軌道吸音板在北京地鐵工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉　瑋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Application and Test of Track Acoustical Slab in Beijing Subway Engineering

LIU Wei

軌道吸音板在北京地鐵工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉瑋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京100055)

Application and Test of Track Acoustical Slab in Beijing Subway Engineering

LIU Wei

摘要軌道吸音板由優(yōu)質(zhì)低堿普通硅酸鹽水泥、吸聲陶粒等固結(jié)而成，一般放置于軌枕或整體道床上，直接吸收輪軌一次噪聲。結(jié)合北京地鐵工程情況，介紹軌道吸音板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、降噪機(jī)理，并對(duì)降噪值進(jìn)行理論預(yù)測(cè)分析。通車(chē)后隧道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，降噪效果可達(dá)3 dB(A)以上。

關(guān)鍵詞吸音板軌道降噪

近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，線(xiàn)路里程不斷延長(zhǎng)，客流量不斷增大，地鐵已成為我國(guó)各大城市的重要交通方式。由于列車(chē)車(chē)輪、鋼軌表面?zhèn)麚p及軌道結(jié)構(gòu)不平順的影響，城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行將不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，直接影響旅客乘車(chē)的舒適性。創(chuàng)造低噪聲的乘車(chē)環(huán)境，建立“以人為本”的環(huán)境友好型地鐵已成為軌道交通建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為適應(yīng)地鐵行車(chē)密度大、維修時(shí)間短的特點(diǎn)，軌道吸音產(chǎn)品不僅要保證降噪效果，還應(yīng)具有良好的耐久性。

軌道吸音板作為主型軌道吸音產(chǎn)品，目前已在德國(guó)、日本、韓國(guó)及香港等城市軌道交通中得到成功應(yīng)用，降噪效果可達(dá)3.9～6.2 dB(A)。與城市軌道交通技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)尚無(wú)成熟的軌道吸音板產(chǎn)品，大多都在研究試驗(yàn)階段。上海地鐵3號(hào)線(xiàn)雖然引進(jìn)試鋪過(guò)德國(guó)吸音板，但并未規(guī)模采用。北京地鐵昌八聯(lián)絡(luò)線(xiàn)地下段約4.3 km梯形軌枕減振地段要求鋪設(shè)軌道吸音板，本文以此為工程依托，系統(tǒng)開(kāi)展軌道吸音板的研制應(yīng)用及降噪效果測(cè)試工作。

1軌道吸音板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

軌道吸音板是利用優(yōu)質(zhì)低堿普通硅酸鹽水泥作為粘接劑，將一定級(jí)配的吸聲陶粒固結(jié)而成的降噪結(jié)構(gòu)。軌道吸音板不僅應(yīng)具有較好的降噪效果，還應(yīng)結(jié)合具體工程的特點(diǎn)，滿(mǎn)足使用安全，節(jié)能環(huán)保，便于實(shí)施安裝及拆卸維護(hù)的要求。北京地鐵軌道吸音板設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。

1.1　采用門(mén)形結(jié)構(gòu)

軌道吸音板呈長(zhǎng)方形，鋪設(shè)在梯形軌道道床上，沿軌道縱向排成縱列，每塊板長(zhǎng)570 mm，板縫為30 mm。研究表明，在吸音材料與剛性壁之間留一定距離的空腔，可有效改善對(duì)低頻噪聲的吸聲性能，當(dāng)腔深為入射聲波的1/4波長(zhǎng)時(shí)，吸聲系數(shù)最大。因此，本次設(shè)計(jì)的軌道吸音板橫斷面設(shè)計(jì)為門(mén)形，底部采用凹槽結(jié)構(gòu)，可有效提高降噪效果，節(jié)省原材料成本。門(mén)形結(jié)構(gòu)的空腔也保證了足夠的排水空間(如圖1所示)。

圖1　梯形軌枕地段軌道吸音板的布置

1.2　增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

軌道吸音板鋪設(shè)于道床中間，必須滿(mǎn)足維修人員行走作業(yè)及緊急情況下人員疏散的要求。因此，軌道吸音板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般不低于8 N/mm2。換軌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，軌道吸音板內(nèi)布置玻璃纖維加強(qiáng)筋可防止換軌時(shí)鋼軌沖擊引起軌道吸音板碎裂，甚至折斷的現(xiàn)象。因此，本工程軌道吸音板通過(guò)設(shè)置玻璃纖維筋等措施對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，其強(qiáng)度可以滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)維修需要。

1.3　增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為增強(qiáng)吸音板結(jié)構(gòu)安裝后的穩(wěn)定性，避免列車(chē)沖擊振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的可能破壞，軌道吸音板四周設(shè)置有緩沖膠墊，可避免吸音板與鄰近結(jié)構(gòu)的剛性接觸。緩沖膠墊填充軌道吸音板與道床間的縫隙，也可避免雜物掉入，有利于保證軌道結(jié)構(gòu)的良好使用狀態(tài)。

2軌道吸音板的降噪機(jī)理及效果驗(yàn)證

軌道吸音板放置于軌枕或整體道床上，利用聲學(xué)上的空腔共振和孔隙吸聲原理，直接吸收與其最接近的輪軌一次噪聲，達(dá)到降低輪軌噪聲的目的。輪軌噪聲聲波入射到采用多孔吸聲材料預(yù)制而成的吸音板板面后，沿著孔結(jié)構(gòu)進(jìn)入吸音板中，激發(fā)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣振動(dòng)，空氣與孔壁摩擦產(chǎn)生熱傳導(dǎo)作用后，由于空氣的粘滯性，孔結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生相應(yīng)的粘滯阻力，使振動(dòng)能(聲能)不斷轉(zhuǎn)化為熱能而消耗，從而使聲波衰減，達(dá)到降低輪軌噪聲的目的。

2.1　降噪值理論預(yù)測(cè)

聲波在地下隧道空間內(nèi)輻射、傳播且不斷反射，由于直接聲源和反射聲源的疊加效應(yīng)，噪音污染源難以消除。根據(jù)室內(nèi)聲場(chǎng)的研究理論，軌道吸音板降噪值采用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)和幾何聲學(xué)的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

設(shè)S為表面積，ā為平均吸音系數(shù)(比1小得多)，房間系數(shù)R按下式計(jì)算

設(shè)R1、R2分別為輪軌噪音聲源附近放置吸音板前后的房間常數(shù)，LW為輪軌噪音聲源的聲功率級(jí)，則距聲源r處相應(yīng)的聲壓級(jí)分別為

放置軌道吸音板前后輪軌噪音聲源的聲壓級(jí)之差，即各點(diǎn)的吸聲降噪量為

可以看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)不受直射聲影響時(shí)降噪量最大，該式可簡(jiǎn)化為

設(shè)V為體積，混響時(shí)間T可按下式計(jì)算

代入前式得

根據(jù)北京地鐵8號(hào)線(xiàn)的實(shí)際工程條件，隧道壁吸音系數(shù)取0.06，吸音板吸音系數(shù)取0.9，吸音板表面積為1.2 m2，圓形盾構(gòu)直徑為5.4 m，鋪設(shè)吸音板前后的混響時(shí)間及吸音板理論降噪量分別為

2.2　實(shí)測(cè)降噪效果

昌八聯(lián)絡(luò)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)期間，選取工況相同(圓形盾構(gòu)，梯形軌枕，車(chē)速72 km/h)的兩個(gè)斷面進(jìn)行實(shí)車(chē)對(duì)比測(cè)試，測(cè)點(diǎn)分別布置于道心、道床表面及隧道壁上。不同位置處的噪聲測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果及插入損失計(jì)算　dB(A)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，鋪設(shè)軌道吸音板后，道心噪聲降低3.7 dB(A)，道床噪聲降低3.2 dB(A)，隧道洞壁噪聲降低3.9 dB(A)，不同位置處的噪聲插入損失值基本相同。由于理論預(yù)測(cè)的噪聲降低值僅考慮軌道吸音板上表面的降噪效果，忽略了側(cè)表面的降噪功能及軌道吸音板鋪設(shè)對(duì)噪音直射角度范圍的影響，因此，與理論預(yù)測(cè)值相比，實(shí)測(cè)噪聲降低值更大。噪聲插入損失值的1/3倍頻程如圖2～圖4所示。

圖2　道心測(cè)點(diǎn)插入損失值1/3倍頻程

圖3　道床測(cè)點(diǎn)插入損失值1/3倍頻程

圖4　隧道洞壁測(cè)點(diǎn)插入損失值1/3倍頻程

根據(jù)噪聲插入損失的1/3倍頻程分析，軌道吸音板的降噪效果在1 000 Hz左右達(dá)到最大值，不同位置的降噪頻域范圍略有差異，道心處軌道吸音板在200～315 Hz、630～3 000 Hz范圍降噪效果較為明顯，道床處及洞壁處軌道吸音板在200～400 Hz、630～20 000 Hz范圍有較顯著的降噪效果。總體上看，軌道吸音板降噪效果較好，北京地鐵軌道吸音板的設(shè)計(jì)應(yīng)用是合理可靠的。

3結(jié)論

利用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合我國(guó)城市軌道交通的特點(diǎn)，軌道吸音板在北京地鐵工程中首次規(guī)模應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，降噪效果可達(dá)3 dB(A)以上。軌道吸音板不僅可用于地下段的噪聲治理，也可配合聲屏障、高彈性扣件的使用，進(jìn)一步降低高架線(xiàn)的噪聲輻射水平，避免噪聲對(duì)沿線(xiàn)居民正常生活的影響。隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，軌道吸音板具有良好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1]雷小燕，圣小珍.鐵路交通噪聲與振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2004

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2004

[3]張馳.噪聲污染控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006

[4]常亮，翟婉明，蔡成標(biāo)，等.高速鐵路無(wú)砟軌道吸音板降噪效果仿真分析[J].鐵道建筑，2013(10)：88-91

[5]仲新華，謝永江，汪佳薇.鐵路無(wú)砟軌道水泥基吸聲板的研制[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008(6):105-107

[6]楊新文，翟婉明，劉榮珍.鐵路無(wú)砟軌道吸聲板降噪效果分析[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(6):38-41

[7]馬筠.對(duì)無(wú)砟軌道吸聲板降噪措施效果的評(píng)價(jià)與分析[J].噪聲與振動(dòng)，2008，35(3):111-113

[8]馬保國(guó)，朱洪波，董榮珍,等.軌道交通噪聲控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及吸聲材料研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(2)

[9]閆利成,李國(guó)輝,張建龍.時(shí)間序列分析在某滑坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2014(5)

中圖分類(lèi)號(hào)：U213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0106-03

作者簡(jiǎn)介：劉瑋 (1983—)，2009 年畢業(yè)于北京交通大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-01-12