Канд. техн. наук А. И. ГЛОНТИ
ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ ОТ ШУМА И ВИБРАЦИИ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ МЕТРОПОЛИТЕНА
Тр. ВНИИЖТ, 1983, вып. 670, с. 38-43.
Рассмотрены основные направления исследований по решению проблемы снижения уровней шума и вибрации, возникающих в процессе движения поездов метрополитена.
Приведены некоторые результаты исследований по применению новых вибропоглощающих конструкций пути, экранирующих устройств и обделок тоннеля с указанием определенного эффекта в снижении вибрационного воздействия на здания. Даны предложения для дальнейших разработок по этой проблеме.
Общая направленность исследований.
В настоящее время в СССР и за рубежом широкими масштабами ведется строительство линий метрополитенов мелкого заложения, преимущество которых в основном оценивается более низкой стоимостью строительства по сравнению с линиями глубокого заложения и меньшей затратой времени пассажирами на поездки.
Эксплуатация метрополитенов на участках с мелким заложением тоннелей требует решения проблемы защиты жилой застройки от вибрационного и шумового воздействий. Известно, что в Москве и других городах страны в зоне вредного вибрационного воздействия находится значительное число зданий.
Перед научными, проектными, строительными и эксплуатационными организациями встала задача обеспечения нормальных условий проживания людей в зданиях, расположенных вблизи участков мелкого заложения. Анализ отечественных и зарубежных исследований показывает, что возникшую проблему надо решать в следующих направлениях.
Первое.
Снижение вибрационного воздействия в зданиях, расположенных вблизи действующих линий мелкого заложения. Это можно реализовать в условиях эксплуатации только за счет уменьшения колебательных процессов в источнике колебаний (колесо-рельс) и применения между тоннелем и жилой застройкой экранирующих устройств, препятствующих проникновению колебаний в зданиях.
Второе.
Виброзащитные мероприятия при застройке свободной зоны вблизи линий мелкого заложения, предусматривающие строительство зданий с их обязательной виброизоляцией от фундамента или использование виброгасителей различных конструкций. Этому мероприятию следует дать предпочтительное развитие по сравнению с мерами, снижающими вибрации в источнике, и с помощью экранов, которые также могут найти применение при решении задач второго направления.
Третье.
Виброзащитные мероприятия, предусматривающие их внедрение на стадии проектирования новых линий. Они включают в себя технические решения по снижению колебательных процессов от источника (колесо-peльс до приемника колебаний (здание).
Четвертое.
Установление оптимальной глубины заложения тоннелей с учетом снижения вибрационного воздействия в приемнике колебаний (в здании) до принятых санитарных норм. Оно требует определения рационального заглубления трассы в зависимости от гидрогеологических показателей грунта, т. е. составления карт-характеристик грунта, позволяющих определять минимально необходимую глубину тоннельных участков для достижения требуемого виброзащитного эффекта. Глубина заложения тоннелей, определенная в таких случаях с помощью карт-характеристик, может быть уменьшена, если на этих участках предусматривается применение апробированных эффективных виброзащитных технических решений.
Для решения перечисленных задач необходимо знать вибропоглощающие способности всех элементов цепочки передачи вибрации - вагона (колеса), пути (рельса), а также конструкции обделки тоннеля, грунта, здания, через которые фильтруются колебания, доходящие до человека.
По методике, предложенной проф. Μ. Ф. Вериго, ВНИИЖТ совместно с ВНИИ транспортного строительства Минтрансстроя, НИИОСП им. Герсанова (Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений), ВНИИ вагоностроения и Московским метрополитеном выполнил экспериментальные исследования по определению вибропоглощающей способности каждого элемента в цепи передачи вибрации от колеса до здания при движении поездов с разными скоростями.
В результате исследований установлено, что на всех ступенях передачи колебаний каждый элемент поглощает определённую долю вибрации с постепенным снижением ее уровня. Уровни виброускорений в зоне рельсового стыка типовой конструкции пути при измерениях на рельсе в среднем составили 130-135, на обделке 90—95, в грунте 50-60 дБ (в 20-м от стены тоннеля).
Аналогичные исследования с целью определения уровней вибрации до схеме «колесо-рельс-тоннель-грунт—здание» проведены на линиях Японских метрополитенов общей протяженностью 123 км при глубине заложения тоннелей 3-5, 5—15 и болев 15 м. Установлено, что каждый конструктивный элемент является поглощателем вибрации, но, несмотря на это, в зданиях имеется превышение установленных санитарных норм по уровню вибрации. Результаты исследований также показали, что увеличение слоя засыпки (глубина заложения) и усиление верхней конструкции тоннеля значительно снижают уровни шума и вибраций в близлежащих зданиях.
Исследования, проведенные на Парижском метрополитене по схеме «колесо-рельс-тоннель—грунт-здание», показали, что по пути распространения колебаний вибрации поглощаются конструктивными элементами тоннеля и к фундаменту здания передаются при средних геометрических частотах 31,5 и 63 Гц соответственно 60 и 66 дБ (расположение зданий от 6 до 10 м).
Выполненные на отечественных и зарубежных метрополитенах исследования указывают на то, что работы по снижению уровней шума и вибрации следует вести по всем элементам в цепи передачи колебаний, т. е. поставленную проблему следует решать комплексно, с разработкой виброзащитных мероприятий по приведенным четырем направлениям.
Снижение вибрационного воздействия в существующих зданиях.
ВНИИЖТом, Главным управлением метрополитенов МПС и Таганрогским металлургическим заводом разработаны повышенные технические требования по улучшению качества колесных пар вагонов. Применение колес с улучшенными бандажами позволяет несколько снизить динамическое воздействие подвижного состава на путь и тоннельную обделку за счет повышения прочности, износостойкости и уменьшения дефектов на поверхности катания колес.
Однако, как показывает опыт зарубежных метрополитенов, существенного эффекта в снижении уровня шума и вибрации можно достичь, применяя вибропоглощающие детали в подвижном составе и в первую очередь в элементах его необрессоренных масс. Новое техническое решение в этом направлении разрабатывается ВНИИВом.
Более обширные исследования проведены ВНИИЖТом, Московским метрополитеном и Загорским филиалом НИИРП (Научно-исследовательский институт резиновой промышленности) по улучшению виброзащитных свойств существующей конструкции пути на действующих линиях. Разработаны и испытаны в лабораторных условиях нашпальные резиновые прокладки разной толщины. Установлено, что с применением нашпальной резиновой прокладки толщиной 20 мм жесткость узла скрепления типа "Метро" снижается в 3,2 раза.
В результате эксплуатационных испытаний на Московском метрополитене рекомендовано применение резиновых нашпальных прокладок для прямых участков пути (в кривых участках выявлено отрицательное влияние прокладок на стабильность работы узлов скрепления под поездной нагрузкой). В зоне рельсового стыка уровень вибрации путевого бетона и тоннельной обделки снижается на 3—5 дБ. По общему уровню звукового давления снижение шума в тоннеле составило 8 дБ. В настоящее время Главным управлением метрополитенов МПС принято решение о внедрении резиновых нашпальных прокладок толщиной 20 мм на прямых участках линий метрополитенов.
На участке мелкого заложения Тбилисского метрополитена были испытаны опытные резиновые подрельсовые прокладки взамен полихлорвиниловых. Измерения показали, что после укладки опытных прокладок вибрация тоннельной обделки уменьшилась в среднем на 2-3 дБ.
Для дальнейшего повышения виброзащитных свойств скрепления типа "Метро" в прямых участках пути ВНИИЖТом ведутся исследования целесообразности использования в качестве нашпальных прокладок упругих элементов из резин различных марок; исследуется эффективность совместного применения резиновых нашпальных и подрельсовых прокладок. Ведутся работы по улучшению виброзащитных свойств верхнего строения пути в кривых участках.
Одно из мероприятий, позволяющих снизить уровни шума и вибрации в зданиях, расположенных вблизи эксплуатируемых линий, - экранирование распространяющихся в грунте колебаний, возникающих при движении поездов метрополитена. ВНИИ транспортного строительства Минтрансстроя рассмотрены экспериментальные предпосылки применения экранов и предложен практический метод расчета их основных параметров, проанализированы известные конструктивные решения и разработана методика определения области их экономически целесообразного применения.
По разработкам ВНИИ транспортного строительства и Метрогипротранса создана конструкция «пустотного» экрана (пустотелые ребристые железобетонные плиты с упругими резиновыми прокладками между ними в траншее глубиной 11 м) с целью виброзащиты жилого дома вдоль линии мелкого заложения Московского метрополитена. Однако эффект от такого мероприятия оказался ниже ожидаемого (снижение уровня вибрации до 4—5 дБ) из-за несовершенства конструкции экрана. В настоящее время ведется проектирование новой конструкции «пустотного» виброзащитного экрана.
Экранирующие устройства должны быть применены в исключительных случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании, т. е. тогда, когда другие мероприятия окажутся недостаточными для снижения уровня вибрации до нормируемых величин. Обосновывается это тем, что устройство экранов в некоторых случаях может вызвать демонтаж и перенос подземных коммуникаций.
Несмотря на указанный недостаток и сравнительно высокую стоимость «пустотного» экрана, поиски новых высокоэффективных технических решений в этом направлении должны быть продолжены.
Виброзащитные мероприятия при застройке свободной зоны вблизи линий метрополитенов. Как известно, общесоюзными нормами по планировке и застройке городов расстояние от стен тоннеля до фундамента зданий должно быть не менее 40 м, если не предусмотрены специальные мероприятия и технические решения по виброшумозащите жилой застройки. Следует отметить, что это расстояние дано без соответствующего научного обоснования и без учета глубины заложения тоннелей, инженерно-геологических характеристик грунта и других факторов.
Поскольку достаточно эффективных технических решений для действующих линий метрополитенов еще не найдено, а в условиях острого дефицита земли в крупных городах выдерживать минимально необходимое расстояние 40 м между тоннелем и зданием будет все труднее, вдоль эксплуатируемых линий метрополитенов мелкого заложения должно быть разрешено строительство домов, только с их обязательной виброизоляцией.
Размах виброускорений в значительной мере зависит от конструкции фундамента дома, применяемых строительных материалов. Даже различные конструкции пола здания распространяют разные уровни вибрации.
За рубежом построены здания с виброизоляцией фундамента. В СССР начато строительство таких домов (здание управления Минского метрополитена) , однако для дальнейшего применения виброизолированных зданий необходимо ускорить изыскание новых эффективных технических решений.
Виброзащитные мероприятия, разрабатываемые на стадии проектирования новых линий.
Обширные исследования, результаты которых реализованы в проектах строительства новых линий с последующим их внедрением на отдельных участках трассы метрополитена, выполнены и ведутся по нижнему и верхнему строениям пути.
На Рижском радиусе Московского метрополитена по проекту института Метрогипротранс сооружены опытные участки тоннелей с нижним строением пути на амортизаторах (на первом пути сборный железобетонный лоток с резиновыми амортизаторами, горизонтально лежащими под ним, на втором пути лоток имеет наклонные грани).
ВНИИ транспортного строительства и ВНИИЖТом проведены натурные испытания на опытном участке с замерами вибрации на рельсе, путевом бетоне и тоннельной обделке (на уровне 1,2 м выше головки рельса), в результате чего установлено, что состояние бандажей колесных пар оказывает существенное влияние на уровень вибрации. Виброзащитный эффект начинается с частот выше 50 Гц; упругая деформация нижнего строения пути составляет 1 мм вместо проектных 4 мм. Общий уровень вибрации на поверхности грунта на 3—4 дБ ниже, чем на типовом участке.
Следует отметить, что установка лотков на амортизаторах повлекла за собой увеличение габаритов тоннеля и стоимости 1 м тоннеля на 1485 руб. Кроме того, внедренные конструкции нижнего строения пути в существующем исполнении являются не ремонтопригодными и не технологичными. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию конструкции нижнего строения пути.
ВНИИЖТом выполнены теоретические исследования по созданию новой конструкции верхнего строения пути с повышенными виброзащитными свойствами. В результате этих исследований разработаны основные параметры конструкции малогабаритных рам, опирающихся на резиновые элементы, включающие массу подрельсового основания и жесткость упругих связей между отдельными элементами.
Отличительная особенность и достоинство такой конструкции пути состоит в том, что за счет создания требуемой массы малогабаритной рамы вибрации поглощаются не на нижнем, а на верхнем строении пути.
Это позволяет без увеличения габаритных размеров тоннеля создать конструкцию пути, доступную для ремонта, что очень важно в условиях эксплуатации метрополитенов.
В настоящее время конструкция верхнего строения пути с малогабаритными рамами проходит полигонные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТа. Заканчивается укладка такого пути на участке мелкого заложения Серпуховского радиуса Московского метрополитена.
Следующее звено в цепи передачи вибрации от источника к зданию — обделка тоннеля. На некоторых зарубежных метрополитенах тоннельные конструкции при открытом способе работы выполнены из монолитного бетона. С целью снижения вибрации толщина монолитных железобетонных тоннельных обделок значительна (60—90 см).
Впервые на Рижском радиусе Московского метрополитена были сооружены опытные участки тоннелей с утяжеленной обычной сборной обделкой, омоноличенной низкомарочным бетоном с внешней стороны по стенам и в лотковой части. Эксплуатационные испытания показали, что утяжеленные обделки требуют дальнейшего совершенствования.
На стадии проектирования новых линий также могут предусматриваться высокоэффективные экранирующие устройства (гашение вибрации в следующем звене — в грунте) и виброизолирующие конструкции зданий (гашение вибрации в последнем звене цепи передачи вибрации — приемнике колебаний), если их строительство намечается вблизи трассы метрополитенов.
Установление оптимальной глубины заложения тоннелей с учетом снижения вибрационного воздействия в зданиях. Измерения уровней вибрации в жилых домах, расположенных вдоль конкретного участка линии метрополитена, показали, что в дневное время уровни вибрации, возникающей вследствие движения поездов метрополитена, не превышают значений нормативного спектра, регламентированного Санитарными нормами допустимых вибраций в жилых домах для постоянной вибрации в ночной период суток (с 23 до 7 ч) и сравнимы с фоном. Это может быть объяснено инженерно-геологической и структурной характеристикой грунта вдоль линии метрополитена, т. е. его вибропоглощающей способностью. Проектировщикам нужны карты-характеристики грунта, которые должны стать исходным (базисным) документом при определении оптимальной глубины заложения тоннелей с точки зрения достижения необходимого виброзащитного эффекта. Имея данные структурно-геологических характеристик грунта и зная глубину заложения тоннелей, проектировщик при технико-экономическом сопоставлении вариантов виброзащитных мероприятий определит, что выгодно - применение специальных технических решений или рациональное заглубление трассы метрополитена для достижения требуемого эффекта (в некоторых случаях может быть и то и другое).
Выполнение исследований по перечисленным направлениям, изыскание эффективных технических решений по всем вопросам поставленных задач позволят решить данную проблему как на действующих линиях, так и на проектируемых.