北京地铁八通线为城市居民出行提供了极大的方便,也带来了振动和噪声问题。车辆在传统的地铁轨道结构体系上运行,会对附近地面建筑物产生振动和噪声影响。一部分振动和噪声是由于轨道不平顺导致轮轨撞击而产生的,这种噪声通过空气介质传播到建筑物,称为一次噪声;由于轮轨撞击引起高架桥振动而产生的噪声称为二次噪声。振动通过轨道结构—道床—(高架桥桥墩—地基) —地基传到建筑物上,再通过建筑物结构本身的耦合放大而激发出楼板的低频振动,振动源中没有衰减掉的低频成分(20～500 Hz) 则通过墙壁和底板激发出固体声(二次噪声) 。
对城市轨道交通振动和噪音必须标本兼治,有针对性地采取减振降噪措施,确保在线路开通后取得良好的环境效益。
1.轨道结构设计
城市轨道交通产生振动和噪音的根源在于轮轨关系,因此必须改善轮轨关系,减少振动和噪声。
1.1.钢轨选择
钢轨的选择应保证轨道具有良好的动力响应特性和稳定性,在长期运营中保持良好的平顺性,养护维修量少,使用寿命长。材质强韧性差的钢轨经列车长期运营碾压后,其轨顶面将产生塑性流变而剥离掉块或出现波形磨耗,导致轨顶面不平顺。一些工业发达国家把60 kg/m 钢轨作为主要轨型,材料采用优质钢种, 以提高其强韧性,减少运营过程中出现的轨面不平顺。采用重型钢轨对降低噪声有利。八通线选择60 kg/m 钢轨作为正线的工作钢轨。
1.2.道床及扣件设计
八通线有一多半线路为高架线,应优先采用整体道床结构,以减少养护维修工作量,增加轨道的稳定性,保持轨道整洁、美观。为增加轨道的弹性,钢轨扣件采用双弹性垫层设计,即在轨下和分开式扣件铁垫板下均设静刚度系数较小的橡胶垫板,钢轨支点的整体静刚度为25～30 kN/mm 。整体道床块按6 m 间隔设计成条状,并与桥梁通过连接钢筋形成整体,增加惯性质量,降低道床的固有振动频率。
对于地面线,广泛采用碎石道床、预应力混凝土枕和弹性扣件。选用一级道碴,防止发生道床板结,保持轨道弹性。在采取轨道加强措施的同时,对路基填料和压实度提出了较高的要求,确保路基坚实、稳定、牢固。
1.3.铺设无缝线路
普通线路由于存在钢轨接头轨缝而造成轨面的原始不连续,列车通过时发生较大轮轨冲击而导致钢轨振动,产生冲击噪音。
由于北京地区的昼夜温差较大,在拆除侧模后,及时加盖草帘,避免产生温度裂缝。将标准长度的钢轨焊接成长钢轨,减少钢轨接头数量,可大大减少钢轨接头冲击引起的振动和噪音。大量测试结果表明,钢轨接头处的轮轨噪音比非接头部位增加5～7 dB (A) 。八通线在具备无缝线路铺设条件的地段,全部铺设无缝线路。
1.4.高架车站轨道减振措施
根据《八通线项目环境影响报告书》的预测,该线对沿线环境振动影响不大,因而没有提出轨道结构需采取减振措施的要求。但考虑到本线高架车站均为站桥合一的框架结构,车辆通过时将会激发车站框架的振动,对车站工作人员及设备不利,因此全部高架车站及四惠和四惠东站轨道均采取减振措施。根据既有地铁车站的振动情况和北京地铁轨道养护维修的经验,充分征求运营部门的意见,经论证决定采用轨道减振器扣件以降低轨道振动。
1.5.加强轨道养护维修
轮轨不平顺是导致轮轨冲击振动和噪音的主要原因,主要包括车轮不圆顺(存在扁疤、擦伤等) 及轨道不平顺(存在钢轨波浪磨耗、高低不平顺、钢轨接头、轨距突变等) 。
车轮存在扁疤后,轮踏面与轨面不规则接触,产生强烈的稳态振动和噪音。在列车运行中,轮轨不平顺使得轮轨关系恶化,引起动荷载明显增大,从而加速了轨道磨耗、破坏,导致轮轨振动和噪声增大。测试表明:经打磨轨道不平顺后,在振动频率为8～100 Hz 范围内,区间轨道振动下降4～8 dB , 站台轨道振动下降5～15 dB 。因此,控制轨道不平顺是降低轮轨噪声和振动的有效措施。
北京地铁八通线要制订严格的轨道养护维修计划,加强日常轨道几何状态的检查检测,及时消除轨道不平顺,定期对钢轨走行部位进行打磨,使轨顶不平顺≯0.2 mm 、轨头侧面不平顺不超过±0.3 mm 。加强车轮踏面的检测,定期镟轮消除扁疤。