城市轨道交通隔振技术的实践与思考
伴随新世纪城市化建设的进程,城市轨道交通建设作为基础设施的重点和缓解城市交通拥堵的法宝,得到普遍认可和告诉发展,但其噪声振动对沿线建筑物的影响也日益突出。随着普罗大众环保意识的普遍提高,人们开始追求宁静和谐的高质量工作生活环境,城市交通噪声振动的投诉、治理工程以及城市景观保护等相关内容也就顺理成章的逐渐成为行业关注重点。如何紧跟国民经济发展的步伐,真正贯彻“以人为本”的原则,妥善完成城市轨道交通噪声振动控制的前期配套工程或后期治理改造,实现噪声治理工程与人居环境的协调统一和景观美化,是近年来轨道工程和环保专业中的热门话题,是衡量建设者人文一是和绿色理念的标尺,也是考验各行业单位技术实力的试金石。本文拟结合城市规定轨道交通所涉及的设计理念及效果的得失进行有限范围内的探讨交流,以期引起相关单位的关注与思考。
1 我国城市交通隔振技术和工程应用的发展进程
地铁列车高速行驶是地铁振动与噪声主要发生源,其污染传播途径有三个:一是直接影响到列车内司机和乘客;二是列车进出站时,给车站环境带来污染;三是列车运行时使地铁沿线地面建筑物产生振动和固体声,使居住在建筑内的居民受到影响。一列地铁列车通过时,大约为10s左右。在一条线路上高峰时在两个方向一小时内可以通过约50对列车。因而振动和固体声作用的持续时间和影响时十分突出的,对沿线环境的影响时不容忽视的。北京、上海、广州等地铁线路相继投入运营后,沿线居民对其噪声污染的投诉也逐渐增加。应根据全线的环境保护评估情况,采用分级的减振轨道结构。为此在70年代开始进行了轨道隔振的工程实践,其中北京地铁2号线在东四十条站铺设了弹性短轨枕式整体道床,客观上对北京保利剧院的内在声学品质提供了有效的保障条件,经近40年运行,减振效果稳定。
为了系统准确地了解、分析城市轨道交通振动、噪声对沿线环境的影响及控制对策,1998年-2001年期间,由北京地铁建设管理有限公司牵头,北京市劳动保护科学研究所和中国铁道科学研究院等单位参与,对北京、上海、广州等城市轨道交通开展了史无前例的大规模噪声振动测试,并成为后续轨道交通噪声振动控制研发和相关技术引进的起点。同期,成都铁二院、上海隧道院等单位,也相继开展了地铁隔振技术措施的研发和工程设计,主要是采用弹性减振扣件和弹性套靴、科隆蛋等专用橡胶隔振器对轨道或建筑结构进行隔振处理。
2001年8月,在前期综合测试分析的基础上,结合北京城铁13号线的工程实际,组织了国内相关专业领域的专家进行了反复论证,适时引进了德国隔而固公司的桥梁隔振支座和钢弹簧浮置板隔振系统,在北京城铁13号线得到成功应用。随着城市轨道交通路网的逐渐密化,对于轨道隔振技术的总量需求多样化和工程与日俱增,2003年开始又陆续引进了Pandrol-VANGUARD先锋减振扣件、梯形轨枕轨道减震器、橡胶垫板浮置道床等隔振技术和产品;2008年拥有自主知识产权的国产阻尼弹簧浮置板隔振系统也已开发成功,并陆续投入国内地铁建设的产业化应用。
随着我国地铁建设的高速发展,各种不同构件、不同性能、不同品质的轨道隔振技术产品已在全国各地得到了较为广泛的工程应用,并取得不同程度的减振降噪效果。但随之而来在性能稳定性、结构可靠性等方面也暴露了一些问题。
2 轨道隔振技术的实践与思考
2.1 隔振效果的评价方法及其真实有效性
轨道隔振技术在城市轨道交通工程应用以来,对各项技术技术措施的隔振效果的评价方法始终不一,个别措施的真实有效性也值得商榷。
德国隔而固公司的钢弹簧浮置板隔振系统2001年进入中国后,在国内地铁高等级隔振工程中一直占据垄断地位。在大量宣传媒介和专业文献中均标称其“隔振效果可达到25-40dB”。但真正熟悉地铁隔振专业的同志都知道,钢弹簧浮置板有效频段内典型的真实隔振效果应在20-25dB左右,而40dB的描述职能是相当于“传输损失”,而与25dB的“插入损失”混为一谈是很不严肃的。
类似的,其他隔振措施的“宣传数据”也不同程度的存在“好大喜功”的失实问题:固有频率约20Hz的梯形轨枕的隔振效果曾被夸大到17-40dB;先锋扣件采用较低的竖向刚度、较大的垂直变形量获得超过12dB的隔振效果;固有频率远在20Hz以上的某橡胶减振垫整体道床,却取得了Z振级超过20dB的实测效果。
而在相当长的时间内,轨道隔振效果一直是采用特定频率范围内的不计权加速度比值进行描述;常用频率范围的取值不同而使隔振效果的评价大相径庭。而环境保护部规定的建设工程环境影响评估报告则统一按照《城市区域环境振动标准》和《城市区域环境振动测量方法》,采用ISO相关标准规定的全身振动Z计权因子修订后宽频带振动加速度级来评价。两者通常存在较大差值。
为了与国家环境标准对标,需要统一采用Z振级作为归一化的隔振评测指标,这样轨道隔振专业的传统数据就要整体向下修正。环境部环境工程评估中心已于2010年开展了《城市轨道交通减振措施在环境影响评价中应用效果的专项研究》,该项课题由谢咏梅同志主持,辜小安、刘扬等业内专家承担了大量关键工作,采用Z振级对不同隔振措施的有效评估进行了重新划分。
可以预见在不远的将来,随着《城市区域环境振动标准》的修订和对轨道隔振措施有效性专项研究的深化,我们必然将在环评报告的预测分析以及推荐隔振措施的甄选等环节对既有轨道隔着技术进行大幅度的技术理念的更新。
2.2 隔振措施实施的有效长度问题
与目前声屏障普遍存在两端延伸长度不足的问题一样,很多地铁轨道隔振项目的实施长度也存在明显的不足:很多环评报告在拟定隔振对策时仍会忘记两端延伸衰减的必要长度;而很多隔振从业单位自己也对此不闻不问。最极端的例子是:某些地铁工程中虽然选用了高等级钢弹簧浮置板隔振道床,但实际安装长度只有30或60米,两端直接与非隔振道床衔接。对于编组长度至少120m的列车而言,浮置板的隔振效果如何体现?这样缺乏匹配概念的设计得以一再重复实施,无论评价单位还是专业厂家,都有些不太负责任了。
有鉴于此,目前地铁环评导则和相关设计规范都对隔振措施相对于敏感点两端的延伸长度给与了的高度关注,并规定出不同的延伸长度实际原则,环评人员和建设单位也开始接受“浮置板有效长度至少应大于n倍车长”的设计理念。但对于最高等级的钢弹簧浮置板区段而言,在基于“有效衰减”所需的总体长度内,为降低工程成本,不必全部采用钢弹簧浮置板;我们建议采用“一般隔振措施+中等隔振措施+钢弹簧浮置板+中等隔振措施+一般隔振措施”有机组合的逐级过渡方法,以赢得事半功倍的匹配效果。
2.3 隔振技术企业标准/地方规范中部分内容的斟酌探讨
目前部分地区在隔振产品生产企业既有标准的基础上推出了相应的行业技术标准或地方技术规范。但有些具体内容值得斟酌、推敲。仅此试举几例探讨:
⑴关于耐久性设计和疲劳测试门限
鉴于目前各地地铁列车开行密度普遍加大,300万次疲劳测试已经与50年的寿命期限不相对应,而目前《标准》和《规范》中仍沿用300万次的疲劳试验门限,对于发达地区的轨道交通而言,已不符合现实工程需要。我们早在2008年就率先提出并积极实践了以最低500万次疲劳试验对应50年设计寿命期限的检验考核理念。具体来说就是—隔振器阻尼弹簧核心组建,因安装在浮置板套筒结构中尚可更换,故统一按50年有效寿命期限进行耐久性设计,并按5000万次最低门限进行疲劳试验;而浮置道床主体和预埋其间的隔振器外套筒等固件因不可更换,应统一按100年有效寿命期限进行耐久性设计,并按1000万次最低门限进行疲劳试验。
⑵浮置板单板设计长度问题
为提高现场施工效率,近期部分浮置板道床常采用预制钢筋笼等快速拼装工艺,考虑到现场运输的通过性和尺寸精度的保持性,《标准》中规定“单块连续板长度不宜小于30m”是不恰当的。因常规预制钢筋笼无论曲线半径及超高的大小均是在铺轨基地的平面工作台上进行绑扎作业的,隔振器套筒定位时所依据的浮置板基底面是圆环平面,而实际隧道内因曲线段设置超高,其真实的浮置板基底面是圆锥曲面,这时按圆环平面基底预制的钢筋笼就与实为圆锥曲面的真实基底产生一定的外弦矢量高差,对预制钢筋笼的定位精度和钢筋受力会有一定的影响。曲线半径越小、超高越大、钢筋笼预制刚度越高,外弦矢量高差及其影响就越显著,应引起设计、施工单位的足够重视并采取对策。
谨从浮置板长度考虑,我们建议对于直线段或半径大于400m的曲线段,可以按《标准》和《规范》将单元板长度设计为25m;但当曲线半径小于300m时,浮置板单元板长宜取21m甚或18m。
⑶板边密封暨阻尼结构的防水防漏设计
目前浮置板逼疯条按《标准》一直沿用橡胶材质,但其抗拉强度、阻燃性能及抗老化方面已暴露出很多问题,极易出现撕裂、剥离,以及受臭氧、油水等影响早期龟裂老化,无法与耐久性设计相匹配。这对这一非主流但又十分关键的材质问题,积极开展替代材料的试验研究和有效替代已是大势所趋、迫在眉睫。
同样,阻尼弹簧系统核心组件采用橡胶材质密封,其防水防漏性能也是不够可靠的。我们采用“潜水钟”原理研发了永不磨损的“开放式阻尼防水构造”,可实现全寿命周期内的免维护可靠运行。
⑷放高频失效对策的必要性与可行性
传统轨道隔振常因土壤对高频振动有一定衰减而不考虑高频失效问题,但随着路网逐步密化,下穿居民楼和车辆段上盖建筑逐渐增多,对于防止隔振器高频失效就提出了更高要求,必须采取更有效的防高频失效技术对策。
⑸固体阻尼的动态特性与可靠性问题
基于50年寿命期限的设计理念,以及对隔振器动态特性的关注,应审慎考量所谓“固体阻尼”的有效性与可行性问题。
2.4 隔振措施有效性与轨道异常波磨问题
随着列车速度、轨重的提高、车流密度的加大和新型机车车辆结构的推广使用,钢轨波磨现象变得日趋严重,尤其近年来采用的部分隔振措施,更引发了轨道异常波磨的爆发。
国内有识之士已对隔振措施的有效性与异常波磨开展了一些列研究,其中北京交通大学刘维宁教授所主持的北京地铁既有限钢轨异常波磨课题已取得显著阶段性成果,对指导轨道隔振设计具有重要意义。
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