进行施工工艺及施工机具的研究, 提高施工速度和精度;

·进行养护维修技术的研究, 以保证正常运营。