談浮動式道床軌道原理與案例分享

 

隨著經濟發展成長,使得全球各個都會區內車水馬龍,伴隨而來的道路交通擁擠、車輛排放的廢氣污濁及吵雜環境,皆降低了都會區的生活品質; 為改善都市生活環境,許多政府機構在都會的交通建設,大量採用了鐵路運輸系統。由於鐵路系統車輛乾淨、快速及車班密集,大幅度改善了都會的生活環境,然而正由於鐵路車輛的快速、密集,使得局部沿線產生環境公害,引起居民陳情抗議。

鐵路運行引發不同型式的振動【1】: 如空傳噪音或列車引發的振動透過土層傳送,同樣成為鄰房的干擾源。土層振動問題,嚴重性也逐漸增加。可區分為下列幾類不同型式鐵路:

一、重軸重貨物列車,以低速運行並導致軌道高振幅振動。在土層激盪出的波動,會沿著土層表面傳遞,這種型式的振動,特別與軟弱土層有關。其中發現顯著水平振動,可以傳遞至離軌道100米的距離,這個水平振動,經常包含很大比例的低頻振動 (小於100赫茲) ,並引發鄰近建物的振動。除了貨運列車外,這種型式的振動,也會由其他型式的列車,通常是大型的機車頭或是具高簧下質量的列車引起。

二、高速旅客列車,有時以超過振動波傳速度在土層或土堤上運行。由於軌道支撐結構、電桿等,可能產生過大的位移,這些問題,軌道工程師已經研究多年。而土層振動同樣來自於軌道,這或許可以和船首波相提並論,或者更加地明顯。

三、列車行駛於隧道內傳送至建物的振動,將比列車在路面軌道上的運行,有較高頻率的振動。這個振動的可察覺頻率範圍,從30
至250 赫茲,可能激發建物的地板和牆壁中的彎曲振動,然後將其振動的噪音,直接輻射至房間中。這樣的噪音,可能會更令人煩噪,因為無法看到來源,也無法進行篩選補救。

談到城市鐵路噪音污染,近來因為鐵路沿線來自於輪軌噪音與振動、磨損與衝擊,造成的環境污染,影響乘客舒適與鐵路沿線居民的生活條件。另外,振動也導致車輛、軌道系統與週遭結構物的疲勞破壞。

關於輪軌作用力的原因與影響的靜態相互作用,可以說明如下:

一、動態影響產自於輪軌表面,在非正圓的車輪與軌道非平直情況下,加上輪軌力的動態物理參數【2】,取決於車輪動態模式、車輪狀況,簧下質量、軌道線形與下部結構的構件、元件的質量,及所有彈性元件的動態性質。

二、需要特別的測試計畫,在既有系統上量測作用力密度;量測作業應該在與計畫車輛類似的運轉系統中,利用設備進行作業。

一般將軌道振動隔離技術,區分如下:

1.利用高彈性鋼軌扣件,隔離自軌道至道板的振動,如圖1所示。

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圖1 高彈性鋼軌扣件機構斷面圖

2.低振動軌道,利用橡膠靴狀物包圍道版,並以低振動鋼軌扣件支撐鋼軌,如圖2所示。

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圖2 低振動軌道機構斷面圖

3.浮動式道床軌道,形成一彈性懸吊系統,如圖3所示。

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圖3 浮動式道床軌道機構斷面圖

浮動式道床軌道的特性【3】

浮動式道床軌道(FST),是利用支承墊,將道床版與隧道仰拱面或橋面版等土建完成面完全隔離,以阻絕振動之傳遞。其原理是經由加大道床版質量、減小支承墊彈性係數,以降低軌道自然頻率,進而達到隔振、減振功能。以單自由度之彈簧-質量系統為例,系統減振範圍,係針對振動頻率在軌道自然頻率的1.414 倍以上之部分;至於振動頻率與軌道自然頻率相近之共振放大現象,一般係以增加阻尼來降低放大值。

將相當質量之道床版,利用離散配置之支承墊,與隧道仰拱面或橋面版隔離,以達到大幅降低輪軌振動/噪音之軌道系統。因抽換支承墊,將嚴重影響系統營運,故支承墊之材質,必須具有高使用壽年,一般常用之材質,為橡膠、橡膠混合物、金屬彈簧、玻璃纖維等。

浮動式道床的主要需求:浮動式道床路段,被用來設計達成大幅低減道版共振頻率造成的振動,特別是在鋼軌變位、隧道線形與軌道型式受限制的地方。浮動式道床的設計,必須能夠滿足超高設計、軌道型式變換、排水、排水路徑、結構伸縮接頭及其他固定點,並能提供長久的服務週期。

為達成鐵路營運單位密集的運轉、短暫鐵路維修時程的需求,須採用安全、堅實、可靠及少維修需求,做為軌道型式構件選擇的優先考量。浮動式道床軌道的各種不同的設計,包括預鑄式與現場澆注式,須依據聲傳、結構性及施工需求作為考量。

案例 : 杜哈 (Doha,卡達王國首都) 捷運興建專案

軌道減振設計需求:

一、道床構造-噪音振動低減:根據對於噪音與振動預測報告,準備需要的振動低減系統。承商對振動低減工作設計的量測,應符合環境衝擊評估範圍的需求-噪音與振動。承商提出之振動低減系統,應具有在同樣需求下成功效能的實證記錄。

二、輕質質量彈簧系統 (LMSS),如圖4所示:輕質質量彈簧系統,依據其永久質量、及支撐材料的動態彈性比率特徵值頻率加以計算。一般而言,彈性比應位於12 至 20 赫茲。

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圖4 輕質質量彈簧系統浮動式道床軌道縱斷面

三、重質質量彈簧系統 (HMSS): 重質質量彈簧系統,依其永久質量及支撐材料的動態彈性比率特徵值頻率加以計算。一般而言,彈性比應位於6 至 12 赫茲。承商應提出可供檢查與置換的重質質量彈簧系統設計。

以輕質質量彈簧系統為例,其施工要求如下:

1.彈性支承墊下面的回填混凝土,用以減少混凝土道版的厚度,鋼筋混凝土版的頂部,與第一階段的混凝土的頂部齊平。接著將彈性支墊層,放置在回填混凝土和第一階段混凝土的傾斜區域上。

2.彈性支承墊,涵括回填混凝土與第一階段混凝土與鋼筋混凝土道版間的完整界面。在安裝過程中,它將作為假模板,並須確保質量彈簧道版與隧道未有連結。

3.在鋼筋混凝土版和第一階段混凝土之間接縫處,須安裝有密封墊,以防止彈性支承墊遇水變溼;如果進水(儘管有密封),則彈性支墊層,將透過第一階段混凝土中的排水通道進行排水,該排水通道由穿孔金屬蓋所覆蓋。

4.其施工步驟如下:

(1)佈設全斷面支承墊:全表面支承墊 (橡膠墊),鋪設於隧道的仰拱之前,須先進行混凝土回填作業。將其鋪設在先前澆置的回填混凝土上,並將向上延伸至混凝土斜面上; 此彈性支承墊將在施工時安裝在計畫預定位置。

(2)鋼筋網鋪設:依據圖說製作所需鋼筋網,並運送至工地進行固定作業。

(3)澆置道床混凝土:利用混凝土卡車進行混凝土澆置,即利用一個具車輪的平台,沿著打設區間移設。

(4)在輕質質量彈簧系統之混凝土塊澆置之後,沿著兩側邊緣封住,以防止水份侵入。

參考文獻

1. Low Frequency Ground Vibration, Railway Noise And Vibration/ Chris Jones.

2. Mitigation of Disturbing Structure- Borne Noise and Vibrations Deriving From Rail Traffic/ Michael Weber.

3. 臺北高運量捷運系統浮動式道床軌道之探討/ 陳誠源,捷運技術半年刊 第27 期 91 年8 月。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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