轨道交通工程轨道结构噪声与振动控制研究

轨道交通身为现代城市群发展里的重要交通形式，有效提高运输效率并显著缓解地面交通压力，随着运行速度持续提升以及线路密集度不断增加，噪声与振动问题逐步成为影响沿线居民生活质量和生态环境的重要方面，轨道结构既具备传递列车荷载的作用，也是噪声与振动产生和传播的关键所在，故而对其进行控制研究具备重要的工程价值与社会意义。

一、轨道交通噪声与振动的成因与传播机理

（一）噪声与振动的主要来源

轨道交通系统里的噪声和振动大多是由轮轨之间的相互作用产生的，本质是二者接触过程有不平顺现象，列车高速行驶时，像钢轨焊接缝、轨头磨耗、轮缘缺陷等微观几何偏差会引发动载荷波动，进而引发激振力。诸如地铁、高速铁路、城市轻轨等不同列车类型，在运行速度、轴重以及悬挂系统刚度等方面存在差别，会显著影响激励频率范围和幅值。高速列车轮轨噪声的常见频率集中在500 Hz～2000 Hz 区间，而城市地铁的振动响应更偏向低频范围，普通道床或无砟轨道这类轨道结构，像普通道床和无砟轨道，因结构刚度和阻尼特性存在差异，会影响振动能量的传递和辐射途径。

（二）噪声与振动的传播路径

轨道交通系统里噪声与振动的传播能分为空气传播和结构传播这两种类型，空气传播多是轮轨激励引发的振动借由空气介质扩散到周围环境，造成环境噪声，典型呈现为明线段列车高速行进时产生的尖锐高频噪音，结构传播呈现为轨道结构在激励作用下，把振动能量经由道床、地基甚至建筑物基础进行传导，是沿线低频振动扰民的主因[1]。结构传播往往关联着复合传播机制，像在无砟轨道里，刚性更高的混凝土道床能高效地把振动传递到隧道结构并向外辐射，最终形成所谓的“结构再辐射噪声”，某些地层结构（像粉质黏土或饱和砂层）会放大特定频率的波动，使振动问题进一步恶化。

（三）噪声与振动的分类与评估方法

轨道交通噪声一般以A 计权声压级（dB(A)）作为衡量指标，包含等效连续声级（Leq）、最大声级（Lmax）以及统计声级（例如L10、L90）等参数，用于不同场景下开展环境评价，一般会采用振速 (mm/s ）或者振动加速度 ）进行分析工作，同时借助振动级（VdB）对人所感知的舒适度予以量化，其中Vd ，v是测量所得的速度， v₀ 为参考速度 10^-6 in/s。我国诸如《城市轨道交通沿线环境振动与噪声控制标准》、《铁路环境保护技术政策》等法规，为设计提供了评估的准则，控制指标根据线路类型和地段敏感性等级的差异而改变，住宅区严格控制标准常低于 60 dB(A)或 65 VdB。

二、轨道结构类型及其减振特性分析

（一）传统轨道结构形式

有砟轨道与无砟轨道构成了传统轨道结构的主体，有砟轨道结构把碎石道床当作主要的承载和减振部件，其构造简单、维护方便，然而道床颗粒相互接触松散、阻尼控制效果不佳，对高频振动的抑制效果不佳，无砟轨道采用混凝土板、轨枕和基础形成刚性连接的结构形式，拥有出色的稳定性和耐久性，多使用在高架桥梁、隧道段等对环境敏感的区域，我国高速铁路线路大量采用了CRTS I 型和CRTS III 型板式无砟轨道，具备优秀的振动刚度以及轨道几何稳定能力，但减振要依赖附加装置，如轨下弹性垫层等附加装置。

（二）减振型轨道结构设计

为提高轨道结构的减振能力，工程实践中创制出多种减振型轨道结构，弹性垫层轨道借助在轨枕底部或者轨下安置高分子弹性材料，搭建起“弹簧-质量”系统，有力吸收中高频振动能量[2]。浮置板道床作为一种具备高性能减振功能的结构，一般是让钢筋混凝土板借助钢弹簧、橡胶支座与基础实现隔离，把固有频率设定在8Hz～12Hz ，躲开人体敏感的4～8 Hz 频率范围。常应用于穿越医院、科研机构等特殊敏感区域，槽型轨结构是在轨槽里添加高阻尼橡胶材料，还会对轨道两侧做吸振处理，大量应用于城市地铁地下线路，可有效管控隧道内再辐射噪声。

（三）结构参数对减振效果的影响

轨道结构的刚度分布、质量布置和阻尼系数直接影响系统的振动传递特性，把轨下垫板刚度控制于20～50MN/m 范围，可切实降低激励传递的幅值，增强振动阻尼（像橡胶层阻尼比超过0.2）可明显减少能量的传播，浮置道床系统选用的钢弹簧，需按照列车荷载以及目标隔振频率精确匹配刚度，防止系统出现共振，运用有限元法（FEM）构建轨道 - 道床 - 地基耦合模型，将模态分析与谐波响应分析相结合，能在设计环节预估不同结构参数对振动响应造成的影响，为结构的优化提供理论支撑。

三、轨道结构噪声与振动控制技术与工程实践

（一）被动控制技术

被动控制作为减振手段，在当前工程里最为常见且稳定可靠，主要有减振轨道、隔振支座、吸声材料等，钢弹簧浮置板道床利用低频隔振装置把地面振动限制到35 VdB 以下；橡胶浮置系统适合应用于结构空间受限制的地铁车站部分，关于吸声材料，于隧道壁利用聚氨酯泡沫板或玄武岩吸音棉打造吸声包层，可有效削减中高频噪声8 - 12 dB，城市轨道周边常搭建2 至3 米高的隔声屏障，采用由透明亚克力和吸声穿孔铝板组成的复合结构，实际测量降噪效果能达到6 至10 dB。

（二）主动与半主动控制技术

主动控制系统借助传感器实时采集振动信号，经执行机构（如电磁致动器、压电控制器）输入反向振动，实现振动能量的相位抵消，从而有效削弱或消除原始振动源。目前研究主要集中在车轮与轨道接触点的主动控制、轨枕的主动调节系统等方向，尽管系统构造复杂、成本较高，但在科研机构、医院、文物保护区等超高敏感区域展现出优异性能。半主动控制则是在振动路径中嵌入响应型智能材料，如磁流变液阻尼器，该类材料可依据输入电流变化实时调节阻尼参数，实现“自适应减振”，在振动强度剧烈变化或运行工况不稳定的环境中具有良好的适应性与控制效果。

（三）监测与评估系统

伴随智能轨道技术的持续进步，噪声与振动监测系统已逐步整合进现代轨道交通的运维与管理体系，实现从被动响应向主动预警的转变。典型系统由高灵敏三轴加速度传感器、无线数据传输模块以及基于云计算的远程处理平台构成，具备实时性强、布设灵活、适应性高等优点，可完成全天候、多位置、连续的数据采集任务。在数据分析环节，常采用小波变换、短时傅里叶变换等时频域联合处理手段，对不同列车类型、速度与载荷条件下的振动特性进行精细识别。系统可与GIS 定位技术融合，实现故障定位和趋势预测，为后续结构维修、减振优化与运行调度提供决策支持[3]。例如某号线率先实施分区振动监测，并结合振动门限预警机制，构建起“监测—预警—响应”的闭环控制体系。

总结：轨道结构在轨道交通噪声和振动控制里起核心作用，科学选取结构形式、精准优化减振参数并综合运用多种控制技术，能切实抑制振动的传播以及噪声的辐射，改善沿线环境质量与列车运行的舒适性，未来要加大对主动控制技术工程应用的研究力度，促进结构智能化与系统集成化进程，以顺应城市轨道交通向高密度、低扰动方向的不断演变。

参考文献

[1]蒋飞翔.城市轨道交通噪声污染成因分析及防控措施探讨[J].福建建设科技,2021,(02):64-66.

[2]周逸鸣.济南轨道交通高架线对沿线城市环境的噪声影响分析[D].北京交通大学,2024.000672.

[3]李奇,王蒙一.公轨双层高架中道路桥梁形式对轨道噪声分布影响研究[J].都市快轨交通,2023,36(05):86-92.