長沙市既有鐵路干線隔音隧道設(shè)計(jì)研究*

王薇，尹俊濤，丁篷，黃敘

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

近年來隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市不斷擴(kuò)大，許多原來處于城市邊緣的鐵路干線，逐步成為深入城市居民密集區(qū)的過境城市鐵路干線。經(jīng)過幾次提速，穿越城區(qū)鐵路列車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音給鐵路沿線的城市居民生活帶來了嚴(yán)重的不良影響［1－2］，治理鐵路噪聲污染的問題刻不容緩?，F(xiàn)階段可采用的降噪措施中，對于高層建筑物，修建隔音墻、隔音屏障的減噪措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，只能通過隔音隧道的修建達(dá)到理想的降噪效果。因此，隔音隧道作為公認(rèn)為交通干線降噪中效果最顯著的措施之一，日益受到人們的重視［3－5］。

目前，國內(nèi)外對隔音隧道日益重視，國內(nèi)已有少量的公路隔音隧道工程應(yīng)用實(shí)例，這些都為長沙市內(nèi)鐵路干線隔音隧道的實(shí)現(xiàn)提供了借鑒。但至今為止，對城市內(nèi)既有鐵路干線隔音隧道的設(shè)計(jì)和施工方法以及隔音隧道空氣動力學(xué)研究還處于前期階段。所以，根據(jù)長沙市鐵路干線的特點(diǎn)，展開鐵路隔音隧道設(shè)計(jì)流程、方法等方面的研究，對長沙市內(nèi)鐵路干線隔音隧道的設(shè)計(jì)研究具有現(xiàn)實(shí)參考意義。

1 長沙市主城區(qū)隔音隧道修建可行性分析

1.1 主城區(qū)鐵路沿線噪音污染現(xiàn)狀

根據(jù)鐵路部《鐵路邊界噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)》，在距鐵路外側(cè)軌道中心線30 m處，晝夜間等效聲級限值Leq≤70 dB，居民區(qū)噪聲值超過以上值的鐵路線段即為有潛在需要采取降噪措施修建隔音隧道的鐵路路段。隨著長沙市列車產(chǎn)生的噪音越來越大，列車經(jīng)過時30 m處居民住宅窗外噪聲值達(dá)到80 dB，鳴笛時更高達(dá) 90 dB［5－7］，如今長沙市主城區(qū)內(nèi)已有20 km鐵路沿線的居民受到列車噪聲的極大影響。因此，必須要采取必要的降噪措施來減輕或消除鐵路噪音污染。然而對于長沙鐵路沿線的高層、小高層建筑物，修建隔音墻、隔音屏障的減噪措施對于高層的居民幾乎不起任何降噪效果［8－9］。所以，在長沙市內(nèi)修建隔音隧道迫在眉睫。

1.2 隔音隧道修建范圍確定

隔音隧道能最有效地解決鐵路噪音問題，但其修建費(fèi)用較高、涉及方面多，需要通過評估確定需要修建鐵路隔音隧道的路段范圍，達(dá)到利用合理的資源取得最佳的降噪效果。

根據(jù)北京市地下鐵道設(shè)計(jì)研究所對某聲屏障的測試結(jié)果，聲屏障對鐵路兩側(cè)過高的建筑物(7層以上)基本不起屏蔽作用。因此，當(dāng)60 m范圍內(nèi)有超過7層的噪音敏感建筑物時［10－12］，可以納入可能需要修建隔音隧道的線路段，并進(jìn)行實(shí)地調(diào)研分析。通過對長沙市區(qū)內(nèi)京廣鐵路線沿線兩側(cè)環(huán)境的實(shí)地調(diào)研分析，最后確定長沙市區(qū)既有鐵路(京廣線)修建隔音隧道的位置，具體修建地點(diǎn)如表1所示。

表1 長沙市區(qū)京廣鐵路隔音隧道修建區(qū)段Table 1 Railway soundproof tunnel section of Beijing－Guangzhou railway construction in Changsha

2 長沙市既有鐵路干線隔音隧道設(shè)計(jì)研究

修建隔音隧道是將鐵路噪音控制在一個允許范圍的有效措施，以便解決長沙市鐵路兩側(cè)的噪音污染問題。鐵路隔音隧道在消除、減小鐵路噪音污染問題的前提下，也要確保列車的運(yùn)營安全，設(shè)計(jì)中要考慮的因素眾多［13－14］。鐵路隔音隧道既有隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需要考慮高速列車通過時的空氣動力學(xué)效應(yīng);同時又是位于地面之上的建筑物，還需考慮地面環(huán)境荷載如自然風(fēng)荷載等問題。因而必須綜合隧道和地面建筑物的特點(diǎn)，充分考慮不同荷載及組合作用，進(jìn)行隔音隧道安全性、功能性和耐久性等方面的設(shè)計(jì)［15－17］。

2.1 鐵路隔音隧道總體設(shè)計(jì)流程

城市內(nèi)鐵路干線隔音隧道的規(guī)劃設(shè)計(jì)直接關(guān)系到對鐵路兩側(cè)城市環(huán)境、城市經(jīng)濟(jì)和列車運(yùn)營安全，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要考慮到包括安全、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境影響等多方面的一系列問題。主要工作內(nèi)容包括工程可行性研究工作、隔音隧道選型設(shè)計(jì)以及隔音隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時結(jié)合對隔音隧道的數(shù)值模擬分析，形成鐵路隔音隧道的總體設(shè)計(jì)流程圖，如圖1所示。

圖1 鐵路隔音隧道整體設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Design flow chart of railway soundproof tunnel

2.2 隔音隧道截面形式和隔音板材料分析研究

2.2.1 截面形式選擇

長沙市區(qū)內(nèi)京廣鐵路線線路段為雙線軌道，通過對長沙市鐵路隔音隧道截面形式的研究，因拱形要求較大的修建空間，所以長沙市區(qū)京廣線鐵路隔音隧道可以考慮選取的截面形式有圓弧形截面和矩形截面兩種形式。但考慮到圓弧形的結(jié)構(gòu)截面形式對于承受隧道列車風(fēng)比較有利，以及形式美觀符合城市景觀的因素，因此隔音隧道截面形式選用圓弧形設(shè)計(jì)。又根據(jù)TB1003－2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中的要求，雙線隧道斷面面積應(yīng)不小于80 m2;在分析了長沙市區(qū)京廣線軌道間距、建筑界限要求及今后的維護(hù)施工空間要求，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)算其在空氣動力學(xué)作用下的安全性，推薦采用100 m2凈空的斷面形式，如圖2所示。

圖2 隔音隧道斷面內(nèi)輪廓(凈面積100 m2隧道斷面)Fig.2 Section inner contour of railway soundproof tunnel

2.2.2 隔音板材料研究

隔音隧道隔音板既要起到隔音、吸聲降噪的作用，又要承受外部風(fēng)荷載、雪荷載及隧道內(nèi)部的列車風(fēng)荷載的作用，要綜合考慮隔音效果和結(jié)構(gòu)受力方面的要求，現(xiàn)階段已經(jīng)應(yīng)用在公路、城市輕軌上隔音隧道的隔音材料有多種，如表2所示。

表2 隔音板材料比較Table 2 Comparison of insulation materials

長沙屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季不甚分明。春末夏初多雨，夏末秋季多旱;春濕多變，夏秋多睛，嚴(yán)冬期短多雨，暑熱期長。全年無霜期約275 d，年平均氣溫16.8～17.2℃，極端最高氣溫為40.6℃，極端最低氣溫為－12℃。在長沙這種自然環(huán)境變化較大的地區(qū)，鐵路隔音隧道材料的除了強(qiáng)度方面的要求外，還要有良好的耐候性。通過對鐵路隔音隧道材料的分析對比，根據(jù)長沙市的氣候特點(diǎn)，PC耐力板雖然造價偏高，但從耐候性、耐久性方面看，相對于其他類型的隔音材料來說，比較適合應(yīng)用在長沙市的環(huán)境下。

2.3 鐵路隔音隧道空氣動力學(xué)安全性分析

研究表明，當(dāng)列車以200 km以上時速通過鐵路隧道時，產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)會造成旅客和乘務(wù)人員耳膜明顯不適、舒適度降低，同時也會降低隔音隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［18－20］。穿長沙城區(qū)而過的京廣鐵路線列車最高時速160 km，將來有可能通過舊線改造提速到200～250 km/h。因此，采用有限元軟件對列車通過時的隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)以及由高速列車脈動風(fēng)引起的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，為降低高速列車的空氣動力學(xué)效應(yīng)提出一些指導(dǎo)性建議是非常具有工程價值的。

2.3.1 計(jì)算物理模型

本文機(jī)車模型根據(jù)CRH2動車組建立。為控制計(jì)算規(guī)模，采用3節(jié)車編組，列車全長76.5 m，車寬3.38 m，高度3.70 m，如圖3 所示。

隔音隧道橫斷面采用前面長沙市區(qū)鐵路隔音隧道初步設(shè)計(jì)確定的斷面模型，建立計(jì)算區(qū)域時，考慮到流場的充分發(fā)展，在保證計(jì)算精度的前提下盡量控制計(jì)算規(guī)模，經(jīng)多個模型的初步計(jì)算比選，最終確定的計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 CRH2列車計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of CRH2 －Train

圖4 隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)計(jì)算模型示意圖Fig.4 Model for the calculation of tunnel aerodynamic effect

2.3.2 隔音隧道壓力場變化規(guī)律研究

通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，隧道結(jié)構(gòu)在列車通過時受到大幅度正負(fù)壓波動空氣壓力的作用，在進(jìn)行動力分析時，對其簡化計(jì)算為:周期為T=0.2 t，波動幅值如表3和4列出的正負(fù)壓幅值的周期荷載作用。其中t為列車進(jìn)入到完全駛出隧道的時間。

表3 時速200 km列車通過隔音隧道時壁面測點(diǎn)最大壓力Table 3 Maximum pressure when the train go through soundproof tunnel with the speed of 200 km Pa

表4 時速250 km列車通過隔音隧道時壁面測點(diǎn)最大壓力Table 4 Maximum pressure when the train go through soundproof tunnel with the speed of 250 km Pa

由表3和表4可以看出，時速為250 km的列車對隔音隧道中所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)壓力效應(yīng)，無論是在形成的壓強(qiáng)上，還是在所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，都明顯高于時速為200 km的列車;在隧道中點(diǎn)時最大壓力高達(dá)1 691.3 Pa，并產(chǎn)生了3 075.1 Pa的壓力差。因此，在既有鐵路干線上修建隔音隧道可能導(dǎo)致乘客嚴(yán)重的不適感，同時也會降低隔音隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需采用降速等措施減少空氣動力學(xué)效應(yīng)帶來的不利影響。

2.3.3 隔音隧道荷載頻譜分析

由3.4.2對隔音隧道內(nèi)空氣壓力場的分析，表明時速200 km/h和250 km/h的列車通過隔音隧道時，隧道結(jié)構(gòu)將承受正負(fù)壓變化幅值較大的氣動波動力作用;在這種波動荷載反復(fù)作用下，如果設(shè)計(jì)時沒有充分考慮隧道氣動疲勞荷載破壞效應(yīng)的話，將會導(dǎo)致隔音隧道結(jié)構(gòu)正常使用年限縮短，甚至出現(xiàn)疲勞破壞而威脅到列車的運(yùn)營安全。因此，有必要對高速列車下的隔音隧道作空氣動力學(xué)疲勞荷載譜分析。

通過模擬分析時速分別為200 km/h和250 km/h的列車通過隔音的氣動力疲勞荷載譜，并對列車通過隧道時的空氣動力疲勞荷載譜的最高頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 列車通過隧道時隧道氣動力疲勞荷載譜最高頻率Table 5 Highest frequency of aerodynamic fatigue load when the train go through soundproof tunnel

從以上對時速200 km/h和250 km/h列車通過隧道時隧道受到氣動疲勞荷載譜頻域圖及表5對其的統(tǒng)計(jì)可以看出，隧道內(nèi)每個斷面測點(diǎn)的氣動疲勞荷載幅值主要集中在0.008～0.44的低頻率段，頻率范圍在0～80 Hz內(nèi);但列車時速250 km情況下幅值較時速200 km情況下大，說明隨著列車速度的提高，隧道內(nèi)氣動力荷載的變化也更加劇烈，對結(jié)構(gòu)造成的疲勞受力影響也越大。因此設(shè)計(jì)中除了對隔音隧道的靜力進(jìn)行計(jì)算外，還要充分考慮到氣動疲勞荷載的作用，確保隔音隧道在運(yùn)營期間的耐久性和安全性。

3 總結(jié)與展望

(1)提出了既有鐵路干線隔音隧道的總體設(shè)計(jì)流程圖，并結(jié)合長沙市鐵路干線的實(shí)際情況，對長沙市隔音隧道的修建進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

(2)通過對隔音隧道進(jìn)行空氣動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)氣動疲勞荷載幅值主要集中在0.008～0.44 Hz，屬于低頻率段;且降低列車時速能夠明顯緩解隔音隧道的空氣動力學(xué)效應(yīng)，同時也能減弱氣動力荷載變化的劇烈程度，減小對結(jié)構(gòu)造成的疲勞影響，從而提高鐵路隔音隧道在結(jié)構(gòu)受力上的安全性。

［1］周義，李夢玄.鐵路干線交通噪音及分割效應(yīng)對城市住宅價值的影響－以武漢市京廣線南環(huán)段為例［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版)，2011，94(4):82－87.

ZHOU Yi，LI Mengxuan.The effect of railway noise and segmentation effect to urban residential－take the south ring road of wuhan beijing－guangzhou route section as an example［J］.Journal of Huazhong Agricultural University(Social Science Edition)，2011，94(4):82 －87.

［2］鄧躒，施洲，劉兆豐.臺風(fēng)地區(qū)高速鐵路混凝土聲屏障結(jié)構(gòu)分析研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(7):117－120.

DENG Li，SHI Zhou，LIU Zaofeng.The analysis of concrete structural noise barrier of high speed railway in the typhoon［J］.Railway Standard Design，2009(7):117 －120.

［3］張健.鐵路防風(fēng)柵抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)研究與分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4(1):13－17.

ZHANG Jian.The wind tunnel test research and analysis of railway windbreak resistant performance［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(1):13 －17.

［4］周裕德，張瑋晨，祝文英.城市道路聲屏障實(shí)例及全封閉屏障的展望［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2009(3):17－26.

ZHOU Yude，ZHANG Weichen，ZHU Wenying.Examples city road noise barrier and the future full closed barrier［J］.Construction and Design，2009(3):17 －26.

［5］王庭佛，徐劍.道路全封閉聲屏障的實(shí)踐［J］.環(huán)境工程，2004，22(6):50 －53.

WANG Tingfo，XU Jian.Practice of fully － enclosed sound barrier［J］.Environmental Engineering，2004，22(6):50－53.

［6］姜曉青.噪音終結(jié)者－應(yīng)用于京津高鐵的贏創(chuàng)PLEXI－GLAS SOUNDSTOP(R)隔音板［J］.國外塑料，2009，27(1):24－25.

JIANG Xiaoqing.Noise Terminator－ PLEXI－GLAS SOUNDSTOP(Sound insulation board)which applied to the Beijing Tianjin High － speed Rail［J］.Foreign Plastics，2009，27(1):24 －25.

［7］胡宏斌.城市快速路全封閉隔音隧道設(shè)計(jì)淺析［J］.中國建材科技，2009，18(4):64 －67.

HU Hongbin.Design of City full closed sound insulation of Expressway Tunnel［J］.China Building Materials Science and Technology，2009，18(4):64 －67.

［8］馬娜.上海軌道交通明珠線二期全封閉聲屏障工程設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2005，2(3):41 －42.

MA Na.Fully enclosed sound barrier design of Pearl line stage 2 of Shanghai rail transit［J］.Modern Urban Transit，2005，2(3):41 －42.

［9］馬娜.上海軌道交通6號線全封閉聲屏障工程設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2010，6(5):38 －39.

MA Na.Fully enclosed sound barrier design of Shanghai Metro Line［J］.Modern Urban Transit，2010，6(5):38－39.

［10］Howea M S，Iidab M.Influence of separation on the compression wave generated by a train entering a tunnel［J］.International Journal of Aeroacoustics，2003，2(1):13－33.

［11］Baron A，Mossi M，Sibilla S.The alleviation of the aerodynamic drag and wave effects of high－speed trains in very long tunnels［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89(5):365 －401.

［12］Fukuda T，Ozawa S，Iida M，et al.Propagation of compression wave in a long tunnel with slab tracks［J］.Quarterly Report of RTRI，2005，46(3):188 －193.

［13］Howe M S，Iida M，Maeda T，et al.Rapid calculation of the compression wave generated by a train entering a tunnel with a vented hood［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，297(1):267 －292.

［14］Howe M S，Iida M，F(xiàn)ukuda T.Influence of an unvented tunnel entrance hood on the compression wave generated by a high －speed train［J］.Journal of Fluids and Structures，2003，17(6):833 －853.

［15］Fujii K，Ogawa T.Aerodynamics of high speed trains passing by each other［J］.Computers ＆ Fluids，1995，24(8):897－908.

［16］Ogawa T，F(xiàn)ujii K.Numerical investigation of three－dimensional compressible flows induced by a train moving into a tunnel［J］.Computers ＆ Fluids，1997，26(6):565－585.

［17］Shin C H，Park W G.Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel［J］.Mechanics Research Communications，2003，30(4):287 －296.

［18］楊宇光，朱克勤，席葆樹.高速列車進(jìn)入隧道時的一維非等熵流［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，40(5):95 －98.

YANG Yuguang，ZHU Keqin，XI Baoshu.The one dimensional isentropic flow when high－speed train entering tunnel［J］.Journal of Tsinghua University(Natural Science Edition)，2000，40(5):95 －98.

［19］梅元貴，周朝暉，耿烽.高速鐵路隧道初始壓縮波一維流動模型的數(shù)值分析方法［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(4):508 －512.

MEI Yuangui，ZHOU Zhaohui，GENG Feng.Numerical analysis method of high speed railway tunnel initial compress wave in one － dimensional flow model［J］.Journal of Gas Dynamics，2006，24(4):508 －512.

［20］周朝暉，梅元貴，許建林.高速列車通過截面突變隧道時壓力波的數(shù)值模擬研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007，29(6):34－39.

ZHOU Zhaohui，MEI Yuangui，XU Jianlin.The numerical simulation research on pressure wave when the highspeed train go through the tunnel cross section［J］.Journal of the China Railway Society，2007，29(6):34 －39.