刘晓峰
中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西省西安市 710043
摘要：目前轨道交通振动防治侧重于轨道减振解决。本文通过分析振动评价标准与特点以及振动规律，采用优化线路规划设计手段来减少振动污染，降低减振措施等级、长度和工程投资以及维护成本。在线路规划阶段，通过对评价标准和振动特点的认识，优化线路规划规避或减少振动污染；在线路设计阶段，分析振动预测修正因子，优化线路设计方案减少敏感点振动并降低减振投资。
关键词：振动防治；优化线路；规划设计；轨道减振；振动修正
引言
目前轨道交通振动防治主要依靠轨道减振来实现，但采用轨道减振措施也存在很多问题，诸如投资增加、维修养护、减振效果等问题。另一方面，一定程度上制约了采取综合减振措施的考虑，如优化线路平面及埋深、敏感点改造及结构减振等[1]。
本文将在规划环境保护层面和工程环境保护层面探讨通过优化线路布局、设计等手段综合防治轨道交通振动污染，也使得线路能够细化设计，全方位落实并反映环境保护要求。
1.轨道交通振动防治存在问题
1.1轨道减振投资及效果方面
近些年开通和设计线路的轨道减振占线路比例由以前不到10%提高到40%～60%[2]，投入的减振资金也不断增加。各类减振轨道结构综合造价指标差异很大，以一般减振结构综合造价指标为基数，中等减振指标增加1.2～1.3倍，高等减振指标增加2～4倍，特殊减振造价指标增加约5倍[3]。同时，轨道减振还可能引起土建工程投资增加。
现在很多城市大量采取轨道减振措施，但开通运营后仍不断有振动投诉。
1.2轨道减振维修养护及施工方面
轨道减振可能引起轮轨磨耗异常及零部件非正常损伤，增加轮轨养护维修工作量[1]。有些减振设施更换代价高昂，比如弹性轨枕初期成本低，更换为先锋扣件可能超过1100万元/km [4]。轨道减振在检修、更换难度较普通轨道差，比如钢弹簧浮置板隔振器失效很难被发现而留下隐患[5]。
一般国内地铁建设工期紧张，而有些减振轨道的施工速度较慢，造成工期筹划困难。
2.线路对规划阶段振动防治的考虑
2.1线路规划选线优化建议
2.1.1环境振动标准对线路选线的影响
根据《城市区域环境振动标准》（GB10070-88），特殊住宅区标准值较居民、文教区低2～5dB，居民、文教区标准值较混合区、商业中心区、工业集中区、交通干线道路两侧低10dB，而铁路干线两侧标准值再低5～8dB。
为降低振动超标段落长度，原则上线路对特殊住宅区（呈线、面状分布的）选择绕避策略；线路可沿铁路干线附近敷设；线路尽量沿既有或规划交通干线道路敷设，不宜进入或接近居住文教区。由于多数振动超标在10dB以下，通过线路敷设区域的选择就会大范围减少振动超标和轨道减振的比例，降低轨道减振措施等级。
沿交通干线道路是线路敷设的主要形式，我们应坚持这个共识。主干道路振动标准高、横断面宽，有利减振。同时，主干道路是各种交通集中的通道，振动源相对集中，若交通通道分散开来，振动源漫布，势必造成城市总的振动防治措施增加，使得城市总建设成本增加。
2.1.2振动防护距离对线路选线的影响
《地铁设计规范》（GB50157-2003）、《地铁设计规范》（GB50157-2013）条文解释以及《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ453-2008，以下简称《导则》）给出了轨道中心线距各类功能区敏感建筑控制距离。
开展线路方案研究时，初步框定各个路由沿线功能区已有环境敏感点分布与数量，按照主要敏感点的防护距离比选方案，确定路由方案。较宽的路由未必是确定方案，其主要取决于密集敏感点的分布特征。
线路尽量不穿越地块，宜选址于较宽路径，便于展线。减少穿越居民文教区，即便穿越也应通过其间宽阔地带（河渠、绿地、废弃铁路等），以满足敏感点防护距离。线路直角转弯下穿或临近敏感建筑时，尽量大于10m的距离，避免室内二次结构噪声污染。
2.2线路敷设方式优化建议
高架线较路基环境振动大幅降低，距线路中心线30m处的振动强度可降低5~10 dB[6]。因此，应尽量减少地面线敷设形式，尤其是位于敏感点密集区域。
地下线造成的环境污染主要为振动污染，而高架线主要是噪音污染。如果线路所经区域产生的噪声污染难以防治，或者防治成本高，则选择地下敷设为宜；如果线路所经区域采用地下线产生的振动污染难以达标，而采用高架线其噪声也能较好解决，则选择高架线敷设为宜。
2.3减振防治参与线路方案权衡
建议将振动防治纳入线路选线方案的综合评价，做为工程条件指标、社会影响指标（社会稳定风险）和经济评价指标参与综合评价，增加方案决策的层面和维度。
方案综合评价中不宜夸大其权重，也不宜忽视其存在，两种认识都是偏颇的。人们的环境意识和要求是必然提高的，而轨道交通建设涉及多方面，应客观评价，主次分明，立足长远。
3.设计阶段分析振动修正优化线路
3.1影响线路的预测评价因子
分析引起振动污染的因素，优化线路设计手段，尽量降低振动污染程度，改进方案。参照《导则》中振动基本预测公式的振动各修正项，距离修正项与线路至敏感点的距离相关，建筑物类型修正与线路经过建筑物类型相关。此外，《地铁噪声与振动控制规范》（DB11/T838-2011）包含了弯道修正，弯道修正与路段曲线半径相关。
在设计阶段，线路附近的敏感点相对确定，振动是否超标主要取决于线路平纵条件、至敏感点的距离以及敏感点自身条件。故需依据环评报告，研究线路、轨道设计方案时，使振动达标或减振降级的，并进一步分析投资；不能实现达标或减振降级时，线路不做调整。
3.2距离修正
分析《导则》中的距离衰减修正，发现其规律为随着距离增加，振动影响不断减小。对位于敏感点振动超标段线路，可通过调整至敏感建筑的水平距离和线路埋深实现振动达标。但方案需经过方案综合评价来最终确定。以下以典型设计实例予以说明。
某市地铁6号线黄河路站前后地下区间均涉及市政跨河桥（桩基础）。原线路方案均选择左右线分绕两座跨河桥，目的是不拆除还建桥梁。但依据环评，两座跨河桥前后均分布大量环境敏感点，采取原方案时由于绕行线路距离敏感建筑较近，需设置特殊、高等轨道减振措施方能振动达标。因此，研究了采取拆除还建两座跨河桥，线路取直下穿方案，如图1。
图1 比较方案示意图
综合比较分析两方案后（见表1），由于A桥取直后减振等级、长度基本未变，同时增加了还建跨河桥投资，所以仍推荐绕避方案；B桥取直后工程投资变化不大，但线路顺直，运营期轨道及减振养护维修成本降低，所以推荐拉直方案。
本案例中线路选择取直下穿，如果敏感点是单侧分布并且有绿地、沟渠等条件采取双线对侧绕避桥梁，就能实现减振达标同时不改造跨河桥的效果。
关于距离修正，也可考虑从距离衰减规律角度来防治振动污染。参考国内外的一些研究和实测，列车引起地面振动随距离增加而有较大衰减是一般规律，但离开隧道轴线一定距离以外存在一个振动放大区。根据夏禾、刘维宁、陈国兴等人文献[6-8]，一般地区在距离地铁中心线约20m范围内，地面振动基本快速衰减但仍超标；在距离30m~50m范围为加速度的局部放大区，但放大幅度不大。因此，尽量使线路距离敏感建筑物20m之外，可有效减少振动，降低减振等级。
3.3弯道修正
弯道修正方面，尽量减少敏感点段落线路曲线数量，减少较小半径曲线的使用。根据《地铁噪声与振动控制规范》中弯道修正表，半径在2000m以下时，不增加振动强度，故曲线半径宜大于2000m，最好不小于500m。
参照汤超文献[9]，当线路曲线半径大于700m，轨道减振器的轮轨力变化幅度很小，轨道减振器结构车辆运行安全性、舒适性指标降幅很小；500m以下小半径曲线能明显增大减振器轨道结构的动力响应和钢轨磨耗功率；缓和曲线60m以下能增大减振器结构动力响应和钢轨磨耗。因此，在采取减振措施段落弯道半径宜大于700m，慎用500m以下半径曲线，缓和曲线长度宜大于60m，以有效降低振动和减少轨道、减振设备的磨耗。
通过德国SIEMENS公司对广州地铁一号线振动检测[10]，区间小半径曲线垂向振动加速度最大值约达37m/s2。可见小半径曲线振动污染严重，也造成其往往是采取高等或特殊减振的地段，并且两者相互恶化，所以应避免小半径曲线设于敏感点附近。
3.4建筑物修正
建筑物修正方面，根据《导则》中不同建筑物的振动修正表，可知Ⅰ、Ⅱ类建筑的结构及特性较好，其振动削减修正很大，如果线路两侧建筑物类型差别较大，可利用建筑物类型的振动响应特点，使线路靠近Ⅰ、Ⅱ类建筑一侧，远离Ⅲ类建筑，达到减少减振措施或降低等级目的。
城市新区或老城改造区的建筑物基础、结构较好，而且建筑物基本退让了道路红线，敷设线路有利于降低轨道交通振动影响。也可考虑利用高大建筑作为屏障来阻隔线路对特殊敏感点振动的影响。
结语
本文针对目前轨道交通振动污染防治中侧重轨道减振问题，采用宜被忽视的优化线路设计手段来减少对环境敏感建筑的振动影响。强调在条件允许情况下，从不易改建的线路工程入手来减少环境振动污染，为建成后振动污染超标治理留出富余，亦是线路精细化设计的需要，同时也是线路方案多因素参与权衡评价的需要，并且可降低减振措施等级、长度和工程投资以及维护成本。希望通过本文能对线路优化设计提供一些有益参考。
参考文献：
[1]孙京健，曾向荣，任静.地铁减振存在的问题分析及建议[J].都市快轨交通，2012（4）：94-97.
[2]任静，孙京健，陈鹏等. 从钢轨异常波磨研究反思地铁设计[J]. 都市快轨交通，2011（3）：2-5..
[3]王芳英. 城市轨交减振轨道结构技术经济分析[J].地下工程与隧道，2014（2）：42-44.
[4]杨惠喜. 提升轨道交通减振综合设计水平的探讨[J].山西建筑，2014（33）：147-150.
[5]吴千周. 从维修保养视域下分析城市轨道交通减振措施[J]. 科技与创新，20114（11）：22-23.
[6]夏禾，曹艳梅. 轨道交通引起的环境振动问题[J]. 铁道科学与工程学报，2004（1）：44-51.
[7]刘维宁，夏禾，郭文军. 地铁列车振动的环境响应[J]. 岩土力学与工程学报，1996，15（10）：586-593
[8]陈国兴，苏晓梅，陈斌. 地铁列车运行引起的环境振动评价[J]. 防灾减灾工程学报，2008（1）：70-74..
[9]汤超.平纵断面线形及轨道类型对地铁轨道动力特性和钢轨磨耗影响其研究[D]. 北京市海淀区上园村3号：北京交通大学，2012（6）：43-50.
[10]董华珍，王仲林. 城市轨道交通中小半径曲线问题探讨[J].四川建筑，2005 25（3）：41-42.
论文作者:刘晓峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/28
标签：线路论文; 减振论文; 轨道论文; 敏感论文; 距离论文; 方案论文; 半径论文; 《防护工程》2018年第13期论文;