城市軌道交通近軌吸聲矮墻的設(shè)計(jì)研究

朱萬(wàn)旭,高逸豪,周紅梅,3,張瑞東

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西柳州 545006； 2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004； 3.柳州漢西鳴建材發(fā)展有限公司,廣西柳州 545006)

目前我國(guó)正處于城市軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展的時(shí)期，截止2015年末，我國(guó)累計(jì)有26個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路116條，運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度3 618 km，預(yù)計(jì)到2020年，將有約50個(gè)城市擁有城市軌道交通，總里程將達(dá)到6 000 km。然而，隨之帶來(lái)的噪聲污染問(wèn)題也更加嚴(yán)重，對(duì)人們的健康、生活與工作帶來(lái)很多負(fù)面影響。

目前的軌道交通降噪措施，按其基本原理可以大致劃分為兩類[1]。一是主動(dòng)降噪，即降低輪軌振動(dòng)，減少噪聲源產(chǎn)生的噪聲，其主要方式有：(1)對(duì)鋼軌和車輪進(jìn)行打磨，鋪設(shè)無(wú)縫鋼軌；(2)對(duì)車輪進(jìn)行形狀優(yōu)化和阻尼處理；(3)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如采用軌道減振器、減振扣件，使用新型的浮置板式軌道等。二是被動(dòng)降噪，即在噪聲傳播的途徑和接受處對(duì)于噪聲進(jìn)行削弱，其主要方式有：(1)在軌道沿線布置聲屏障；(2)在道床上鋪設(shè)軌道吸音板；(3)為受保護(hù)區(qū)房屋安裝隔聲窗和隔聲墻。

由于主動(dòng)降噪涉及到整個(gè)列車及鋼軌制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新，雖然我國(guó)在主動(dòng)降噪方面的研究也日益成熟，但鑒于目前我國(guó)現(xiàn)有的工業(yè)發(fā)展水平和現(xiàn)有的城市規(guī)劃布局，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的輪軌體系升級(jí)，故以被動(dòng)降噪來(lái)減少降低軌道交通噪聲在我國(guó)仍是十分經(jīng)濟(jì)有效的方式，其中聲屏障技術(shù)在我國(guó)被廣泛使用。

我國(guó)目前使用的聲屏障通常高度大于3 m，雖然能有效地降低列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的噪聲，但是同樣帶來(lái)了一些不便。國(guó)外早在20世紀(jì)對(duì)于傳統(tǒng)聲屏障的缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)：一是車內(nèi)乘客和沿線居民的視線被高大的聲屏障所遮擋，高大的屏障使人產(chǎn)生不必要的心理壓力，破壞了沿路的景觀；二是由于考慮到行車安全，通常聲屏障需要設(shè)置在距離鐵路中線較遠(yuǎn)的地方，占用了鐵路沿線過(guò)多的空間，并且其本身體積較大，生產(chǎn)安裝維護(hù)需要消耗的人力物力也會(huì)更多，增加了鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)的成本[2]。

基于解決上述聲屏障的缺點(diǎn)，20世紀(jì)90年代末，歐洲許多國(guó)家先后開(kāi)始研究發(fā)明了近軌吸聲矮墻，在某些鐵路試點(diǎn)替代傳統(tǒng)聲屏障作為控制軌道噪聲的手段[3]。而后，歐、美、日、韓各國(guó)也對(duì)于近軌吸聲矮墻進(jìn)行了研究和應(yīng)用，經(jīng)過(guò)各國(guó)的研究測(cè)試證明，近軌吸聲矮墻的降噪量可以達(dá)到5～12 dB(A)[4]。

我國(guó)目前對(duì)于近軌吸聲矮墻的研究還非常少，該技術(shù)還尚未在我國(guó)進(jìn)行推廣，而國(guó)外的吸聲矮墻制造商尚未透露設(shè)計(jì)該產(chǎn)品的相關(guān)流程和具體參考標(biāo)準(zhǔn)。本文將參考國(guó)外已知的近軌吸聲矮墻的各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)我國(guó)的相關(guān)鐵路法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為國(guó)內(nèi)今后在實(shí)際工程中研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近軌吸聲矮墻提供參考。

1 城市軌道交通噪聲的分析

軌道交通由固定的軌道和運(yùn)動(dòng)于軌道上的輸送系統(tǒng)組成，按照不同的噪聲產(chǎn)生部位，通常將軌道噪聲做如下劃分。

(1)輪軌噪聲。由于鋼軌與車輪之間的相互作用，造成車輪和軌道振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，又分為滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲以及曲線高頻噪聲，主要以中低頻成分為主。

(2)牽引動(dòng)力噪聲。主要來(lái)自牽引電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱等動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)包括架空接觸網(wǎng)與集電弓之間產(chǎn)生的摩擦噪聲。

(3)制動(dòng)噪聲。列車制動(dòng)時(shí)，閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦振動(dòng)激發(fā)制動(dòng)閘瓦片、閘托架以及制動(dòng)盤等產(chǎn)生振動(dòng)輻射而產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)制動(dòng)懸掛連件之間的間隙在運(yùn)行中互相撞擊也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

(4)氣動(dòng)噪聲。車輛運(yùn)行時(shí)，氣流黏滯性在車輛表面引起附面層壓力的變化，激發(fā)表面振動(dòng)，產(chǎn)生氣流旋渦和摩擦沖擊而形成的高頻噪聲。

(5)軌道結(jié)構(gòu)噪聲。車輛通過(guò)高架、地下隧道或者線路上部建筑物時(shí)，由于輪軌表面相互作用產(chǎn)生振動(dòng)，并通過(guò)軌道、橋梁、地基等傳遞能量，從而導(dǎo)致橋梁、地下結(jié)構(gòu)、附近建筑物的振動(dòng)而產(chǎn)生的低頻噪聲。

研究表明，我國(guó)城市軌道交通速度通常在60～80 km/h，此時(shí)噪聲的主要來(lái)源是輪軌噪聲，噪聲源位于列車下部的輪軌接觸面附近。經(jīng)過(guò)大量研究和測(cè)試，得到我國(guó)城市軌道交通噪聲的頻譜特性，見(jiàn)圖1。噪聲主要峰值分布在1 000 Hz以下，而目前我國(guó)城軌線路中占比最多的為高架線路，其噪聲峰值位于500～800 Hz之間[5]。

圖1 我國(guó)城市軌道噪聲地面線與高架線的頻率特性

2 近軌吸聲矮墻的設(shè)計(jì)依據(jù)及材料選擇

2.1 近軌吸聲矮墻降噪原理

當(dāng)噪聲源發(fā)出的聲波遇到障礙物時(shí)，將沿著3條路徑傳播。

(1)繞射：噪聲越過(guò)障礙物頂部繞射到達(dá)受聲點(diǎn)，直達(dá)聲與繞射聲之間的聲級(jí)之差，稱之為繞射聲衰減，用ΔLd表示，其大小隨著繞射角θ的增大而增加[6]。

由于吸聲矮墻的長(zhǎng)度比高度大得多，兩端的繞射可被忽略，此時(shí)只考慮頂端繞射。如圖2所示，圖中陰影部分被稱作聲影區(qū)，此處為繞射聲級(jí)較低的區(qū)域。由圖2可以看出，聲影區(qū)的面積、繞射角θ的大小與障礙物的高度成正比，與障礙物距離聲源的距離成反比。因此，通過(guò)在近聲源處通過(guò)吸聲矮墻來(lái)降低頂部繞射聲的大小是可行的。

圖2 聲波繞射路徑

(2)透射：噪聲透過(guò)障礙物播到受聲點(diǎn)，透射聲會(huì)對(duì)吸聲矮墻的降噪能力造成不利的影響。當(dāng)隔聲量大于繞射聲損失10 dB時(shí)，透射聲對(duì)衰減量的影響小于0.5 dB，可忽略不計(jì)[7]。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證矮墻的隔聲量大于其預(yù)期噪聲衰減量15～20 dB。

(3)反射：噪聲遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，當(dāng)受聲點(diǎn)一側(cè)同樣存在平行的障礙物時(shí)，聲波將多次反射，并繞過(guò)障礙物頂部到達(dá)受聲點(diǎn)。由于吸聲矮墻靠近軌道，噪聲不可以避免地會(huì)在矮墻與車身之間多次反射。因此，在設(shè)計(jì)矮墻時(shí)需要保證其材料具有良好的吸聲性能。

2.2 吸聲矮墻的材料

目前使用較為廣泛的吸聲材料中，微穿孔板吸聲頻帶較窄，橡膠有機(jī)類材料易燃，礦棉類無(wú)機(jī)纖維材料難施工，鋁纖維金屬板造價(jià)較高。以工業(yè)廢渣為主要原料制作的陶粒混凝土，造價(jià)低廉、質(zhì)輕、耐腐蝕、耐火，其內(nèi)部特征呈細(xì)密蜂窩微孔狀，是適合在城市軌道交通中大力推廣的綠色吸聲材料。

在前期研究中，廣西科技大學(xué)李建立等人用陶粒作為骨料，普通硅酸鹽水泥作為粘結(jié)劑，加以聚丙烯纖維、外加劑制成陶?；炷粒栽撎樟；炷翞樵牧现瞥傻能壍牢舭褰?jīng)國(guó)家建筑質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，吸聲性能等級(jí)達(dá)到了I級(jí)[8-12]，該材料的混響室吸聲系數(shù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 自研陶粒混凝土各頻率吸聲系數(shù)

對(duì)比圖1和圖3，初步認(rèn)為，該陶?；炷恋奈曄禂?shù)頻率分布與我國(guó)城軌噪聲頻率分布有大量重疊部分，且其吸聲系數(shù)最大值剛好位于我國(guó)城軌噪聲峰值頻段區(qū)域，采用該陶?；炷翞樵牧希O(shè)計(jì)近軌吸聲矮墻是可行的，該材料的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 陶粒混凝土產(chǎn)品的配合比

表2 陶?；炷廉a(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)

3 近軌吸聲矮墻的設(shè)計(jì)

3.1 國(guó)外吸聲矮墻的相關(guān)設(shè)計(jì)

瑞士聯(lián)邦鐵路局在國(guó)際鐵路聯(lián)盟會(huì)議上對(duì)于歐洲不同種類的軌道吸聲矮墻進(jìn)行了介紹和總結(jié)[13]：歐洲的軌道吸聲矮墻通常高出軌面0.5～0.85 m，安裝在距軌道中心線水平位置1.7～1.8 m，見(jiàn)表3。

表3 國(guó)外吸聲矮墻設(shè)計(jì)參數(shù)

注：高度均為吸聲矮墻頂部高于軌面的高度，位置為吸聲矮墻內(nèi)側(cè)表面距離軌道中心線水平距離。

3.2 近軌吸聲矮墻的高度設(shè)計(jì)

軌道吸聲矮墻的高度設(shè)計(jì)原則是：需要在最大化減少對(duì)于兩側(cè)視線的遮擋的前提下，盡可能地提高其降噪性能。吸聲矮墻的設(shè)計(jì)高度h由兩部分組成，見(jiàn)式(1)。

h=h′+h″

(1)

式中，h′為吸聲矮墻的有效高度，mm；h″為鋼軌的高度，mm。

以我國(guó)目前城市軌道交通中使用最多的城市地鐵為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，目前我國(guó)地鐵的車輛按車型分為A、B、C三類，其相關(guān)尺寸參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 我國(guó)地鐵各類車型的相關(guān)技術(shù)規(guī)格

由于軌道吸聲矮墻需安放在靠近列車車身的位置，為了應(yīng)對(duì)列車運(yùn)行中可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，比如需要進(jìn)行停車和乘客疏散，如果此時(shí)軌道邊矮墻的高度過(guò)高，將會(huì)成為車內(nèi)人員逃生的障礙，這也是傳統(tǒng)聲屏障的一大弊端，因此矮墻的設(shè)計(jì)高度不應(yīng)超過(guò)列車地板高度，即1.10 m。而為了保證對(duì)于輪軌噪聲的屏蔽能力，吸聲矮墻的高度應(yīng)該盡可能地遮擋住車輪，因此吸聲矮墻的有效高度h′最好高出軌面0.84～1.10 m。

根據(jù)我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)及《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ08—109—2004)中關(guān)于鋼軌的規(guī)定，我國(guó)城市軌道大多采用60 kg/m鋼軌，其鋼軌高度h″為176 mm[14-15]。

3.3 近軌吸聲矮墻的位置設(shè)計(jì)

為了確保列車在軌道線路上運(yùn)行的安全，防止列車在運(yùn)行過(guò)程中與近軌吸聲矮墻發(fā)生碰撞，在設(shè)計(jì)吸聲矮墻時(shí)需要考慮我國(guó)相關(guān)限界標(biāo)準(zhǔn)，在保證安全的前提下盡可能使矮墻靠近軌道，從而提高其降噪能力。從表4中可以得到，A型車為我國(guó)目前城軌交通中最寬的地鐵車型，因此以A型車的限界參數(shù)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，根據(jù)我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)附錄A中得到A型車隧道外直線區(qū)間的車輛輪廓線、車輛限界、設(shè)備限界，見(jiàn)圖4。

圖4 A型車車輛輪廓、車輛限界和設(shè)備限界(隧道外直線區(qū)間)

圖4中一共有三層限界，由內(nèi)而外依次是車輛輪廓線、車輛限界和設(shè)備限界，本文以設(shè)備限界作為矮墻安裝位置的控制線，圖4中設(shè)備限界上三個(gè)節(jié)點(diǎn)7″、8″、9″，其各自的限界坐標(biāo)值見(jiàn)表5。

表5 設(shè)備限界坐標(biāo)值(高架或地面直線段)

注：X坐標(biāo)軸的0點(diǎn)為軌道中心線，Y坐標(biāo)軸的0點(diǎn)為軌道頂面。

結(jié)合上節(jié)結(jié)論，即軌邊矮墻有效高度范圍在高出軌面0.84～1.10 m，并且考慮矮墻安裝位置需與設(shè)備限界保持100 mm的安全距離，用內(nèi)插法得到近軌吸聲矮墻安裝位置x的表達(dá)式如下。

(2)

式中，x為吸聲矮墻距離軌道中心線的距離，mm；h′為吸聲矮墻的有效高度，mm。

3.4 近軌吸聲矮墻的聲學(xué)厚度設(shè)計(jì)

吸聲矮墻的厚度決定了其隔聲性能，故合理地確定其厚度，可以有效降低透射聲對(duì)于矮墻降噪性能的影響。利用質(zhì)量定律中的隔聲量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于單層均質(zhì)材料而言，其隔聲量為

TL=14.5lg(Mf)-26

(3)

式中，TL為材料的隔聲量，dB(A)；M為材料的面密度，kg/m2；f為噪聲頻率，Hz。

前文已經(jīng)提到，在設(shè)計(jì)吸聲矮墻時(shí)，為了忽略隔聲量對(duì)于降噪性能的影響，需要使吸聲矮墻的隔聲量TL超過(guò)其繞射聲ΔLd=10 dB(A)，因此推導(dǎo)出吸聲矮墻滿足隔聲量要求的厚度

(4)

式中，ρ為材料的體積密度，kg/m3；ΔLd為吸聲矮墻的繞射損失，dB(A)。

研究和實(shí)測(cè)表明[16]，理論上的屏障類降噪產(chǎn)品可以達(dá)到的噪聲衰減很難超過(guò)20 dB(A)，當(dāng)忽略隔聲量的影響時(shí)，此時(shí)的噪聲衰減量即為其繞射聲損失，即ΔLd=20 dB(A)。根據(jù)式(3)可以推出材料的隔聲量隨噪聲的頻率成正比，因此只需要保證較低頻的隔聲量滿足設(shè)計(jì)要求，目前我國(guó)對(duì)于聲屏障構(gòu)件隔聲量測(cè)量的頻率最小值為100 Hz。

綜上所述，取ΔLd=20 dB(A)，ρ=1 000 kg/m3，f=100 Hz，將其代入(4)式，求得吸聲矮墻的最小聲學(xué)厚度

d≥0.072 m

3.5 近軌吸聲矮墻的初步設(shè)計(jì)方案

(1)參考表3中國(guó)外吸聲矮墻的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，直立式吸聲矮墻構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，適合作為初期設(shè)計(jì)研究吸聲矮墻外觀的首選方案。

(2)根據(jù)式(1)，取h′=0.84 m，即矮墻高度為：h=0.84+0.176=1.016 m=1 016 mm。

(3)又將h′=0.84 m代入式(2)，得到矮墻的安裝位置：x=1 663 mm。

(4)參考上述關(guān)于矮墻聲學(xué)厚度的最小要求，考慮到經(jīng)濟(jì)和運(yùn)輸成本，取吸聲矮墻總厚度為140 mm；安裝方式參考目前國(guó)內(nèi)較為普遍的非金屬聲屏障，使用兩側(cè)金屬H型鋼固定，將吸聲矮墻設(shè)計(jì)為直立插板式，每塊單元板長(zhǎng)度取1 960 mm，寬度取508 mm，見(jiàn)圖5，并參考相關(guān)文獻(xiàn)，證明該設(shè)計(jì)力學(xué)性能滿足要求[17]。

圖5 近軌吸聲矮墻單元板平面尺寸(單位：mm)

4 近軌吸聲矮墻降噪效果的初步預(yù)測(cè)

4.1 近軌吸聲矮墻的總降噪量

近軌吸聲矮墻的降噪量用插入損失IL來(lái)表示，其定義是保持噪聲源、地形、環(huán)境和背景噪聲一定的情況下，安裝近軌吸聲矮墻前后受保護(hù)點(diǎn)的聲壓級(jí)之差，其表達(dá)式如下

IL=ΔLd-ΔLt-ΔLr-(ΔLs，ΔLG)max

(5)

式中，ΔLd為吸聲矮墻的繞射聲損失，dB(A)；ΔLt為吸聲矮墻的透射聲損失，dB(A)；ΔLr為吸聲矮墻的反射聲損失，dB(A)；ΔLs為地面障礙物衰減，dB(A)；ΔLG為地面吸收衰減，dB(A)。

結(jié)合陶?；炷廖暟珘Φ脑O(shè)計(jì)和材料特性，公式(5)中，當(dāng)ΔLt大于繞射聲衰減10 dB(A)時(shí)可以忽略，ΔLr在材料降噪系數(shù)NRC>0.5時(shí)，可以忽略，ΔLs與ΔLG在設(shè)立吸聲矮墻后同樣可以忽略其影響，因此可以大致認(rèn)為吸聲矮墻的插入損失為其繞射聲損失，即

IL≈ΔLd

(6)

4.2 軌道交通噪聲繞射衰減

將輪軌噪聲視作無(wú)限長(zhǎng)不相干線聲源，吸聲矮墻視作無(wú)限長(zhǎng)屏障，其繞射聲損失可由式(7)求得[18]

(7)

式中，δ為聲程差，δ=A+B-C，m；f為噪聲頻率，Hz；c為聲速，m/s。

由式(7)可以看出，聲程差δ越大，軌道吸聲矮墻的降噪能力越好。我國(guó)目前的城市軌道交通地面線主要為高架和路堤式地面線為主，以路堤式軌道為例，查規(guī)范[14]中關(guān)于道床高度的規(guī)定，選取道床高度為1 m；假定受聲點(diǎn)為行人，取其水平高度為1.6 m；參照?qǐng)D6，有

h1=0.84 m，l1=1.66 m，

h2=1+0.176+0.84-1.6=0.416 m

圖6 繞射聲衰減聲程差示意

根據(jù)圖6與式(7)，在Excel中利用其函數(shù)功能分別計(jì)算受聲點(diǎn)距離軌道中心l2為7.5 m時(shí)的繞射聲損失，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 受聲點(diǎn)距離軌道中線7.5 m時(shí)的繞射聲衰減

5 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)我國(guó)城市軌道交通列車速度可知，城市軌道交通噪聲多以輪軌噪聲為主，利用近軌吸聲矮墻靠近噪聲源來(lái)屏蔽輪軌噪聲，具有可靠的理論依據(jù)。

(2)課題組前期研究的環(huán)保型陶?；炷廖暡牧?，已經(jīng)用于生產(chǎn)軌道吸聲板，并且取得了不錯(cuò)的效果。該材料的各頻段吸聲系數(shù)與我國(guó)城市軌道交通噪聲的頻率特性基本吻合，用該材料設(shè)計(jì)軌道吸聲矮墻，是可行的。

(3)根據(jù)我國(guó)地鐵的相關(guān)參數(shù)和規(guī)范，對(duì)于軌道吸聲矮墻的高度、位置、最小聲學(xué)厚度進(jìn)行了研究和探討，并且得到了相關(guān)公式，以供后期設(shè)計(jì)和優(yōu)化參考。

(4)擬設(shè)計(jì)的直立插板式近軌吸聲矮墻，通過(guò)現(xiàn)有的衰減模型公式，在500～1 000 Hz頻段具有10 dB(A)左右的理論噪聲衰減能力。