地铁短轨枕整体道床振动噪声问题分析及治理

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第4期

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刘道通，谭大正，韩朝霞，刘鑫

市轨道交通线路运营引起的振动噪声问题，成为运营面临的主要疑难问题之一。针对既有线振动噪声投诉问题，国内众多学者和单位开展了振动噪声现状测试、投诉分析和车辆、轨道治理措施研究[1-5]。本文立足既有线改造设计、施工、运营特点，追根溯源。针对早期开通运营的城市轨道交通，特别是2010年及以前开通运营的地铁线路减振降噪设计不足的问题；同时短轨枕整体道床施工质量差导致的轨底坡超限、轨道几何形位不良，进而加剧轮轨振动噪声[6-7]，以天津地铁某地下线短轨枕整体道床沿线某敏感点振动噪声扰民投诉问题为契机，进行工程分析、振动噪声测试、投诉原因分析和振动噪声治理，解决了沿线振动噪声投诉问题，可为此类既有线振动噪声扰民问题提供借鉴和参考。

1投诉情况调研

本次投诉的敏感点位于天津地铁某线沿线，投诉敏感点为地面沿街2层无桩基础医院楼和4层无桩基础住宅楼。投诉居民反映地铁列车通过时，室内能明显听到“轰轰声”，影响了居民正常生活和医院环境。地铁运营公司多次组织相关人员对该敏感点进行入户调研和测试，并组织工务部门加强轨道维护保养。在轨道几何形位满足工务养护维修规范[8]要求下，工务部门开展了钢轨打磨、更换钢轨后，短时间内该区段仍存在振动噪声投诉情况。敏感点与线路位置关系如图1所示，现场情况如图2所示。投诉敏感点1、2所处地铁工程条件：该区段线路平面为曲线半径350m的圆曲线，线路埋深为21～23m；区间结构采用单洞单线盾构，列车运行速度约70km/h。轨道采用DTⅥ2型扣件短轨枕式整体道床，铺设无缝线路，未采取减振降噪措施。经与运营部门了解运营期间该区段未发生异常波磨。敏感点1距离线路最近为0m，敏感点2距离线路最近约6.2m。

2振动噪声测试及分析

根据《城市区域环境振动测量方法》(GB10071—88)[9]和《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/T170—2009)[10]，对该区段分别进行隧道内振动测试和敏感点室内振动及二次结构噪声测试。根据振动噪声影响区域分类标准[11]，敏感点1和2分属“交通干线两侧”，室内振动限值昼间75dB、夜间72dB；室内二次结构噪声限值为昼间45dB(A)、夜间42dB(A)。隧道内振动测试：选取靠近敏感点一侧(左线)进行全天钢轨、道床和隧道壁振动加速度测试。敏感点室内测试：分别对敏感点1和2开展昼间和夜间的室内振动测试及二次结构噪声测试。振动测试现场如图3所示。

改造前隧道内振动测试结果显示：隧道壁VLZmax为82.08dB，道床VLZmax为89.70dB，钢轨VLZmax为124.78dB。改造前敏感点室内测试结果显示：分别对左右线过车时的敏感点室内振动噪声数据进行分析，得出敏感点1和敏感点2室内最大Z振级VLZmax和二次结构噪声等效A声压级如表1所示。测试数据显示，敏感点1在左右线过车时室内振动在昼间和夜间均超标，左线过车时二次结构噪声夜间超标；敏感点2在左线过车时室内振动在昼间和夜间超标，右线过车时室内振动不超标，二次结构噪声不超标。改造前隧道壁和敏感点1室内分频振动加速度曲线如图4所示，可以看出室内振动在40Hz振动达到峰值，隧道壁也在40Hz振动存在峰值，因此，若降低室内振动响应，需重点研究降低40Hz左右的轮轨振动。

3投诉原因及治理措施分析

3.1投诉原因分析

1)根据隧道内及敏感点室内振动噪声测试结果可以看出，隧道内及室内振动值均较大且室内振动超出规范允许值。工程条件显示，敏感点距离地铁线路较近，且未采取减振降噪措施。分析项目建设及运营过程，主要由于线路建设较早、环评预测和减振设计较保守，导致敏感点所处线路轨道减振措施不足，导致振动噪声扰民。2)隧道内现场调研发现，一方面该区段位于半径为350m的小半径曲线，轮轨接触不良导致的轮轨磨耗严重，加剧了轮轨振动；另一方面，虽然轨道几何形位在规范允许范围内，但是轨道轨底坡存在大量超限情况，经现场测量敏感点及前后50m的左右线轨底坡，轨底坡在1︰50～1︰30范围的仅占38%，一半以上的短轨枕轨底坡存在超限，主要由于短轨枕整体道床施工期间轨排整体性差、轨底坡施工不到位，同时运营阶段无法调整，导致轮轨接触不良加剧了轮轨振动[8,12]。3)现场踏勘投诉敏感点为无桩基础的2～5层砖混结构，建设时间长、结构薄弱、自重轻，受地铁振动影响较大[12]，也是引起振动噪声扰民的原因之一。

3.2治理措施分析

1)既有线增加减振降噪措施。根据测试分析和投诉原因分析结果，本区段投诉主要原因为减振设计不足。敏感点室内振动超标最大为7.49dB，二次结构噪声最大超标1.56dB(A)，室内振动在12Hz和40Hz时出现峰值，道床类减振措施(如钢弹簧浮置板和减振垫浮置板道床)可以起到更好的减振降噪效果，但是在不影响线路正常运营的条件下，改造难度较大、风险高。从改造的实施性出发，推荐在钢轨、扣件部位采取相应的减振降噪措施。根据测试结果，左线过车时振动最大超标7.50dB，右线过车时振动最大超标1.19dB，因此推荐左线采用高等减振扣件(防松脱浮轨式扣件)，如图5(a)所示，右线采用中等减振扣件(双层非线性减振扣件)，如图5(b)所示，为提高扣件横向力、保证扣件高度与既有线扣件高度一致，双层非线性减振扣件采用低高度带挡肩双层非线性减振扣件。2)轨底坡调整。根据现场调研，由于原道床施工原因导致部分地段轨底坡不是1︰40，轨底坡超出1︰50～1︰30范围的占62%，甚至存在轨底坡方向设置相反情况。针对轨底坡超限情况，既有扣件和双层非线性减振扣件通过铁垫板承轨槽设置不同坡度，扣件其他零部件不变，将钢轨轨底坡调整在1︰50～1︰30范围[12]。浮轨扣件因钢轨悬浮于铁垫板承轨槽上，因此通过铁垫板下设置不同坡度的楔形垫板，将钢轨轨底坡调整在1︰50～1︰30范围。以上轨底坡调整可在更换减振扣件的同时，对扣件进行轨底坡超限反向设计，进而在不改变道床和轨枕的情况下调整钢轨的轨底坡，且通过该方法调整轨底坡对扣件受力和养护维修影响较小，有效改善轨道几何形位。3)提高轨道平顺性，更换扣件期间进行钢轨打磨和轨道几何形位调整等。

4仿真分析

建立车轨耦合解析模型(见图6)和隧道-地层-建筑物有限元模型(见图7)，对投诉敏感点近轨侧的浮轨式减振扣件进行刚度设计，并对其减振效果进行预评估。利用由图6所示的周期性车辆-轨道耦合解析模型计算得到扣件反力，

并将其时程作为激励添加到图7道床板表面对应扣件位置处，列车为普通地铁B型车，总长116.6m，计算时以6辆编组进行车辆模拟，车速约70km/h，车辆参数见表2。计算中轨道不平顺按照美国轨道不平顺5级谱进行模拟，其功率谱密度函数具体如下：其中，kA= 0.25,0.2095,0.8245vc= = W 计算中不平顺的采样点数NR=256。由此可以获得扣件作用在道床板上的力的时程与频谱，图8给出某典型扣件作用在道床板上的力的时程与频谱，其他扣件类似，此处不再给出。激励力作用点为道床上每个扣件作用反力处。隧道埋深为23m，盾构管片为混凝土管片。盾构隧道断面内径为2.7m，衬砌厚度为0.3m。混凝土衬砌的杨氏模量E=35000MPa，泊松比υ=0.25，密度ρ=2500kg/m3。隧道仰拱处灌注混凝土道床，基底回填及道床板动弹性模量E=4.2×1010Pa，泊松比υ=0.3，密度ρ=2500kg/m3。模型范围为x×y×z：60m×40m×30m。网格尺寸：基底和隧道采用0.15m，土体由近场到远场采用0.6m-0.9m-1.2m的过渡网格。为消除边界效应，计算模型在边界处设置弹簧-阻尼吸收边界，表3给出弹簧阻尼系数在该模型中的具体取值情况。利用实测数据对模型进行校核后，通过模型分析不同刚度下浮轨扣件的减振效果，如图9所示。模型计算结果显示：采用不同刚度的浮轨扣件，室内楼板振动响应规律基本一致，在全频段内基本呈现浮轨扣件刚度越小，室内振动响应越小的趋势，但三种刚度浮轨扣件的效果差异较小。浮轨扣件能够较为明显地降低室内振动响应，最大Z振级可降低7dB；在关注频段30～80Hz范围内的减振效果较为明显。推荐改造工程采用刚度k=10kN/mm的浮轨扣件。

5治理及效果测试

本次振动噪声投诉治理的实施方案为：1)对投诉敏感点及前后50m的左线将普通扣件更换为浮轨扣件，右线将普通扣件更换为双层非线性减振扣件；2)更换减振扣件范围的轨底坡调整为1︰30～1︰50范围；3)钢轨打磨。改造施工完成后2个月，对改造后隧道内振动、敏感点室内振动和二次结构噪声进行了对比测试。改造后现场如图10所示。

根据改造前后的钢轨、隧道壁和敏感点的分频振动加速度级对比(见图11)，改造后隧道壁和敏感点室内振动均降低，但是由于采用扣件减振措施，钢轨振动在小于75dB和大于135dB振动增大，建议运营部门后期关注钢轨磨耗的发展。通过数据分析，左线隧道内振动测试显示：隧道壁VLZmax为76.13dB，比改造前降低5.95dB。敏感点1室内振动测试显示，室内振动VLZmax昼间为69.14dB，降低6.4dB，夜间为68.68dB，降低8.3dB；二次结构噪声等效A声压级昼间为40.15dB(A)，降低1.36dB(A)，夜间为40.36dB(A)，降低1.88dB(A)。基本达到仿真预测值。振动和二次结构噪声测试值满足规范要求。敏感点2投诉居民反馈，改造完成后振动噪声问题明显改善，达到居民可接受范围，无需进行振动噪声测试。根据运营部门反馈，改造完成后该区段未再接收到振动噪声投诉问题。

6结论与建议

6.1结论

本文针对早期地铁短轨枕整体道床振动噪声投诉问题进行现场调研、振动噪声测试、原因分析和理论计算，针对其问题进行既有线减振降噪改造，并验证了其改造效果，结论如下。1)通过现场调研、隧道内振动测试及投诉敏感点室内振动噪声测试分析，基于早期地铁线路振动噪声投诉情况，线路建设较早、轨道减振设计不足，线路条件差、短轨枕整体道床施工质量差导致的轨底坡超限、轨道平顺性差，敏感点自身抗振动能力弱等是引起该居民振动噪声投诉的主要原因。2)根据投诉原因分析，通过增设中等及高等减振扣件、调整线路轨底坡、打磨钢轨等既有线改造措施，本文研究工况下，改造后隧道壁振动VLZmax降低5.95dB，敏感点室内振动VLZmax昼间降低6.4dB，夜间降低8.3dB；二次结构噪声等效A声压级昼间降低1.36dB(A)，夜间降低1.88dB(A)。同时居民反映振动噪声问题明显改善，有效解决了振动噪声投诉问题。可为国内地铁振动噪声扰民投诉问题的解决提供借鉴和参考。6.2建议浮轨式减振扣件为既有线改造中切实可行的高等减振措施，且在国内多条改造线路中应用。考虑其在我国地铁线路服役中出现过钢轨短波长波磨耗，同时当轮轨匹配不良时容易引起轮轨共振，进而产生钢轨异常磨耗。因此，建议在应用该类扣件后，加强轨道不平顺及钢轨波磨的监测，及时打磨钢轨，保证轨道不平顺在可接受的范围内。