基于軌道降噪的高架城市軌道交通噪聲控制

潘 鵬 劉文武

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010； 2.廣東省城市軌道交通工程建造新技術企業(yè)重點實驗室，廣州 510010)

高架城市軌道交通因建設周期短、造價低得到廣泛應用，但由此帶來的高架線沿線噪聲較大等問題成為各城市面臨的難題[1]。國內(nèi)外學者從理論研究、現(xiàn)場試驗、控制措施及工程應用等方面進行大量研究。雷曉燕等總結(jié)高架軌道橋梁誘發(fā)環(huán)境振動和噪聲問題的研究現(xiàn)狀和進展[2]；劉林芽等總結(jié)國內(nèi)外軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的輻射特性、預測方法、產(chǎn)生機理、控制措施及工程應用等方面的研究成果[3]；馮青松等歸納近些年來基于聲子晶體理論的軌道結(jié)構(gòu)振動控制、聲屏障的控制理論研究現(xiàn)狀[4]；李小珍等通過理論和試驗結(jié)合的方式分析不同軌道結(jié)構(gòu)形式下箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的頻變規(guī)律[5]。

針對既有高架線噪聲問題，一方面可采用阻尼鋼軌降噪裝置或聲屏障來治理輪軌噪聲；另一方面可通過改變道床結(jié)構(gòu)來降低橋梁結(jié)構(gòu)的二次結(jié)構(gòu)噪聲。部分學者對其進行相關研究，伍向陽通過現(xiàn)場實測，驗證全封閉聲屏障可大幅降低列車通過噪聲[6]；周紅梅采用邊界元法計算不同頂部形式近軌吸聲矮墻在不同受聲點處的降噪能力[7]；易強等通過現(xiàn)場實測，分析不同組合降噪措施下高架沿線環(huán)境噪聲的空間分布特性及其噪聲控制效果[8]；陳艷明等通過現(xiàn)場實測分析了阻尼鋼軌降噪性能[9]；尹學軍等實測鋼軌阻尼器的減振降噪效果[10]；劉興龍等對高架橋振動、噪聲進行測試與分析，研制調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對軌道高架橋梁的結(jié)構(gòu)噪聲進行控制[11]；李克飛等通過對輪軌噪聲影響因素分析，提出輪軌噪聲的防、治措施建議[12]；周力等通過有限元法分析高架橋動力吸振器降噪效果[13]；張校銘等通過現(xiàn)場測試，經(jīng)過A計權(quán)聲壓級處理得出寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌降噪效果[14]；張良濤采用有限元與邊界元相結(jié)合的方法，分析不同軌道減振措施時橋梁振動及其引起的結(jié)構(gòu)噪聲特性[15]?；谇叭说难芯砍晒?，針對高架區(qū)間沿線噪聲問題，充分考慮既有高架線特點，從軌道專業(yè)角度出發(fā)，在不影響既有設備和正常運營的前提下進行降噪方案設計。

1 工程概況

1.1 線路概況

本項目線路采用6輛編組直線電機車輛，最大軸重13 t，設計最高運行速度100 km/h，接觸軌供電。

高架區(qū)間沿線有學校1處、居民小區(qū)3處，原設計中學校段設置了聲屏障，居民小區(qū)均為線路開通后建成，距離線路100 m以外，部分段落后期改造安裝了聲屏障。該段曲線半徑400 m，另外2處居民小區(qū)段線路曲線半徑300 m。

軌道主要設備：60 kg/m U75V普通熱軋鋼軌、單趾彈簧小阻力扣件、預制板式道床、UIC33槽形鋼護軌。

1.2 軌道減振降噪措施

(1)浮置板或軌枕類減振

浮置板式軌道結(jié)構(gòu)主要有鋼彈簧浮置板、減振墊浮置板、梯形軌枕等。其主要原理是通過降低軌道支承剛度，讓部分道床或軌枕參與振動，消耗一部分能量；同時降低軌道結(jié)構(gòu)固有頻率，從而達到隔振的效果。以此降低列車運行導致的橋梁結(jié)構(gòu)振動。

道床或軌枕類措施適合在新建線路采用，由于本項目處于運營階段，無法實現(xiàn)道床改造，因此不適用。

(2)扣件類軌道減振

扣件類減振主要有浮軌(先鋒)扣件、中等減振扣件。其主要原理是通過降低軌道支承剛度，從而達到隔振的效果，同時小幅降低列車運行導致的橋梁結(jié)構(gòu)振動。由于沒有浮置板或軌枕參振，其隔振效果較差。

另外，降低鋼軌支承剛度往往會引發(fā)鋼軌波磨、嘯叫，雖然能夠降低一定的橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲，但綜合兩者，其降噪效果還有待驗證。

(3)阻尼鋼軌降噪

將阻尼板通過機械裝置及粘鋼膠粘貼、鎖定在鋼軌軌腰和軌底處，對降低輪軌噪聲有一定效果。

結(jié)合本項目特點，推薦采用阻尼鋼軌降噪裝置，設置在整個小半徑曲線，同時結(jié)合環(huán)評原則，在敏感點外延伸60 m。

2 設計方案

2.1 方案比選

(1)迷宮式阻尼鋼軌

迷宮式約束阻尼板通過巧妙的迷宮格室設計，使阻尼面積大幅超過粘貼表面積，其有阻尼層變形大、約束剛度高、阻尼比高等優(yōu)點，對阻尼材料性能的依賴性較低，見圖1。適用于輪軌噪聲較大的曲線地段，對高頻噪聲(如曲線嘯叫、制動噪聲)抑制效果更好。試驗表明，噪聲頻率越高，降噪效果越好。

圖1 迷宮式阻尼鋼軌

(2)寬頻型約束阻尼鋼軌

第二代寬頻型約束阻尼鋼軌在迷宮式約束阻尼鋼軌的基礎上增加鋼軌吸振器，其外框架采用鋁合金型材，外形美觀，鋼軌吸振器的吸振頻率可以根據(jù)波磨頻率在出廠前精確設置，實現(xiàn)對鋼軌波磨振動頻帶能量的有效吸收，外觀見圖2。產(chǎn)品安裝采用高性能膠粘貼，彈簧夾進行二次安全防護，使產(chǎn)品安裝后安全可靠。由于增加鋼軌吸振器，在高架線路上的降噪性能可達到3～5 dB(A)。

圖2 寬頻型約束阻尼鋼軌

(3)鋼軌吸振器

鋼軌吸振器結(jié)構(gòu)形式是：采用特制的彈性金屬卡夾，將鋼軌減振器(TRD)緊密吻合地安裝在鋼軌兩側(cè)的軌腰上面，以避免發(fā)生剝離脫落現(xiàn)象。其中，TRD由高阻尼彈性體和彈性體內(nèi)按確定幾何和物理特性要求設置的質(zhì)量體組成，構(gòu)成一個阻尼性質(zhì)量-彈簧減振系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提高鋼軌系統(tǒng)阻尼，降低鋼軌振動平均能量水平，抑制輪軌間振動能量在鋼軌傳播，具有寬頻帶減振效果，并能減小鋼軌波磨，提高行車平順性，從而達到控制振動影響的目的。

(4)小結(jié)

3種阻尼鋼軌降噪方案對比見表1。

表1 阻尼鋼軌降噪方案對比

由表1可知，寬頻型約束阻尼鋼軌性能優(yōu)于迷宮式阻尼鋼軌，且兼具減緩波磨、降噪和減振的性能。而鋼軌吸振器僅能減緩波磨速率，不具備降噪性能。

綜合對比以上3種方案，寬頻型約束阻尼鋼軌降噪性能、綜合性價比最優(yōu)，推薦采用寬頻型約束阻尼鋼軌。

2.2 降噪效果目標

以同一線路、同一地段安裝本裝置前后相同測點處列車通過時段A計權(quán)噪聲級的差值作為降噪效果的評價依據(jù)，降噪效果均應不低于3 dB(A)。具體測點要求如下。

(1)軌道中心線外7.5 m，高于軌面5 m(參照HJ 453—2018《環(huán)境影響評價技術導則-城市軌道交通》)。

(2)軌道中心線外30 m，高于軌面1.2 m(參照GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》)。

2.3 安裝方案

結(jié)合聲屏障設置范圍及現(xiàn)場條件，阻尼鋼軌安裝方案如下。

(1)第一階段

為進行阻尼鋼軌安裝工藝試驗及彈簧夾受直線電機吸力影響試驗，在本線車輛基地試車線中部進行阻尼鋼軌安裝試驗，安裝長度為50 m。

(2)第二階段

在居民小區(qū)某段(雙線)安裝阻尼鋼軌，參照聲屏障設置阻尼鋼軌范圍，包含整個小半徑曲線，單線長度為728.15 m。待取得測試驗證后，若阻尼鋼軌降噪效果≤3 dB(A)，再開展第三階段改造。

(3)第三階段

根據(jù)第二階段實測結(jié)果，若阻尼鋼軌達到預期效果，則開展第三階段工作。設置在整個小半徑曲線，同時結(jié)合環(huán)評原則，在敏感點外延伸60 m，單線長度915.38 m。

3 測試方案及結(jié)果分析

3.1 測試目的

針對本項目高架區(qū)間曲線段，通過現(xiàn)場振動與噪聲測試，評價列車通過敏感區(qū)域時該路段阻尼鋼軌的減振降噪效果。

3.2 測試斷面

為對阻尼鋼軌安裝后的效果進行跟蹤，除進行安裝前后的振動、噪聲測試外，在上線使用半年后，還進行跟蹤測試。

其中，對居民小區(qū)某斷面進行3次測試。

(1)第1次，測試安裝阻尼鋼軌前振動、噪聲；

(2)第2次，測試安裝阻尼鋼軌后振動、噪聲；

(3)第3次，測試阻尼鋼軌運營半年后振動、噪聲。

3.3 測點布置

(1)振動測點位于鋼軌(左右股)、道床板(中心)、橋面板(左右側(cè))、橋下地面，見圖3。

(2)噪聲測點包括距線路中心S1-7.5 m(參照HJ 453—2018《環(huán)境影響評價技術導則-城市軌道交通》，軌面以上5 m)、S2-30 m(軌面以上1.2 m)(參照GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》)測點，見圖4。

圖3 振動測點布置

圖4 噪聲測點布置(單位：m)

同時，在靠近高架線路側(cè)窗戶或陽臺設置測點，共3個測點。

3.4 測試結(jié)果

(1)進行全天振動測試，抽取20次列車的振動加速度時程曲線，進行Z振級(垂向)分析，各點振動級見表2。

表2 振動測試結(jié)果 dB

根據(jù)本項目要求，該敏感點距線路超過100 m，軌道交通振動不會對其產(chǎn)生影響，故不進行振動影響評價。

(2)進行早高峰(6：22～9：22)、晚高峰(16：06～19：06)、夜間(22：00～23：00)3個時段連續(xù)測試，得到連續(xù)等效噪聲；抽取其中列車通過時段的數(shù)據(jù)進行噪聲級分析得到列車通過時段的等效噪聲；隨機選取20 min左右數(shù)據(jù)，剔除地鐵列車通過時段的噪聲數(shù)據(jù)，計算等效聲級，得到背景噪聲，見表3。

測試結(jié)果表明，鋪設阻尼鋼軌后，居民小區(qū)對應地段距離線路中心7.5 m處，列車通過時段噪聲為66.4～68.5 dB(A)，平均降低3 dB(A)；距離線路中心30 m處，列車通過時段噪聲為64.5～66.9 dB(A)，平均降低3.1 dB(A)。經(jīng)過半年運行后，沿線噪聲與半年前(剛鋪設阻尼鋼軌時)相比變化不大。

表3 噪聲測試結(jié)果 dB(A)

4 結(jié)論及建議

(1)距離線路中心7.5 m處，列車通過時段噪聲平均降低3 dB(A)；距離線路中心30 m處，列車通過時段噪聲平均降低3.1 dB(A)，基本滿足降噪效果不低于3 dB(A)的要求。

(2)軌道交通高架線聲源復雜，整治難度大，需多專業(yè)協(xié)同配合， 軌道專業(yè)只能實現(xiàn)一定程度的降噪，故有必要從車輛、聲屏障、橋梁結(jié)構(gòu)等相關專業(yè)開展綜合整治研究。