阻尼弹簧浮置道床：轨道交通环保隔振技术的国产化研究

项目名称：阻尼弹簧浮置道床隔振系统

发明人：卲斌

当你走在北京市地铁5号线高架轨道下方通道时，如果正巧有一列列车驶过，你就会听到一阵震耳欲聋犹如坦克行驶的轰隆声。细心一点的人会发现，倘若高架轨道穿过居民楼群，轨道两侧都会有高高的隔声板，阻挡列车运行时振动声波的传播。为降低地铁列车运行对振动敏感场所和区域，如医院、音乐厅等的影响，该项目立项的目的就在于从源头上降低列车运行产生的振动，改善环境条件。

北京市西直门-东直门城市铁路工程（以下简称“城铁”）是北京申奥承诺的轨道交通线路之一，是全国第一条集地下线、高架线、地面线为一体的快速轨道交通项目，全长40.6公里。西直门车站是“城铁”的起点站，位于繁华的西直门地区新建的西直门交通枢纽之中，与公交、国铁、环线地铁、水运等在交通枢纽中汇集。紧邻“城铁”西直门站西侧，是华融公司已立项开发的三栋高层高档流线型的写字楼；东侧是新改建的国铁北京北站；周围是公交站点；地下是北京二号线地铁站。“城铁”西直门站为高架三层框架钢筋混凝土结构，站台层在第三层。除两条正线外还有一条存车线。“城铁”车站结构与相邻的流线型写字楼的地下结构连通为一体，地下为超市及停车场。

“西直门交通枢纽环境评估报告”中明确要求，轨道交通的西直门站应考虑采取更有效的减振、隔振措施。市政府有关领导也指示，因西直门交通枢纽的运期高峰每小时将有约5.2万人次换乘，且周围为高档写字楼，设计应以人为本，保护环境最为重要。单一从“城铁”的减振要求而言，因西直门车站处在的交通枢纽之中，对减振并无特殊要求。但是就尽可能减小轨道交通的振动对周边写字楼的影响及考虑减小交通枢纽中的整体噪声水平，从而提高交通枢纽的综合环境水平而言，对轨道的减振水平要求又很高。在进行西直门车站初步设计时，根据西直门站的特殊地理位置及环境要求，对国内外的轨道减振措施进行了认真的分析及工程类比，选择了四个方案进行比选。这四个方案分别是：轨道减振器扣件、弹性套靴式整体道床、美国Lord公司的胶结弹性扣件、德国隔而固（GERB）公司的钢弹簧浮置板道床。

前两个方案是国内已建和在建地铁项目中应用较多的轨道减振方案。如北京二号线地铁的东四十条站采用了弹性套靴式减振型轨道，取得了预期的减振效果，其上方的保利剧院等建筑物，均未受到地铁列车运行的影响。轨道减振器扣件类似于德国的科隆蛋，已应用于上海地铁一、二号线的较高要求减振地段。这两种减振型轨道的振动加速度级减振效果一般为5～10分贝。

后两个方案在国内还没有工程应用，国外则有很多的工程应用实例。胶结弹性扣件已应用于美国及其他国家和地区的地铁项目，减振效果可达10分贝以上。钢弹簧浮置板道床应用于德国、英国、巴西和韩国等高铁和地铁项目，一般减振效果为25～40分贝。深圳地铁一号线在地铁线路穿越市政府一段（双线255m）已决定采用该方案，并已通过铁道科学研究院的实尺模型试验，试验的减振效果为40分贝，隔振器下的地面未受到激振力的影响。从国外已采用钢弹簧浮置板道床的地铁运营情况看，被保护建筑物内均未受地铁列车运行所产生振动的影响。

类似于西直门站这种高架车站与周边建筑紧邻的情况在国内还是首例。经过国外专家的技术咨询，推荐钢弹簧浮置板道床为实施方案。钢弹簧浮置板道床是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置在钢弹簧隔振器上，构成质量-弹簧-隔振系统。隔振器内放有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼。浮置板隔振系统的设计原则是，应使浮置板的结构固有频率避开地铁车辆运行时的激振频率，并使浮置板的6个刚体固有频率，尤其是垂向固有频率尽量远低于激振频率，可取得好的隔振效果。对于同一个激振频率，浮置板系统固有的频率越低，隔振效果越好。然而把浮置板隔振系统的固有频率做低并不容易，受很多条件制约，增大质量往往受空间和结构承载强度限制；增加弹性元件的弹性受系统稳定性和安全性限制等。(www.xing528.com)

钢弹簧隔振器内有粘滞阻尼，使钢弹簧具有三维弹性，横向刚度独立设计，可设计出很高的横向稳定性。而橡胶的横向刚度很小，需横向限位装置，限制了垂向刚度的设计空间。与钢弹簧相匹配的粘滞阻尼恰好具有三维以上的阻尼，增加了系统的各向稳定性和安全性，且能抑制和吸收固体声。隔振器分为嵌入式和侧置式两种型式。为降低造价，采用侧置式隔振器。隔振器上下无螺栓联接，采用摩擦系数为2的专用防滑垫代替。

因轨道采用了钢弹簧浮置板道床结构，相关的结构、建筑、防迷流、给排水等专业的设计都应进行相应的调整。采用钢弹簧浮置板后，行车道结构的受力方式由承受面荷载变为承受点荷载，且荷载值加大，行车道结构的横梁宽度与隔振器支撑宽度也进行了设计调整。同时由于预留隔振器更换空间等原因，站台板悬臂宽度加大，站台板悬臂端根部亦进行了加强。防迷流专业根据浮置板的特点，要求在浮置板受力钢筋表层另加一层排迷流钢筋网，以防止钢筋焊接对浮置板受力钢筋的强度有所影响，并加强对浮置板的电腐蚀防护。牵引供电、通信、信号等专业的横向过轨电缆，经设计协调，均避开此地段过轨。

为了打破国外专利产品在中国城市轨道交通环保隔振技术领域的独家垄断，“阻尼弹簧浮置道床国产化研究”课题于2007年启动。为了既尊重外方既有知识产权、避免简单抄袭引发的专利纠纷，又有效突破外资方的专利壁垒、实现独立知识产权的自主创新，在阻尼弹簧浮置道床国产化研发过程中，针对国内轨道交通隔振工程需求，在结构和工艺方面采用了大量另辟蹊径的差异化设计，还首创性地研发了开放式永不磨损气闭防水密封系统、失效指示器及带有应急限位功能的高效阻尼器等一系列独具自主知识产权的创新结构，获得了《阻尼弹簧浮置道床隔振支撑结构及其安装方法》和《阻尼弹簧浮置道床隔振器失效指示器》两项发明专利和十余项实用新型专利；变简单的“中国制造”为更高层面的“中国创造”，填补了自主研发轨道交通顶级隔振技术的行业空白。“阻尼弹簧浮置道床轨道隔振技术”荣获“中国移动G3杯”暨第五届北京发明创新大赛金奖和CCTV创新无限奖；连续五年入选《国家先进污染防治示范技术名录》；荣获2012年度“北京市科学技术奖”。

地铁安全运营中，轨道隔振系统的可靠性十分重要，而阻尼弹簧组件是轨道隔振系统的核心部件，其中一个十分棘手的难题是阻尼器的防水结构设计。国外产品只是采用橡胶套或防水帆布制成防水密封套，在臭氧和交变机械应力作用下极易疲劳老化而出现破损，在施工中也经常发生割裂损坏，实际密封效果很不可靠。如何解决阻尼器长效防水成了世界性难题。浮置板在地铁隧道内会遇到少量渗出的积水，有时甚至会遇到大量涌水，将浮置道床和隔振器全部淹没。有人说了一句“那时就变成潜水艇了”，一句玩笑话，引起了发明人邵斌的联想：在国外潜水时玩过的“潜水钟”，何不利用潜水钟的密封原理来设计阻尼器的密封结构呢？灵感一来，问题迎刃而解！独创了“开放式永不磨损的水封气闭防水系统”，当水位升高时，密封环形成的封闭气室就像一个茶杯倒扣在水里，无论水淹到多深，都无法进入受水封气室保护的阻尼器内部。

针对国内轨道交通隔振工程需求，这些专利从局部到整体等各方面都另辟蹊径开发了大量国内外首创的新技术、新理念、新结构、新工艺，实现了自主知识产权的多项创新。例如，簧丝直径超过45毫米、远超极限卷绕比的大荷载热卷圆柱螺旋压缩弹簧，其加工参数的一致性和疲劳寿命的可靠性是本技术的关键环节之一。发明者一方面通过反复优化整体布局、设计荷载和大量实验检验，突破弹簧经典设计加工极限；同时又结合近年来轨道交通运力大幅度增加的客观发展现实，把原有300万次疲劳设计检测门限大幅度提升到500万次。上述国产大荷载热卷螺旋弹簧在投产初期仍被行业内的“习惯势力”深度质疑，为了彻底打消使用单位的顾虑，发明者利用设置在弹簧内部的高效唧筒式阻尼套筒，开发了其特有的应急限位功能，最大限度地改善了浮置板系统的应急安全性。

大荷载热卷螺旋弹簧

点评：噪声来自振动，大量的现代化设备在运行中都难免会振动，从而产生噪声。地铁作为现代化城市的必备建设项目，已成为人们离不开的出行交通工具。但它在我国出现的历史并不久远，很多关键技术为发达国家所垄断。要想在地铁工程中创出“中国创造”的品牌来，其技术难度是可以想象的，有时又是难以想象的。解决地铁噪声，是邵斌和他的团队选择的主攻方向，他们利用各种有利因素，充分发挥创新思维，攻克了该项目中一个又一个的技术难点。例如“水封气闭防水系统”，巧妙地利用了“气室”密封原理，彻底解决了阻尼器组件密封这一世界性难题。