基于模式預(yù)測法的城市軌道噪聲影響研究

王　帥

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安　710043)

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基于模式預(yù)測法的城市軌道噪聲影響研究

王帥

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安710043)

摘要：為研究城市軌道交通高架線兩側(cè)噪聲傳播特點與規(guī)律，探索聲環(huán)境敏感點的降噪防治措施，以擬建成都地鐵5號線工程為研究對象，選取適合的預(yù)測模式，確定出各個技術(shù)參數(shù)并模擬計算出噪聲預(yù)測結(jié)果，通過類似既有上海軌道5號線工程的大量實測數(shù)據(jù)有效驗證了預(yù)測結(jié)果的正確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上的研究結(jié)果表明：水平方向上橋梁兩側(cè)聲影區(qū)內(nèi)，噪聲級隨著距離增加而增強；而在聲照區(qū)內(nèi)，噪聲級則隨距離的增加而減弱。垂直方向上高架線噪聲影響最嚴重區(qū)域為周邊建筑物5層樓附近，因此要特別關(guān)注并加強該區(qū)域的降噪治理工作。

關(guān)鍵詞：軌道交通；高架線；噪聲；模式預(yù)測法；傳播規(guī)律

隨著我國城市軌道交通的飛速發(fā)展，其給人們帶來方便快捷的同時也帶來了噪聲、振動等環(huán)境影響，尤其是通過城區(qū)及周邊的高架線路。近些年來，一些城市軌道交通部分線路選擇以高架橋方式敷設(shè)，因為相對于地下線路，高架線具有施工簡單、風(fēng)險低、對管線影響小、能耗相對較低并且投資省的優(yōu)勢[1]。但噪聲影響問題也無疑成為建設(shè)高架軌道線路的障礙之一，通過模式預(yù)測與實測相結(jié)合的方式探索噪聲沿不同水平距離、垂直高度的傳播規(guī)律，對于有針對性地提出軌道交通高架線路的噪聲防治措施具有重要意義。

1噪聲預(yù)測模式

1.1城市軌道交通特點

以我國目前擬建城軌項目—成都地鐵5號線為研究對象，工程北起新都區(qū)香城大道，南至天府新區(qū)回龍路，全長49.0 km，其中地下線42.25 km，高架線6.45 km，過渡段0.3 km；共設(shè)車站41座[2]。軌道交通以其鮮明的優(yōu)勢，在城市公共交通系統(tǒng)中逐漸占據(jù)了不可動搖的領(lǐng)先地位，具有運量大、速度快、舒適性佳、安全性高、能充分利用空間及節(jié)能減排等特點。軌道交通高架段列車聲源位置相對較高[3-4]，其噪聲傳播持續(xù)時間短、噪聲量大、傳播面廣，且具有暫時性和間歇性等特點。

1.2噪聲預(yù)測模式的確定

鐵路噪聲預(yù)測方法的選擇應(yīng)根據(jù)工程和噪聲源的特點確定，目前以采用模式預(yù)測法和比例預(yù)測法兩種方法為主。比例預(yù)測法以研究對象現(xiàn)場實測的噪聲數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5-6]，根據(jù)工程前后聲源的變化和不相干聲源聲能疊加的理論進行預(yù)測，雖然方法簡單、預(yù)測結(jié)果可靠，但受較嚴格使用條件的限制，僅適用于既有線改、擴建項目，不適用于本次新建項目的研究。而模式預(yù)測法適用于所有項目，主要依據(jù)經(jīng)驗公式和聲學(xué)理論計算方法預(yù)測噪聲。擬建成都地鐵5號線噪聲影響主要來自輪軌噪聲、空氣動力學(xué)噪聲、機電系統(tǒng)噪聲及橋梁結(jié)構(gòu)噪聲[7]，當(dāng)列車在高架橋上運行時，可近似當(dāng)作成運動有限長線聲源，在確定必要技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上本次研究選用模式預(yù)測法進行噪聲預(yù)測。

1.3噪聲預(yù)測模型

1.3.1預(yù)測點的等效聲級

任一預(yù)測點處的等效連續(xù)聲級可按下式進行計算

(1)

式中，LAeq，p為評價時間內(nèi)預(yù)測點的等效計權(quán)A聲級，dB(A)。

(2)

式中，Lp，A為單獨列車通過某預(yù)測點處的等效連續(xù)聲級，可視為A計權(quán)聲級或倍頻帶聲級，dB(A)；Lp0，i為列車最大垂向指向性方向輻射的噪聲源強，列車通過時段的參考點等效聲級；m為列車通過列數(shù)；C為固定噪聲源修正項，dB(A)。

1.3.2預(yù)測點處的總等效聲級

(3)

1.3.3等效時間

城軌列車運營噪聲的作用時間采用等效時間teq，i，可按下式進行計算

(4)

式中，li為第i類列車的列車長度，m；vi為第i類列車的運行速度，m/s；d為預(yù)測點到線路的距離，m。

1.3.4列車噪聲修正項

列車運行噪聲的修正項Ct，i，按下式計算

(5)

式中，Ct，v，i為城軌運營噪聲速度修正，dB；Ct，θ為城軌運營時噪聲垂直指向性修正，dB；Ct，t為線路和軌道結(jié)構(gòu)對噪聲影響的修正，dB；Ct，d，i為城軌運營噪聲幾何發(fā)散式損失，dB；Ct，a，i為城軌運營噪聲的大氣吸收，dB；Ct，g，i為城軌運營噪聲地面效應(yīng)引起的聲衰減，dB；Ct，b，i為城軌運營噪聲屏障聲繞射衰減，dB；Ct，h，i為城軌運營噪聲遇城市建筑引起的衰減，dB；Cw為頻率計權(quán)修正，dB。

2預(yù)測技術(shù)參數(shù)

2.1源強確定

高架段列車源強采用相似車輛類比源強。在V=60～70 km/h，60 kg/m無縫長鋼軌、整體道床、箱形梁條件下，噪聲源強為84～88 dBA(距軌道中心線7.5 m，高于軌面1.5 m)。

2.2線路技術(shù)條件

鋼軌：采用60 kg/m U75V 無螺栓孔新鋼軌，一次性鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。

道床：高架線地段采用短枕承軌臺式整體道床。

扣件：高架線及出入段線采用YXD-3A型扣件。場段碎石道床采用彈條Ⅰ型扣件，整體道床采用DJK5-1型分開式扣件。

2.3列車參數(shù)

根據(jù)工程運輸組織資料，車輛選用B型車，車體長度21.0 m，最大寬度2.8 m，車輛高度3.81 m。車輛采用鋁合金或不銹鋼車體。

2.4列車運行速度

列車設(shè)計速度目標(biāo)值為80 km/h，最大運行速度為100 km/h；各預(yù)測區(qū)間實際列車運行速度按列車運行圖確定。

2.5列車對數(shù)

按近期大交路254對/d進行預(yù)測。

2.6運營時間

列車每日運營時間為早6：00～晚24：00，共18 h。其中晝間運營16 h(6：00～22：00)；夜間運營2 h(22：00～24：00)。

值得注意的是：由于城市軌道交通夜間車流量相對較小，24∶00之后不再運營，若預(yù)測時還按傳統(tǒng)鐵路模式夜間運行時間8 h考慮，在該時間段上計算出的噪聲能量平均聲級，即等效連續(xù)A聲級值會變得很低，夜間基本不會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，顯然不太合理。因此，應(yīng)結(jié)合軌道交通夜間運行時段短、列車對數(shù)少的特點，將夜間運行時間調(diào)整為2 h進行預(yù)測，這樣才能更好地反映軌道交通噪聲影響程度。

3預(yù)測模型驗證與結(jié)果分析

3.1水平方向不同距離受軌道噪聲影響的規(guī)律

3.1.1預(yù)測模型驗證

以擬建成都地鐵5號線高架段一側(cè)某一衰減斷面作為分析樣本，在該斷面上垂直且距橋梁外軌中心線10～200 m范圍由遠及近依次選定12個預(yù)測點，在不考慮背景噪聲及聲屏障的基礎(chǔ)上，按列車正常運營時速80 km，運用上述理論預(yù)測模型和技術(shù)參數(shù)逐一計算出各個預(yù)測點的噪聲值。而后選取與研究對象工程特點、線路技術(shù)條件、列車參數(shù)、運行車速、列車對數(shù)、橋梁高度等相類似的既有上海軌道5號線工程(類比情況對照詳見表1)作為實測對象，同樣在垂直且距橋梁外軌中心線10～200 m范圍做衰減斷面類比監(jiān)測，得出與預(yù)測相對應(yīng)12個點位的實測值[8]進行比較分析，以驗證本次噪聲理論計算結(jié)果的正確性。水平方向上噪聲理論預(yù)測值與類比實際監(jiān)測值結(jié)果對比見圖1。

表1　類比工程噪聲影響技術(shù)參數(shù)對照

注：擬建成都地鐵5號線與既有上海軌道5號線噪聲影響技術(shù)類比條件基本相似，具有可比性

通過比較分析可以得出，在噪聲水平傳播方向上，本文理論預(yù)測結(jié)果與類比工程現(xiàn)場實測結(jié)果的總體趨勢基本一致。圖1中預(yù)測值與實測值之所以存在1～3 dB的差值，是由于本文預(yù)測值沒有考慮疊加環(huán)境本底值影響所致。因此，通過比較驗證說明本文所選取的噪聲預(yù)測模型較為合理，在水平方向聲環(huán)境影響預(yù)測上具有一定的可靠性與可行性。

圖1　本文預(yù)測值與實測值對比(水平方向)

3.1.2噪聲影響傳播規(guī)律

從圖1可以看出，列車速度為80 km/h時，地面距外軌中心10 m處的預(yù)測等效連續(xù)A聲級為67.1 dB，地面30 m處的等效連續(xù)A聲級為68.3 dB，到60 m處增大到69.4 dB，而90 m處卻衰減到64.9 dB，120 m處減小至61.8 dB。從預(yù)測結(jié)果的整個趨勢可以看出，在地面距離外軌中心線水平10～60 m范圍內(nèi)，不同測點增幅為1 dB左右；而在60～120 m范圍內(nèi)，不同測點減幅為3～5 dB。類比工程既有上海軌道交通5號線的實測結(jié)果也與本次理論預(yù)測值的變化趨勢相一致。

進一步分析可知，在靠近鐵路高架橋兩側(cè)的預(yù)測斷面上，列車輻射噪聲傳播規(guī)律是隨著距離的增大而逐漸增高的，增幅較小。而當(dāng)距離增加到60 m左右時噪聲級達到頂峰，60 m以外噪聲級則隨著距離的增大而逐漸降低，且降幅相對較大。

根據(jù)聲學(xué)傳播特點，通常人們主觀上認為聲音會一直遵循著隨著距離的增大而逐漸降低的衰減規(guī)律，這種規(guī)律往往忽視了聲源垂直高度影響。城市軌道高架橋梁通常高度較高，聲源高度達10～20 m，不同于普通低路基的是在靠近高架橋兩側(cè)會形成一定面積的聲影區(qū)，而聲影區(qū)的具體范圍與高架橋梁的高度密切相關(guān)[9]。

通過理論研究及大量的實測數(shù)據(jù)表明，在橋梁兩側(cè)聲影區(qū)范圍內(nèi)，噪聲不遵循聲音傳播規(guī)律，而是隨著距離的增加而逐漸增大。而當(dāng)距離增大到超過聲影區(qū)與聲照區(qū)的過渡點時(位于聲照區(qū))，噪聲則開始隨著距離的增大而逐步降低，并且衰減量相對較大。本次預(yù)測研究對象成都地鐵5號線高架橋高度為12.8 m，地面距軌道中心線30～60 m恰好處在聲影區(qū)內(nèi)，噪聲呈現(xiàn)增大趨勢；而地面距軌道中心線60～120 m處于聲照區(qū)，噪聲呈現(xiàn)衰減趨勢。因此，本次研究對象距外軌水平地面60 m處噪聲輻射聲級達到最大。

通過對各地軌道交通經(jīng)過市區(qū)段的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果可知，經(jīng)過城市的軌道高架橋高度普遍都在12～13 m。由此可以推測在無其他條件影響的情況下，城區(qū)段受列車噪聲影響最嚴重的地段也是地面距離外軌中心線60 m處的位置，而建筑物恰好建在60 m到80 m的范圍居多。因此在對城區(qū)軌道交通噪聲采取防治措施時要考慮并注意到這一點。

3.2垂直方向不同高度受軌道噪聲影響的規(guī)律

3.2.1預(yù)測模型驗證

為驗證軌道交通沿垂直方向上理論預(yù)測結(jié)果的正確性，以擬建成都地鐵5號線理論計算為基礎(chǔ)，結(jié)合類比工程既有上海軌道交通5號線的實測值作為研究樣本。預(yù)測與類比監(jiān)測對象均選取距離高架橋水平距離38 m的一處高層住宅，周圍有圍墻，圍墻外有綠化帶環(huán)繞。選取的樓房一、二層均為商業(yè)或其他用途，3層以上為居民住宅。因此，本次研究采取由第3層開始至31層隔層預(yù)測與類比實測的方法，覆蓋面較廣，同時考慮周邊綠化帶與圍墻的繞射衰減，得出距聲源不同垂直高度處的等效連續(xù)A聲級，其預(yù)測與類比實測結(jié)果見圖2。

圖2　本文預(yù)測值與實測值對比(垂直方向)

通過比較分析可以得出，在噪聲垂直傳播方向上，本文理論預(yù)測結(jié)果與類比工程現(xiàn)場實測結(jié)果的總體趨勢基本一致。圖中預(yù)測值與實測值之所以存在1～3 dB的差值，同樣是由于本文預(yù)測值沒有考慮疊加環(huán)境本底值影響所致。因此，說明本文所選取的噪聲預(yù)測模型較為合理，在垂直方向聲環(huán)境影響預(yù)測上具有一定的可靠性與可行性。

3.2.2噪聲影響傳播規(guī)律

從圖2數(shù)據(jù)分析可以得出，所預(yù)測高層建筑靠近聲源一側(cè)各個樓層等效聲級均高于64 dB(A)，部分樓層甚至超過70 dB(A)。較低樓層噪聲影響相對較大，5～15層(距離線路垂直距離為15～45 m左右)室外空間環(huán)境噪聲值最大；而在17層以上(距離線路垂直距離50 m以上)，噪聲等效聲級隨高度的增大而緩慢降低。類比工程既有上海軌道交通5號線實測值與本次理論預(yù)測值的變化趨勢也基本吻合。

通過進一步研究可以看出，3層高度樓層噪聲預(yù)測值約65 dB(A)，較上面樓層噪聲級低5 dB(A)左右，最高噪聲級則出現(xiàn)在建筑物5層附近。究其原因主要是因為軌道交通高架橋聲源平均高度在13 m左右，敏感建筑1～3層還基本處于高架橋、行道樹及圍墻的“聲影區(qū)”[10]。5層左右的高度恰好與高架橋軌面以上聲源高度相持平，與運行列車的距離最近且聲源遠遠高出了行道樹、圍墻等的阻隔，完全處于“聲照區(qū)”范圍內(nèi)，所以噪聲影響最為嚴重區(qū)域往往出現(xiàn)在高層建筑5層樓附近。因此對臨鐵路高架橋一側(cè)的高層建筑一定要加強5層及周邊樓層的降噪防治措施，最大程度控制軌道交通噪聲對居民生活的干擾。

4結(jié)語

本文介紹了適合城市軌道交通高架線列車運營噪聲的預(yù)測模式和方法，確定預(yù)測模型與技術(shù)參數(shù)，并經(jīng)相類似工程的大量實測數(shù)據(jù)進行了驗證。在所得預(yù)測及類比實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進一步研究了列車運行聲場隨不同水平距離、不同垂直高度變化的傳播分布規(guī)律，為軌道交通兩側(cè)聲環(huán)境敏感點的噪聲防治與治理提供了具有針對性的理論依據(jù)。

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Study on the Influence of Urban Rail Noise Based on Model Prediction Method

WANG Shuai

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：In order to study the characteristics and laws of the noise on both sides of the elevated line of urban rail transit and explore prevention and control measures， the proposed urban rail project—Cheng Du Metro Line 5 is chosen as research object. Appropriate forecasting model is selected， various forecasting parameters are determined and the noise prediction results are simulated. A large number of data similar to Shang Hai Metro Line 5 effectively verify the accuracy and reliability of the simulated results. The research results show that in the horizontal direction and within the noise affected area， the noise level rises with the increase of the distance on both sides of the bridge. But in insonified zone， the noise level lowers with the increase of distance. In the vertical direction， the most serious noise area affected by the overhead line is located near 5th floor of adjacent buildings， where the noise prevention should to be reinforced．

Key words：Rail transit; Viaduct; Noise; Model prediction method; Propagation law

文章編號：1004-2954(2016)05-0152-04

收稿日期：2015-10-09； 修回日期：2015-10-26

作者簡介：王帥(1985—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)，工學(xué)碩士，主要從事鐵路噪聲環(huán)境影響評價與環(huán)保設(shè)計工作，E-mail：rockshuai007@163.com。

中圖分類號：U239.5；X820.3

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.034