作者: Thomas Lorent

城市一体化中的创新 – 抑制城市中心铁路产生的噪音和振动

潘得路运输部主管 Thomas Lorent 探究轨道运输的噪音和振动问题,以及最新的轨道设计创新如何降低铁路对附近居民的干扰。

人们越来越希望在城镇居住和工作,轨道路线两旁的人口会越来越多。据联合国《2018 年世界城市化展望》报导,在 2018 年,世界上 55% 的人口居住在城市,而 1950 年的这一数字仅为 30%。预计到 2050 年,68% 的全球人口将居住在城镇。面对在 2050 年之前涌入城市的这 25 亿新城市居民,如何确保实现可持续的城市化是一项挑战。

现在,世界各地的城镇都在如火如荼地开发新住宅,这样势必吸引人们前往四通八达的交通网络附近定居。与此同时,政府也鼓励在城市内部和周边地区提高可持续交通方式的利用率,列车、有轨电车和地铁通常被视为比机动车更高效、更环保的出行方式,因为它们不会造成交通拥挤,也不会使用矿物燃料,能够减少二氧化碳的排放。所有这些因素都让城市居民和轨道运输网络联系得更加紧密,随着城市人口密度不断升高,对轨道网络产生的噪音和振动水平的投诉也会增多。此外,鉴于现在的很多轨道 24 小时不间断运营,某些城市也会遇到夜间噪音问题。

哪些因素造成了噪音和振动?

轨道运输的基本原理是车轮与轨道之间发生钢件对钢件低摩擦固体接触。这正是轨道运输如此高效的原因(维护少、轴重高等等),但也是主要问题所在,因为这样会产生噪音和振动。

城市轨道交通产生的直接噪音主要是火车车轮和轨道由于振动而发出的滚动噪音。这一噪音通过空气从铁路线路传播开来,传到附近人们的耳朵里。

但这并不是唯一的麻烦。车轮钢件与轨道钢件之间发生的固体接触所产生的振动会传递到地下并影响附近的建筑物,随后会在建筑物中引发墙壁和地板振动,从而“转变”成二次噪音。这种二次噪音被称为结构传递噪音,对于轨道附近的居民来说是一个困扰,因为即便关上窗户也无法避免。

而使用全新的轨道和新型机车,可以将噪音降到最低水平,但只要车轮或轨道的几何形状和表面出现一点点瑕疵,振动就会增大。这样马上就会被附近居民发现,进而导致投诉。

所有运营商都知道,当司机制动过猛或轨道上存在落叶导致钢轨湿滑,都可能导致车轮打滑并出现车轮扁疤,受损的车轮会撞击下方坚硬的轨道,因此通常会发出“嘡嘡嘡”的声音并传到铁路乘客和附近居民的耳中。

轨道中的急弯会产生刺耳的噪音,可能会导致附近的居民苦不堪言。这一问题在清晨会变得更加严重,因为那时每辆机车都会从通常遍布急弯的车辆段中驶出,在经过弯曲的轨道时会产生非常刺耳的噪音。

但最常见的情况是,列车经过局部缺陷时从轨道里传出的“嗒嗒”声音,有些人认为这是最令人讨厌的噪音。这些声音可能由多种原因造成。当司机在一段轨道上加速过猛时,会导致车辆打滑,继而在轨道中产生细小的压痕。焊接或铺设不良的钢轨或者使用鱼尾板固定的钢轨也会导致轨头出现缺陷。

在经常制动或加速的区段,以及某些情况下列车在弯道上的操作可能会导致钢轨波磨,缺陷会以很小的间距沿轨道传播,从而产生更大的噪音干扰。

产生噪音和振动的另一个主要原因是,它们会传递到桥梁或高架桥的结构中。这样会导致结构产生的噪音通过空气进行传播,并被结构下方和附近的人们听到。如果轨道几何形状不够精确,例如未对准,也可能会产生振动。

最后,尽管大幅改进了设计,但轨道上的转辙器和交叉口依然是巨大噪音和振动的一个来源,因为它们在引导车轮时无法克服间隙和对准情况的变化。

无论噪音因何产生,一个共同的特性是,一旦居民受到振动和噪音影响,就需要采取重要的变更措施以缓解干扰。

]]>

噪音和振动控制

在轨道层面,可以通过四种方法降低噪音和振动对附近居民造成的干扰。

这些方法包括:

  • 提供新型的先进轨道系统
  • 监控和维护轨道系统
  • 通过提高轨道弹性减少轨道退化
  • 降低噪音和振动

要减轻噪音和振动的影响,最好的办法通常是在新轨道或升级的轨道中采取应对措施。对于噪音和振动,预防要比治理容易很多。所有的现代化有轨电车、铁路和地铁系统需要认真思考并采取缓解措施。

将噪音和振动解决方案整合到轨道设计中

需要小心谨慎地进行施工,以杜绝所有产生噪音和振动的局部缺陷(确保轨道几何形状光滑、合适的车轮设计和轮轨相互作用、正确焊接和打磨钢轨、轨道具有基本弹性)。现代化的轨道通常具有一定程度的弹性,以抑制动态力从车轮/轨道向轨道支撑结构传递。这样可以保障轨道具备避免产生振动的基本质量。

监控轨道和车轮质量

要抑制噪音和振动,必须确保轨道具有高质量和完好的几何形状。为了实现此目标,需要持续监控轨道的状况,还必须高效地执行所有的维护和维修,以减小振动并防止情况恶化或导致轨道出现二次问题。潘得路的轨头清洗维修 (HWR) 焊接套件是一个非常受欢迎的解决方案,因为它能够通过一种极具成本效益的快速方法修复轨头缺陷,并大大降低现代化轨道网络的维护成本。 HWR 流程可以消除最大 1 英寸(2.54 厘米)的缺陷(具体情况取决于轨道廓形),因此能够让铁路维护工作发挥新的作用。例如修复闪光对接焊缝(采用蹲姿时很难对其进行修复)。

必须主动监控车轮,以确保列车轮组处于良好的维修状态且不会导致轨道损坏。为了解决这一问题,我们开发了 WheelChex®,它可以帮助管理人员更好地了解列车或地铁车轮的性能,并能够实施正确的设计和维护计划。WheelChex® 是一个单一测量装置,采用了三种测量技术,能够同时测量垂直和横向的轨道加速度以及轨道核心温度。

利用弹性控制轨道质量

除了轨道和车轮维护以外,我们还推出了一种具有特定弹簧特性(即轨道弹性)的弹性介质,这种介质有助于在轨道的使用寿命内将轨道质量保持在更高的水平。

例如,在有砟轨道中,潘得路的枕下垫板 (USP) 是量身定制的弹性系统,旨在通过将弹性元件固定到轨枕的底面来减少轨道维护工作、提高轨道质量并减轻振动。

让轨道具有良好设计的刚度和/或连续支撑还可以减少钢轨波磨、抑制随之引发的振动增加以及减少打磨维护的需求。拥有连续支撑的潘得路 QTrack® 或者高弹性底板系统(例如潘得路的先锋 Vanguard 系统和潘得路粘结式 DFF ADH)可以实现这一目标。

轨道隔离原理

如果这三个初步措施不足以解决问题,则需要进一步减小轨道系统产生的振动。基本理念是创造一个包含轨道的质量弹簧系统,并采用一种具有特定弹簧和阻尼特性的弹性介质将轨道隔离。这样,振动能量就会保留在轨道中,而不会向周围传递。

为了模拟这些条件和监控我们解决方案的有效性,潘得路开发了轨道弹性模型 (TEM) 软件。此软件还可以模拟在两种不同轨道之间转换时的情况,从而顺利完成设计,以杜绝局部退化和因此增加的振动。

不同的方法可以实现不同的减振水平。这些方法包括引入软扣件以及采用非常软的浮置板轨道,具体情况取决于具体的设计要求和条件。

潘得路的软解决方案包括威霸 VIPA、粘结式 DFF ADH 和 DEE 底板以及弹性支撑块和枕下垫板。  这些解决方案有助于减小撞击和振动,适合在要求不太严格的城市区域使用。在有砟轨道中,软道砟垫是另一个可以考虑的选项。

很多地铁的首选解决方案是潘得路威霸 VIPA DRS 系统,此系统适合安装在无砟轨道上以及需要减小振动和二次噪音的区域中。此系统采用了潘得路 e 型弹条扣件底板,此底板安装在一个用来为系统提供弹性的镶钉天然橡胶垫上。可以在限制值内调节配置,以满足轴重和刚度要求。很多主要城市的轨道中都安装了威霸 VIPA DRS,例如曼谷、金奈、德里、迪拜、香港、伊斯坦布尔、加尔各答、吉隆坡、圣保罗、首尔和新加坡。

对于更高的减振要求,建议使用潘得路的先锋 Vanguard 和浮置板垫 (FSM) 解决方案。

先锋 Vanguard

潘得路的先锋 Vanguard 是一种轨道扣件系统,垂直动态刚度极低,可实现高水平的隔振效果。它适用于桥梁、隧道和高架桥上的混凝土或木制轨枕和板式轨道。它的优势是,作为一种非常小的系统,它便于改型,可以具有多种尺寸,并提供较大的横向和垂直调整幅度。很多城市都在铁路中利用此系统实施了改型安装,这些城市包括巴塞罗那、马德里、米兰、伦敦、斯德哥尔摩、悉尼、圣保罗、费城和波士顿。事实多次证明,建筑物中的噪音水平下降了大约 10 到 12 dBA。这样足以将噪音降到几乎觉察不到的水平,进而彻底避免产生投诉。

浮置板垫

浮置板垫安装在板式轨道的下方,它构成了一个非常高效的质量弹簧系统,无论是在白天面对满载机车,还是在夜晚面对空载机车和非常严格的噪音限制,都实现出色的减振效果。

例如,布鲁塞尔的有轨电车 STIB-MIVB 选择安装潘得路的浮置板垫 (FSM) 来抑制噪音和振动。在有限的施工时间内,他们在繁忙的城区中安装了 150000 m2 以上的 FSM。项目要求可谓极其严格,因为当地居民经常因为在繁忙、狭窄的街道中总是受到有轨电车噪音和振动干扰而怨声载道。自从实施了 FSM 解决方案之后,居民对噪音和振动的投诉次数降到了最低水平。全球各地的很多其他城市也实施了这些解决方案,包括金奈、悉尼、波特兰、洛杉矶、多伦多、雅典、里斯本、马德里、罗马、米兰、佛罗伦萨、卑尔根、布达佩斯、塞格德、索非亚、阿尔及尔、卡萨布兰卡、里约和圣地亚哥。

在要求最严格的地区,浮置板垫是一种更加高效的质量弹簧系统,此系统使用弹性垫层取代了柔软的离散垫层。这意味着使用预铸的板式轨道虽然会导致解决方案的成本上升,但能够显著降低振动水平并轻松对系统进行安装和更新改造。此系统是所有采用极其严格要求的隧道项目的理想之选。自 20 世纪 90 年代末以来,为了尽量让市民们满意,巴塞罗那这座城市一直在使用此系统。

]]>

结论

轨道运输是低碳运输系统的一个重要组成部分,在我们这个城市居民已超过 40 亿人的世界中,有助于减少道路交通拥挤,但最大限度降低它所产生的噪音和振动对市区的影响很重要。

良好的设计和维护是实现这一目标的关键,很多城镇的新建轨道网络和现有轨道网络中都在采用有效的噪音和振动解决方案,目的是为轨道沿线的居民们创造宁静的生活环境。