馬曉華,曲 村,鄭瑞武
(1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司,北京 100037;2. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心,北京 100037;3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實驗室,北京 100037)
自20世紀(jì)60年代北京建成第一條地鐵線路以來,經(jīng)過50多年的發(fā)展,中國進入了城市軌道交通的蓬勃發(fā)展期[1],北京、上海、廣州等多個城市相繼進入城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營時代,城市軌道交通已經(jīng)成為解決大中城市交通問題的主要方式。
隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,工程建設(shè)占用了大量的城市土地,其中車輛段(停車場)占地面積較大,但土地利用率卻相對偏低。隨著城市軌道交通線網(wǎng)的完善,城市規(guī)模也在不斷擴大,而土地作為稀缺資源,利用價值不斷攀升。因此,有必要對車輛段的土地進行綜合利用。目前,對車輛段土地進行上蓋開發(fā)已成為一種趨勢。
車輛段上蓋開發(fā)是在保證軌道交通功能的前提下,結(jié)合車輛段(停車場)布局特點進行的開發(fā)利用,除南京地鐵1號線南延線大學(xué)城停車場是高架模式外,其余物業(yè)開發(fā)一般均為地毯模式。目前,上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)形式主要有轉(zhuǎn)化層大平臺和核心筒落地(剪力墻落地)兩類,上蓋區(qū)多采用梁式轉(zhuǎn)換或隔振支座,如寧波地鐵天童莊車輛段、杭州地鐵七堡車輛段、北京地鐵東小營車輛段等。
上蓋開發(fā)的建筑類型很多,主要包括住宅、學(xué)校、醫(yī)院、商業(yè)辦公、休閑娛樂、綠地等。早期的上蓋開發(fā)主要集中在運用庫和部分落地區(qū),如北京地鐵郭公莊車輛段、平西府車輛段,無錫地鐵雪浪停車場等;后期逐漸向車輛段咽喉區(qū)擴展,如北京地鐵五路停車場、杭州地鐵五常車輛段、福州地鐵新店車輛段等;現(xiàn)在很多車輛段都進行了全上蓋物業(yè)開發(fā),如北京地鐵北安河車輛段、東小營車輛段、石家莊地鐵嘉華車輛段等。
目前我國對地鐵車輛段(停車場)進行上蓋開發(fā)的主要有香港、北京、上海、廣州、深圳、杭州、蘇州、無錫、合肥、長沙、廈門、福州、鄭州、石家莊、寧波、武漢、西安等城市[2-4]。
香港地鐵在1977年建設(shè)荃灣線時,就考慮了地鐵上蓋開發(fā)。隨著荃灣線荃灣車輛段、將軍澳線將軍澳車輛段、港島線柴灣車輛段的成功開發(fā),我國其他城市也陸續(xù)開始了地鐵車輛段的上蓋開發(fā)建設(shè)。
我國內(nèi)地早期在北京地鐵1號線四惠車輛段進行了上蓋開發(fā)的嘗試,結(jié)構(gòu)型式為2層大平臺[5],上蓋開發(fā)建筑直接位于平臺頂面,除車輛段外,復(fù)八線、八通線正線均從大平臺下通過。目前,車輛通過時上蓋開發(fā)的房屋內(nèi)輪軌振動噪聲明顯,體感較差。隨著軌道交通建設(shè)和運營的不斷發(fā)展,城市軌道交通引發(fā)的居民投訴也不斷增加,在2008年之前,國家環(huán)境保護總局要求車輛段(停車場)等設(shè)施與居民區(qū)等敏感目標(biāo)的距離控制在30 m以上,上蓋開發(fā)除了四惠車輛段的嘗試外,基本上處于停滯狀態(tài)。
2008年后,隨著北京奧運會的舉辦,軌道交通帶來周邊土地的升值,越來越多的人口涌入大城市,住房供求關(guān)系日趨緊張。上海、北京等城市物業(yè)開發(fā)項目相繼落地。
隨著軌道交通技術(shù)的進步和大城市住宅需求的不斷攀升,國家對于車輛段開發(fā)的態(tài)度也在發(fā)生轉(zhuǎn)變。2015年以后國家生態(tài)環(huán)境部提出:在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下,不反對車輛段(停車場)上蓋建設(shè)敏感建筑物。
目前,全國各大城市地鐵車輛段上蓋開發(fā)建設(shè)開展得如火如荼,但也存在著軌道振動噪聲超標(biāo)[6]、消防與降噪沖突等方面的問題。本文主要對已有工程出現(xiàn)的軌道振動噪聲問題和控制措施進行總結(jié)和分析,為后續(xù)工程提供技術(shù)支持。
車輛段(停車場)一般包含出入線、庫外線、庫內(nèi)線,車輛段還包含試車線,主要承擔(dān)停車列檢、綜合維修、試車等作業(yè)。車輛段(停車場)線路特征與正線有明顯區(qū)別:空車低速運行、曲線半徑小,大部分線路位于平坡,接頭多、道岔多。
車輛段(停車場)相較于正線有以下特點:
(1) 早上發(fā)車時間比正線早,晚上收車時間比正線晚,振動及噪聲的影響時段比正線更長。
(2) 車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)完全在其正上方,列車引起的振動波不經(jīng)過土體的衰減,直接通過道床、立柱傳遞到上蓋作用的平臺上,影響更大。
(3) 庫外線最小曲線半徑一般為150 m,列車通過小半徑曲線時會產(chǎn)生摩擦嘯叫聲[7]。
(4) 除試車線外一般均采用普通線路,車輛經(jīng)過鋼軌接頭時“咣當(dāng)”聲頻繁出現(xiàn)[8]。
(5) 庫外線道岔多采用50 kg/m鋼軌7號系列道岔,為固定型轍叉,車輛通過道岔“有害空間”的振動放大聲明顯。
車輛段(停車場)振源主要是軌道車輛在鋼軌行駛時,輪軌的不平順及車輪與軌道的摩擦、撞擊等造成的,會通過車輪及鋼軌以及軌枕、道床等結(jié)構(gòu)向外傳播[9]。由于輪軌沖擊作用而引起軌道振動,該振動波通過道床傳遞到上蓋,激發(fā)周邊建筑物產(chǎn)生振動,并進一步誘發(fā)室內(nèi)結(jié)構(gòu)的二次振動和振動噪聲[10-11]。
噪聲主要來源于車輛段(停車場)自身公用設(shè)備運行、汽車噪聲、車輛段運行噪聲、地鐵風(fēng)亭和冷卻塔噪聲等。
本文主要針對軌道專業(yè)設(shè)計可以改善的輪軌振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲進行分析。
車輛段上蓋開發(fā),目前多采用源強減振,其中軌道減振措施最為成熟。國外常采用的措施有減振接頭夾板、減振扣件和鋼軌阻尼等。
上蓋開發(fā)除了源強減振外還應(yīng)考慮采取綜合減振降噪措施,傳播途徑的減振降噪包含隔振溝、剛性排樁或筏基等;建筑物減振降噪可以考慮采用隔振支座、浮置樓板等減振措施,聲屏障、隔音玻璃、隔音窗等降噪措施。國內(nèi)目前在地鐵上蓋開發(fā)中采取了多種措施,技術(shù)較國外更為先進、種類更多,現(xiàn)運營車輛段上蓋開發(fā),多是考慮振源減振,采取軌道類的減振降噪措施,主要措施分析如下。
鋼軌作為輪軌的接觸面,是輪軌沖擊振動的源頭,目前常采用的措施主要有:
(1) 保持良好的輪軌關(guān)系。良好的輪軌關(guān)系可以有效地減少輪軌振動及產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲。目前,國內(nèi)多個項目測試報告顯示,同樣的軌道結(jié)構(gòu)形式,不同車輛通過,振動差別為3~7 dB;同樣車輛不同養(yǎng)護狀態(tài)振動差別達到3~7 dB。建議定期打磨鋼軌、定期鏇輪,在小半徑曲線地段設(shè)置涂油器等措施既可以保持良好的輪軌關(guān)系也可以減少嘯叫聲,也是目前最易采用、最普遍的措施。
(2) 采用重型鋼軌和降低鋼軌高度。地鐵車輛段項目一般采用50 kg/m鋼軌,這也是地鐵設(shè)計規(guī)范的要求。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗,增加鋼軌重量可以有效抑制鋼軌的垂向振動,降低鋼軌高度和寬度可以減少鋼軌垂向和橫向輻射。
(3) 減小鋼軌接頭沖擊振動。目前,可以通過采用減振接頭夾板[12]、凍結(jié)接頭和焊接接頭的方式實現(xiàn)減小鋼軌接頭沖擊振動的目標(biāo)。無上蓋開發(fā)的車輛段多采用普通接頭,接頭沖擊振動能量大,在鋼軌接縫處采用減振接頭夾板,可以減小接頭沖擊振動,達到減振的效果。減振接頭夾板主要是通過將接頭夾板中間部位加高至與軌面平齊,當(dāng)車輪通過接頭范圍時,減振接頭夾板頂面與鋼軌頂面同時接觸車輪,減振接頭夾板剛度大,可以減小車輪通過軌縫時的臺階和折角,從而減小接頭沖擊振動。其目前在蘇州地鐵太平車輛段,長沙地鐵黃興車輛段,北京地鐵東小營車輛段、北安河車輛段、天竺車輛段等均有采用。
庫內(nèi)線采用普通線路,后期物業(yè)開發(fā)實施后多建議采用焊接接頭,鋼軌焊接取消了接縫,可以徹底消除列車通過時的沖擊振動、打擊噪聲,是最直接減小輪軌沖擊振動的方式。庫外線由于最小曲線半徑多為150 m,且道岔數(shù)量多,不滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)鋪設(shè)無縫線路的條件,不建議大面積采用焊接接頭。
將準(zhǔn)備好的插干挖穴栽植,每穴垂直插干一株。插干所需洞穴由人工挖深法或水沖法獲得。將剪制好的插條每30個捆成一捆,頭朝上,插干2/3置于清潔的流水中浸泡,時間約30~40d為宜。若無流水條件,視水位而定(低于插干1/3處)及時灌水浸泡。
庫內(nèi)線和試車線多個車輛段上蓋開發(fā)項目通過采用焊接長軌條的方式取消接縫,是目前庫內(nèi)線減振降噪的首選方案之一,北京地鐵五路停車場、郭公莊、平西府、北安河,杭州地鐵七堡、湘湖等車輛段(停車場)均采用了此類方案。運營線路采用鋁熱焊較為便捷,從目前焊接方法反饋來看,鋁熱焊的折損率約為0.5%。北京運營部門不建議在既有線上采取鋁熱焊,因此平西府車輛段和五路停車場上蓋開發(fā)后采取了凍結(jié)接頭。東小營車輛段采用移動閃光焊,相較于鋁熱焊、閃光焊焊接效果更好,質(zhì)量更容易控制。
(4) 采用鋼軌阻尼降噪裝置。庫外線最小曲線半徑多為150 m,輪軌作用產(chǎn)生的噪聲比較大,建議在庫外線鋪設(shè)鋼軌阻尼降噪裝置。鋼軌阻尼降噪裝置主要用于降低噪聲及延緩鋼軌的波磨,產(chǎn)品的有效作用頻率范圍應(yīng)在800~8 000 Hz。
鋼軌阻尼降噪裝置[13-14]在上海地鐵吳中路車輛段、蘇州地鐵太平車輛段、杭州地鐵七堡車輛段、北京地鐵東小營、北安河車輛段等均有采用。鋼軌阻尼降噪裝置主要有兩類產(chǎn)品,一類是調(diào)頻式鋼軌阻尼降噪裝置(TRD),如圖1所示;一類是寬頻型鋼軌阻尼減振降噪裝置(TMD),如圖2所示。
TRD作用原理為:當(dāng)鋼軌發(fā)生振動時,諧振質(zhì)量塊產(chǎn)生諧振,轉(zhuǎn)移吸收鋼軌振動能量,抑制鋼軌振動,衰減鋼軌振幅,降低鋼軌的振動和噪聲輻射。
TMD是在鋼軌表面設(shè)置由阻尼材料和約束板構(gòu)成的復(fù)合阻尼板并在軌腰設(shè)置吸振器。采用這種阻尼結(jié)構(gòu)后,列車運行時鋼軌的振動強迫阻尼體產(chǎn)生剪切變形,將鋼軌的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能,降低鋼軌所產(chǎn)生的振動,相應(yīng)的噪聲也大幅降低。軌腰吸振器通過調(diào)整質(zhì)量塊和彈簧系統(tǒng)的剛度可以實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)頻。
采用鋼軌類的減振措施在正線上減振效果不小于3 dB,低速狀態(tài)下缺乏測試數(shù)據(jù),工程設(shè)計中認(rèn)為采用此類措施可以有效緩解輪軌振動對上蓋建筑的影響;鋼軌阻尼降噪裝置在招標(biāo)中要求在車輛段使用降噪效果不小于3 dB。
1) 將普通扣件更換為減振扣件
扣件類減振措施是指通過更換車輛段的普通扣件為減振扣件達到減振的效果,在北京地鐵五路停車場、郭公莊車輛段、平西府車輛段、北安河車輛段、鄭州地鐵鐵爐西車輛段等均有采用。車輛段減振扣件主要有壓縮型扣件、浮軌式扣件兩類,壓縮型扣件包含雙層非線性減振扣件和分體嵌套式減振扣件。浮軌式扣件如圖3所示,雙層非線性減振扣件如圖4所示,分體嵌套式減振扣件如圖5所示。
圖3 浮軌式扣件
圖4 雙層非線性減振扣件
圖5 分體嵌套式減振扣件
浮軌式扣件把約束鋼軌的部位由軌底移動到軌腰,從鋼軌兩側(cè)夾緊鋼軌,正常工作時鋼軌處于懸浮狀態(tài),利用彈性體的剪切特性,最大限度地獲得低的垂向剛度,減少振動向軌下基礎(chǔ)傳播,目前此類扣件在北京地鐵五路停車場、北安河車輛段、福州地鐵新店車輛段等有所采用。
(1) 雙層非線性減振扣件采用分離式結(jié)構(gòu),由軌下橡膠墊板、上鐵墊板、中間橡膠墊板、下鐵墊板和自鎖機構(gòu)等組成,利用兩層橡膠墊板的壓縮變形實現(xiàn)減振,橡膠墊板與鐵件分離,可實現(xiàn)單獨更換。雙層非線性減振扣件目前主要應(yīng)用于北京地鐵磁各莊車輛段、西安地鐵阿房宮車輛段等。
(2) 分體嵌套式減振扣件采用子母鐵墊板分體嵌套的理念,由子鐵墊板、基礎(chǔ)彈性墊板、母鐵墊板、絕緣緩沖嵌套圈和其余常規(guī)零件如彈條、螺旋道釘、軌距墊等組成,該扣件的特點是:可與普通扣件實現(xiàn)通用互換;減振能力達到同類產(chǎn)品較高水平;造價便宜;結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便,可更換減振橡膠,降低維修費用等。分體嵌套式減振扣件目前主要應(yīng)用于西安地鐵阿房宮車輛段。
減振扣件多用于庫內(nèi)線的減振,也應(yīng)用于北京地鐵北安河車輛段和磁各莊車輛段等庫外線。
2) 更換扣件墊板為高彈性墊板
更換扣件墊板[15-16]通過將普通扣件墊板更換為彈性更好的材料達到減振效果。在車輛段上蓋開發(fā)初期,在深圳地鐵蛇口西車輛段、塘朗車輛段,長沙地鐵黃興車輛段,無錫地鐵雪浪停車場等采用了將庫內(nèi)扣件墊板更換為熱塑聚酯高彈性墊板的措施,通過降低扣件節(jié)點靜剛度以滿足減振的需求。該方案相較于其他減振措施投資低、養(yǎng)護維修工作量小,但其減振效果也較為依賴于中標(biāo)廠家提供產(chǎn)品的質(zhì)量。
扣件類減振措施在正線的減振效果一般不小于5 dB,車輛段低速狀態(tài)下減振效果測試數(shù)據(jù)比較少,暫沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
1) 合成軌枕
目前為止僅在北京地鐵北安河車輛段庫外線上蓋開發(fā)項目中采用過合成軌枕作為減振降噪措施,主要使用在道岔區(qū),合成軌枕的優(yōu)勢在于其與各種扣件配套使用靈活,但相對成本較高。
2) 梯形軌枕
梯形軌枕是一種在正線常用的高等減振措施,主要應(yīng)用在廣州、上海等地的地鐵車輛段項目,出入線和試車線均有使用,梯形軌枕鋪設(shè)示意如圖6所示。調(diào)研發(fā)現(xiàn)常使用的梯形軌枕為在縱梁下部鋪設(shè)減振墊,主要由預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁與鋼軌形成雙彈性疊合梁,增大軌道抗彎剛度,擴大輪軌力分布范圍,降低基底輪軌動態(tài)力的峰值和變化幅度,從而改善輪軌動力學(xué)性能,起到減振作用。該方案實施時需要注意在小半徑曲線段鋪設(shè)的精度。
圖6 梯形軌枕鋪設(shè)示意
合成軌枕在車輛段是否存在減振效果有爭議,梯形軌枕正線減振效果不小于10 dB,車輛段梯形軌枕的減振效果在行業(yè)內(nèi)尚未達成共識。
1) 減振墊
減振墊在碎石道床和整體道床均有鋪設(shè),墊按照材質(zhì)可以分為橡膠和聚氨酯兩大類。橡膠類材料利用橡膠下部凸臺的變形、橡膠實體的剛度和阻尼層實現(xiàn)減振的目標(biāo);聚氨酯類是由聚氨酯材料發(fā)泡而成的微孔彈性體形成,通過實體的高彈特性實現(xiàn)減振。
碎石道床區(qū)減振墊施工時,首先在滿足壓實度要求的路基上開挖厚度不小于200 mm的基底,綁好鋼筋,澆筑混凝土底板,鋪設(shè)減振墊和道砟,起道至設(shè)計高程。其在國內(nèi)大多數(shù)車輛段上蓋項目庫外線和試車線上均有使用,庫外線減振墊如圖7所示。庫內(nèi)線檢查坑地段減振墊鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)橫梁下,按照檢查坑的形式進行側(cè)面包裹(按照實際工況選擇),庫內(nèi)線減振墊鋪設(shè)效果如圖8所示。庫內(nèi)線鋪設(shè)減振墊的項目主要有北京地鐵北安河、東小營車輛段,石家莊地鐵嘉華車輛段等。該方案需要注意必須鋪設(shè)減振墊基底,以保持良好的狀態(tài),另外在水位較高地段采用聚氨酯材質(zhì)需要對材料的吸水率提出要求,以免減振墊泡水后影響減振效果。
圖7 庫外線減振墊
圖8 庫內(nèi)線減振墊鋪設(shè)效果
目前北京地鐵16號線北安河車輛段在道岔區(qū)采用了減振墊與減振扣件組合的減振措施。
2) 道砟加厚
在車速、土層相近的深圳地鐵前海車輛段和橫崗車輛段采用單層道砟和雙層道砟不同工況下,振動源強相差8.1 dB[17],通過模擬計算發(fā)現(xiàn)道砟每加厚10 cm相較于普通碎石道床振動減弱4 dB,加厚20 cm減弱約6.5 dB。因此,在北京地鐵東小營車輛段上蓋開發(fā)中,庫外線采取了加厚道砟的方案,交叉渡線區(qū)段加厚20 cm,其余地段加厚10 cm。后期在北京地鐵磁各莊、石家莊地鐵嘉華車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)項目中也采用了此方案。該方案工程實施容易,但在全上蓋開發(fā)中需要預(yù)留足夠的軌道結(jié)構(gòu)高度,以免后期影響上蓋下凈空。
3) 鋼彈簧浮置板
車輛段內(nèi)整體道床鋼彈簧浮置板主要用在出入線整體道床地段和試車線整體道床,其工況近似于正線工程,相關(guān)案例也比較多。
在合肥地鐵濱湖車輛段首次采用了碎石道床鋼彈簧浮置板,如圖9所示。系統(tǒng)設(shè)計固有頻率為6 Hz,在混凝土基礎(chǔ)上設(shè)置現(xiàn)澆槽形板,側(cè)式鋼彈簧隔振器支撐在結(jié)構(gòu)底板,槽形板內(nèi)鋪設(shè)道砟。
圖9 碎石道床鋼彈簧浮置板
此方案需要的軌道結(jié)構(gòu)高度比較大,北京地鐵馬泉營車輛段軌道結(jié)構(gòu)高度為1.84 m,合肥地鐵濱湖車輛段軌道結(jié)構(gòu)高度為1.35 m,都用在試車線,相較于以往車輛段采用的碎石道床基礎(chǔ)處理費用也有所增加。上述工程在單開道岔區(qū)采用了此方案,而交叉渡線區(qū)因為荷載較大,采用此方案需要根據(jù)實際情況進行分析,目前沒有應(yīng)用案例。
正線減振墊、鋼彈簧浮置板的減振效果不小于10 dB,對于低速狀態(tài)下的減振效果,目前已知的測試數(shù)據(jù)離散性比較大。
本文通過調(diào)研和分析目前全國各城市車輛段(停車場)常用的軌道減振降噪控制措施,在實際使用中建議根據(jù)工程具體情況選擇合理的方案,建議如下:
(1) 車輛段開發(fā)初期需要結(jié)合振動噪聲分布情況,合理設(shè)置上蓋的業(yè)態(tài)分布;上蓋物業(yè)開發(fā)中軌道方面的改進措施是目前最為成熟的減振降噪控制措施,但是同時也要意識到車輛段的激勵、荷載與正線不同,軌道專業(yè)對其研究也處于初期階段,上蓋開發(fā)設(shè)計還要充分考慮綜合減振措施,如隔振措施、結(jié)構(gòu)減振措施等。
(2) 車輛段內(nèi)行駛車輛最大的特點是低速、空載,各類措施的減振效果在行業(yè)內(nèi)未達成共識,工程中不能將正線的減振效果數(shù)據(jù)引用到車輛段;另外車輛段內(nèi)振動噪聲的傳播途徑與正線不同,直接由道床、柱傳遞到上蓋,目前對于車輛段的減振降噪處于研究階段,有必要對振源、已采取的措施效果進行綜合的測試研究。
(3) 車輛段在庫內(nèi)采用軌道減振措施,建議首選焊接接頭,出庫速度控制在5 km/h以內(nèi),東小營車輛段采用的無縫線路方案相較于普通線路,費用增加約25 萬元/km,為最成熟、安全性最高的方案。困難時考慮采用減振扣件或者鋪設(shè)減振墊道床,減振扣件在上蓋開發(fā)項目中應(yīng)用較多,磁各莊車輛段鋪設(shè)減振扣件增加費用約76.3 萬元/km;減振墊方案在北安河和東小營項目中應(yīng)用,效果如何需要進一步驗證,東小營車輛段庫內(nèi)線采用全包裹的減振墊方案,增加費用約352.8 萬元/km。
車輛段庫外線軌道減振降噪措施首選道砟加厚、減振接頭夾板,東小營車輛段采用此方案增加費用約為20 萬元/km;困難時考慮鋪設(shè)減振墊或者梯形軌枕,采用減振墊一般增加費用506萬元/km,梯形軌枕增加費用600 萬元/km;對于組合道床的減振措施慎用;庫外線和試車線軌道減振降噪控制措施建議采用鋼軌阻尼降噪措施,此措施中應(yīng)采用含質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、彈性元件的裝置。試車線軌道減振措施建議采用鋪設(shè)減振墊或者鋼彈簧浮置板的措施。
(4) 建議車輛段上蓋開發(fā)下階段進一步深化研究鋼軌接頭處的措施,盡量減少道岔區(qū)有害空間的影響。