CN104695974A - 一种轨道交通地下工程减振方法及结构 - Google Patents
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Abstract
一种轨道交通隧道减振方法及结构，它是将不同胶种或者其他具有减振性能的化学材料制成不同的厚度、具有不同减振弹性刚度的减振垫层，将这种减振垫层包裹或者采用在减振垫层表面设置凸柱或/和设有半圆坑与盾构管片或车站和区间隧道结构混凝土浇筑在一起的方式附着在轨道交通地下混凝土结构外表面形成质量弹簧减振体系，这种减振体系的减振弹性刚度根据需要通过设计确定。本发明的有益效果是：这种减振方法结构简单，非常容易实现，大大减少了工序。特别是目前轨道交通地下区间基本是盾构结构，将减振垫层与盾构管片在工厂中一体化预制，提高了精度，特别利于保证质量。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通技术领域，是一种轨道交通地下工程减振方法及结构。
背景技术
目前，随着现代工业的迅速发展和城市规模的不断扩大，轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、对环境污染小、不占用地面道路等优点，成为缓解城市交通拥挤和减少污染的一种最有效手段的手段之一。但是轨道交通***在行使过程中由于车轮与钢轨的撞击，产生冲击波和噪声。冲击波将在轨道、隧道、土层和地面建筑物内传播，产生相应的振动，对周围环境造成很不利影响。
为了消除城市轨道交通所引发的振动、噪声，减振降噪技术已在近年的城市轨道建设中有所应用，城市轨道交通减振轨道结构包括减振扣件、弹性轨枕、支承块、梯形轨枕、浮置板等多种形式。以上轨道形式减振性能的实现都是通过在轨道部件位置设置减振机构，如弹性轨枕(分短枕和长枕)就是在枕下铺设减振垫层实现减振功能。区别主要在于减振机构设置位置、性能参数等方面不同，从而产生不同的减振效果。
城市轨道交通中的减振主要分三级，分别为中等减振(减振效果一般小于5dB)，高等减振(减振效果一般为5～10dB)及特殊减振(减振效果10dB以上)。各级减振措施的优缺点分析如下。
(1)中等减振措施
目前中等减振地段经常采用的措施主要有压缩型减振扣件、剪切型减振扣件、弹性短轨枕、弹性长轨枕等。
压缩型减振扣件采用分离式结构，由轨下橡胶垫板、上铁垫板、中间橡胶垫板、下铁垫板和自锁机构等组成，利用两层橡胶垫板的压缩变形实现减振，橡胶垫板与铁件分离，可实现单独更换。拆装需要专用工具。动静刚度比不大于1.3。扣件的节点静刚度为9-14kN/mm，钢轨水平调整量为30mm，轨距调整量为+8mm、-12mm。这种扣件已在国内上海、成都等城市的地铁工程中应用。
剪切型轨道减振器扣件为弹性无挡肩分开式，承轨板、底座与橡胶圈硫化为一整体，充分利用了橡胶的剪切变形，动弹性好。扣压件、轨距垫、轨下橡胶垫板及与轨枕的联结方式同DTⅥ2型扣件。其结构采用“双刚度”设计，动静刚度比不大于1.2。扣件的节点静刚度为约15kN/mm，钢轨水平调整量为30mm，轨距调整量为+8mm、-12mm。此类扣件已应用于北京、南京、西安等城市地铁广泛采用，具有丰富的运营经验。最近几年在一些使用该减振设备的地铁曲线地段发现钢轨异常磨耗比较严重，究其原因主要是轨道减振器扣件刚度偏低，导致轮轨在某些频段产生共振引起。
弹性短轨枕即在短轨枕外包一个橡胶套，橡胶套内短轨枕下设一层微孔橡胶垫板。这种结构的轨道垂直弹性由轨下、铁垫板下、轨枕下三层橡胶垫板共同提供，提高了轨道结构的弹性。弹性短轨枕的优点是属于枕下减振类型，轨枕能提供一定的参振质量，扣件类型可与一般地段统一，造价及减振性能与轨道减振器扣件基本相当。二十世纪70年代初，北京地铁二号线在东四十条站铺设了弹性短轨枕整体道床，铺设及运营使用30年来，状态良好，天津滨海线、天津地铁1号线、深圳地铁4号线等也采用了这种减振轨道结构。
弹性长轨枕在传统弹性短轨枕的基础上进行设计，为尽量降低长轨枕的弯矩并减少弹性隔离层的尺寸，枕下弹性垫层不通长设置，而仅在左右股钢轨的下方分别设置刚度较低的三元乙丙橡胶微孔发泡弹性垫层，且尽量使弹性垫层关于钢轨中心线对称。这样通过弹性套靴将弹性垫层及长轨枕与道床隔离，使弹性长轨枕在列车通过时在垂直方向能被自由压缩一定的行程，从而实现减振；在水平纵向及横向基本无弹性，以确保其水平方向的稳定性。弹性长轨枕的造价与弹性短轨枕基本持平，其优点在于左右股钢轨固定在同一根长轨枕上，轨道结构的稳定性可得到有效保障，对施工安装的技术要求不像弹性短轨枕那么苛刻；其主要缺点是橡胶套靴维修更换困难。
(2)高等减振措施
高等减振措施目前主要有4种：先锋扣件、梯形轨枕、减振道床垫浮置板道床和中量级钢弹簧浮置板道床。
先锋扣件是英国Pandrol公司开发的一种新型减振轨道结构形式，通过采用弹性楔形支承块支承在钢轨轨头下侧，从而使钢轨轨底离开道床面，而楔形支承块则由固定在轨下基础的侧板托架支承定位。轨道***的每个扣件节点由一个铸铁底座、两个铸铁侧板托架、两个铸铁楔形固定件、两个橡胶楔形钢轨支撑块、一个轨下安全支承橡胶垫和两个弹簧夹片组成。正常情况下，安全支承橡胶垫不与钢轨接触，这样可以有效限制荷载引起的过量变形。广州地铁4号线、北京地铁5号线均铺设了这种扣件。先锋扣件安装维修方便，但因钢轨动态下沉量大，钢轨振动大，带来车内噪声、钢轨磨耗、动弯应力较大等一系列问题；此外，先锋扣件为全套进口，在供货及维修备品备件方面的可靠性有待提高。运营期间若先锋扣件铺设地段钢轨发生断轨，对抢修也有一定影响。
弹性支撑的梯形轨枕轨道是将预制的梯形轨枕与底座间的缓冲减振垫层结合来达到减振目的。梯形轨枕轨道由PC制的纵梁和钢管制的横向联接杆构成，从而消除了枕中负弯矩，进而可以取消横向预应力，而以钢管代替，大大地简化了轨道结构。梯形轨枕和钢轨形成了复合轨道，可以改善车辆的动力学特性。轨枕弹性支墩，使其浮于混凝土整体道床之上，实现了轻量级的质量——弹簧***，从而提高了减振降噪的性能。北京、上海、广州、南京地铁均采用了梯形轨枕。梯形轨枕轨道的缺点是曲线地段通过扣件调整实现“以直代曲”以及通过泡沫塑料形成与道床混凝土之间的隔离，对施工质量的依赖性较高，若铺设不好，容易形成原始不平顺，影响行车平稳性。
隔离式减振垫浮置板结构在混凝土道床与隧道之间铺设一层特制的橡胶垫，将大部分轮轨振动加以隔离和吸收，该***属于质量弹簧***，造价比普通道床增加约700万元/单线公里。此种结构最早是在德国高速铁路中铺设，我国最早在高雄捷运、香港地铁也有大量成功的应用。目前在深圳、北京、杭州等城市的地铁已逐步推广应用。该种结构的缺点主要是道床下的橡胶垫层长期受紫外线、臭氧老化损坏后不容易发现和更换，另外隧道中的渗漏水极易流入垫层下，排水困难。
中量级钢弹簧浮置板的外形及构造均与国内大量采用的重量级浮置板一样，区别仅在于重量级浮置板的隔振器采用的是液体阻尼，而中量级浮置板的隔振器采用的是固体阻尼。此种结构目前在北京、上海等城市地铁有应用，比普通道床增加约约1000万元/单线公里。其缺点是造价高，施工难度大。
(3)特殊减振措施
特殊减振地段推荐采用钢弹簧浮置板道床。这种道床结构将轨道固定在钢筋混凝土质量平台上，平台再放在由柔性弹簧组成的隔振器上。质量平台可提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，只有静载和少量残余动荷载通过弹簧传到基础结构上。弹簧～质量～隔振***的固有频率约7Hz，是公认的减振效果最好的轨道结构，同时可有效消除固体声。施工简单，精度易保证。钢弹簧疲劳寿命长，减振性能持久稳定，容易更换，是隔振***中技术先进、成熟的设备，这种结构已在德国、英国、巴西应用，在国内地铁工程中也被大量采用，效果很好。但施工进度较慢，价格也很昂贵，比普通道床增加约1200万/公里。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道交通地下工程的减振方法及结构，它采用在地下钢筋混凝土结构外粘覆具有不同厚度和弹性的橡胶减振垫层来降低列车车轮与轨道间产生的振动向周边的传播，从而达到减振目的；它是全新的减振方法，不同于前面所提到的几种减振方法，采用这种减振方法将消除目前所用的剪切型和压缩型减振扣件发生的钢轨异常磨耗情况；解决梯形轨枕轨道在曲线地段存在的“以曲代直”原始不平顺问题及其减振效果严重依赖施工质量的问题；解决隔离式减振垫浮置板轨道橡胶隔离层难以更换的问题；解决中量级钢弹簧浮置板轨道施工速度慢及造价高的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种轨道交通地下工程减振方法，其特征在于：对于明挖结构，包括车站和区间隧道结构，根据城市轨道交通环境振动评估报告所预测的振动情况，以及环境敏感点的具体情况，通过振动分析确定车站和区间隧道混凝土结构与岩土之间的橡胶减振垫层的各种尺寸和减振参数，主要是橡胶减振垫层的厚度和弹性刚度值，这种减振方法对于明挖结构可以在车站和区间隧道结构的四周全包裹或者在车站和区间隧道结构的底部设置橡胶减振垫层。
一种轨道交通地下工程减振结构，其特征在于：在车站和区间隧道混凝土主体结构的外表面设置有橡胶减振垫层。
其中，所述的橡胶减振垫层的内表面设有凸柱或/和设有半圆坑。
一种轨道交通地下工程减振方法，其特征在于：对于盾构区间隧道结构，同样可以根据权利要求1中途径将确定的橡胶减振垫层厚度和弹性刚度值，加工成盾构管片的外表面尺寸，在生产管片时将橡胶减振垫层复合在盾构管片的外表面上，这种复合管片可以与传统施工方法一样安装；对于盾构区间隧道结构可以在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层。
一种轨道交通地下工程减振结构，其特征在于：在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层。
其中，所述的橡胶减振垫层的内表面设有凸柱或/和设有半圆坑。
采用上述减振方法，就是将传统的轨道减振转变为结构减振，而车站或者隧道结构的惯性质量远远大于轨道结构的质量，即参振惯性质量比原来的轨道参振惯性质量大很多，加之橡胶垫层合适的弹性，两者结合组成质量弹簧减振***，从而达到减振目的。
减振橡胶垫层可以根据减振要求设计不同的形状和厚度，可以采用不同的单一胶种或者弹塑性材料或者配方；橡胶减振垫层与结构的的结合可以采用胶粘或者采用与混凝土相接触一面的表面上设置众多的特殊凸点/或半圆坑将其与混凝土直接浇筑在一起。
当结构产生振动时，由于结构外部的减振垫层具有弹性使得振动得以缓冲衰减吸收，达到减振目的。
本发明的有益效果是：目前城市轨道交通领域多是采用轨道结构减振来降低列车通过时的振动对周边环境敏感点的影响。与现有的采用轨道结构减振技术相比较，这种减振方法可以有效的阻断或者衰减振动向周边的传播，保护轨道交通周边环境。橡胶垫层的加工生产非常方便，不需要投入特殊的装备，工程施工也不需要特殊装备，与传统施工方法一致。由于不再通过轨道结构减振，因此，轨道结构可以实现全线型式一致，大大减少轨道设备种类，降低施工管理工作量，加快施工速度，有利缩短铺轨工期；特别是由于不再采用橡胶减振垫层这种减振轨道结构，彻底消除了隧道中的结构渗漏水下渗到减震垫层下的问题，延长了轨道结构寿命，减少运营期间的设备维护工作量，降低运营维护费用支出。
橡胶垫层密封在结构与岩土中，根除了紫外线及臭氧对橡胶的老化破坏，寿命永久。
由于地下结构惯性质量很大，可以使得这种结构质量弹簧***固有频率很低，非常有利于过滤绝大部分频率的振动传播，实现减振目的，达到环保的要求。
这种减振方法结构简单，非常容易实现，大大减少了工序。特别是目前轨道交通地下区间基本是盾构结构，将减振垫层与盾构管片在工厂中一体化预制，提高了精度，特别利于保证质量。
附图说明
图1是本发明的盾构区间隧道结构的复合管片示意图。
图2是图1仰视示意图。
图3是图1(或图6)局部放大结构示意图。
图4是本发明的盾构区间隧道结构示意图。
图5是图4A-A剖视示意图。
图6是车站和区间隧道结构示意图。
具体实施方式
实施例1：以盾构隧道为例：
参见图1、图2、图3、图4、图5所示：
一种轨道交通地下工程减振方法，对于盾构区间隧道结构，同样可以根据权利要求1中途径将确定的橡胶减振垫层厚度和弹性刚度值，加工成盾构管片的外表面尺寸，在生产管片时将橡胶减振垫层复合在盾构管片的外表面上，这种复合管片可以与传统施工方法一样安装；对于盾构区间隧道结构可以在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层2。
一种轨道交通地下工程减振结构，在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层2。
其中，所述的橡胶减振垫层2的内表面设有凸柱3或/和设有半圆坑4。
根据盾构隧道结构1每延长米的质量和振动衰减目标值的要求，计算带状橡胶减振垫层2的弹性刚度值。
根据计算出的带状减振垫层的弹性刚度值，设计垫层的厚度h、选择胶种及配方。
生产带状减振垫层，根据盾构管片1的外表面尺寸将带状减振垫层裁剪成块状橡胶减振垫层2。
将块状橡胶减振垫层2与盾构管片1的外表面粘合。或者在生产带块状橡胶减振垫层2时，在其与盾构管片的接合面上间隔设置凸柱3或/和设有半圆坑4，将带凸柱3或/和设有半圆坑4块状橡胶减振垫层6与盾构管片1浇筑复合在一起；凸柱3或/和设有半圆坑4可以提高橡胶减振垫层2的附着力。按照盾构隧道的施工要求拼装带有橡胶减垫层2的盾构隧道管片5。
实施例2：以车站和区间隧道结构为例：
一种轨道交通地下工程减振方法，对于明挖结构，包括车站和区间隧道结构，根据城市轨道交通环境振动评估报告所预测的振动情况，以及环境敏感点的具体情况，通过振动分析确定车站和区间隧道混凝土结构6与岩土之间的橡胶减振垫层2的各种尺寸和减振参数，主要是橡胶减振垫层的厚度和弹性刚度值，这种减振方法对于明挖结构可以在车站和区间隧道结构6的四周全包裹(见图6)或者在车站和区间隧道结构6的底部设置橡胶减振垫层2。一种轨道交通地下工程减振结构，在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层。
其中，所述的橡胶减振垫层2的内表面设有凸柱3或/和设有半圆坑4(见图3所示)；凸柱3或/和设有半圆坑4可以提高橡胶减振垫层2的附着力。
本发明将不同胶种或者其他具有减振性能的化学材料制成不同的厚度、具有不同减振弹性刚度的胶减振垫层，将这种胶减振垫层包裹或者采用在胶减振垫层表面设置凸柱3或/和设有半圆坑4与盾构管片1或车站和区间隧道结构混凝土浇筑在一起的方式附着在轨道交通地下混凝土结构外表面形成质量弹簧减振体系，这种减振体系的减振弹性刚度根据需要通过设计确定。
应当指出的是，上述内容只是本发明的最佳实施方式的列举，其中未尽详细描述的部分，应该理解为用本技术领域的一般方式予以实施。同时，对于本领域的一般人员来说，在不偏离本发明的精神范畴内对本发明所做的等效变换和修饰，都将落入本发明的权利要求和保护范围之内。
Claims (6)
1.一种轨道交通地下结构减振方法，其特征在于：对于明挖结构，包括车站和区间隧道结构，根据城市轨道交通环境振动评估报告所预测的振动情况，以及环境敏感点的具体情况，通过振动分析确定车站和区间隧道混凝土结构与岩土之间的橡胶减振垫层的各种尺寸和减振参数，主要是橡胶减振垫层的厚度和弹性刚度值，这种减振方法对于明挖结构可以在车站和区间隧道结构的四周全包裹或者在车站和区间隧道结构的底部设置橡胶减振垫层。
2.根据权利要求1所述的轨道交通隧道减振方法的结构，其特征在于：在车站和区间隧道混凝土主体结构的外表面设置有橡胶减振垫层。
3.根据权利要求3所述的轨道交通隧道减振结构，其特征在于：所述的橡胶减振垫层的内表面设有凸柱或/和设有半圆坑。
4.一种轨道交通隧道减振方法，其特征在于：对于盾构区间隧道结构，同样可以根据权利要求1中途径将确定的橡胶减振垫层厚度和弹性刚度值，加工成盾构管片的外表面尺寸，在生产管片时将橡胶减振垫层复合在盾构管片的外表面上，这种复合管片可以与传统施工方法一样安装；对于盾构区间隧道结构可以在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层。
5.根据权利要求4所述的轨道交通隧道减振方法的结构，其特征在于：在盾构隧道管的外四周全包裹或者只在盾构隧道管直径的下半圆结构部分外部设置橡胶减振垫层。
6.根据权利要求5所述的轨道交通隧道减振结构，其特征在于：所述的橡胶减振垫层的内表面设有凸柱或/和设有半圆坑。
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