軌道交通系統誘發環境問題及其防控對策研究

徐新玉

(蘇州大學，江蘇 蘇州 215131)

1 蘇州軌道交通一號線工程概況

根據規劃，到2020年，蘇州軌道交通共規劃7條線路，總長276 km，到2030年，共規劃10條線路，總長482 km。國家近期批準建設的有4條，共計166.2 km。

蘇州軌道交通一號線是一條東西走向的骨干線路，全長25.739 km，穿過京杭運河、外城河與金雞湖，橫跨蘇州6個區。全線設24個地下車站，其中換乘站4處。設天平車輛段與綜合基地1處，設蘇州樂園和星塘街2座變電站，控制中心則設在廣濟南路站。2007年12月26日正式動工，2012年4月28日通車，使蘇州成為國內第一個開通地鐵的地級市。

2 軌道交通系統誘發的主要環境問題

2.1 噪聲

1)噪聲的產生與傳播機理

軌道交通噪聲主要包括列車運行時輪軌接觸噪聲、車輛非動力系統噪聲(車輛的空壓機、空調機、電動機等)，牽引動力噪聲、接觸網與受電弓之間產生的摩擦噪聲、地下鐵道的地面承載噪聲以及橋梁結構的二次振動引起的輻射噪聲等，城市軌道交通產生的噪聲是上述噪聲的綜合效果，并且受列車運行狀態和軌道設備狀態的影響。其中以輪軌接觸噪聲尤為突出，它有三種類型:一是轟鳴噪聲(或滾動噪聲)，是由于車輪踏面和鋼軌表面粗糙、凹凸不平和鋼軌表面疤痕等原因造成的;車輛在鋼軌上運行不是單純的滾動，而是滾動的同時在極小的范圍產生跳動，輪軌間出現一定沖擊，使鋼軌與車輪產生強迫振動而發出的噪聲。二是沖擊噪聲，是車輪或鋼軌表面的局部不連續所產生的。當車輪通過鋼軌接頭、道岔、車輪踏面擦傷和剝離在鋼軌上運行時由于沖擊而產生的噪聲。三是摩擦噪聲(或尖嘯聲)，車輛通過小半徑曲線和道岔時產生的頻率較高的刺耳的“吱吱”聲。在曲線區段，盡管車輪踏面有一定錐度，車輛仍然不能以純滾動運行，要產生局部的橫向蠕動，即所謂“卡滯—滑動效應”，結合車輪和軌道的振動響應，從而形成一種高音調強烈刺耳的尖嘯聲。

了解噪聲源(即噪聲的發源地)、途徑(即噪聲是如何進行傳送的)、接受點(即聽見噪聲的人所處的位置)就可以有針對性地尋求降低噪聲的措施和途徑，對現存噪聲進行防護，最大限度地減少對人體造成的損害。

2)噪聲源強

蘇州軌道交通一號線營運期間，列車通過時產生的噪聲和路邊噪聲疊加，對沿線環境將產生較大影響;地下線路隧道出入口的噪聲以及風亭噪聲將影響局部聲環境;其它還有車輛段和變電所噪聲等。各類噪聲源強見表1和表2。

另外，各種施工機械、運輸車輛等將形成較強的噪聲源，聲級可達76～90 dB(A)，在居民住宅集中區、學校等噪聲敏感區施工時，都會產生噪聲污染。

表1 列車在不同運營期周期等效聲級

表2 風亭及變電所噪聲源強

2.2 振動

1)振動的產生與傳播機理

軌道交通振動主要是由車輪與鋼軌的相互作用而產生，行駛中的列車。通過輪軌接觸點引起鋼軌周期性的上下振動，再從道床傳入地面，這是軌道的一種基本振動;當車輪經過鋼軌接縫處或鋼軌表面出現磨損時，車輪撞擊這些不連續部位就會在垂直速度上產生瞬時變化，這一變化可導致輪軌接觸點激發出巨大的力，從而激勵車輛和鋼軌振動，這是一種沖擊振動。軌道交通列車在地下行駛時，將會引起隧道振動，這種振動能通過地下土壤傳送到軌道交通附近的建筑物內，將再次引起結構物的振動(如圖1所示)。這種振動干擾不僅對地鐵沿線民宅、學校和醫院產生不良影響，而且可能對沿線基礎較差的建筑物造成損害。

振動波在土介質中的傳遞過程，其作用機理及傳播特性與地震基本相同。這些振動波遇到自由界面時，在一定條件下重新組合，形成一種彈性表面波，隨著離振源距離的不同，它們之間的能量也在改變。地面段的地表振動是列車行駛時輪軌相互撞擊產生振動的直接結果。輪軌撞擊以振動的方式傳向道床，再經道床傳向大地。列車行駛在高架橋上，輪軌撞擊造成的振動向軌枕、道床及各種構件傳遞振動能量，從而激發跨梁和墩臺也發生振動，并通過橋墩引起地表振動向外傳播。

圖1 地鐵振動產生與傳播示意

2)振動源強

隧道振動的強弱主要取決于隧道的結構與重量、行車速度、輪軌表面磨損程度及隧道周圍的地層狀況。據調查，隧道加重一倍，其振動可減小5 dB;車輪表面磨損嚴重時，能使隧道振動增加10 dB，并使高頻振動成分增加。經測試，隧道底面的最大振動級發生在250 Hz附近，由于隧道周圍地層對高頻振動的吸收，所測得的地表振動頻率以63.5hz為最高。

蘇州地鐵軌下振動源強類比國內已建成地鐵振動源強給出(見表3)。地下線在車速為45 km/h，距線路1 m處Z振級為85 dB;地面線在碎石道床條件下，車速為45m/h，距線路1 m處Z振級為100 dB。

2.3 電磁輻射

蘇州軌道交通一號線電磁輻射發生源分為固定污染源、流動污染源和通信系統電磁輻射污染源。

1)固定污染源

固定污染源主要是蘇州樂園站和星明街站附近的兩座主變電站(110 kV/35 kV)。

2)流動污染源

表3 國內主要城市地鐵列車運行振動源強

列車受電弓在接觸網的導線上滑動時，由于接觸電阻的變化產生電平相對穩定的頻帶很寬的無線電干擾電波;由分離開的一系列脈沖產生連續噪聲，該脈沖系列的出現是隨機的，其周期也有長有短，這類噪聲是在一般正常運行速度下產生的，此類成份隨速度的提高而增加;因振動或接觸導線有不光滑的地方，滑板和接觸導線之間經常出現部分接觸不良并形成火花放電，產生孤立的脈沖干擾電波。滑板與接觸導線間的射頻干擾電流沿接觸網傳播并向空間輻射，其電磁輻射的影響將隨列車的運動、其地點變換和時間而變化。

3)通信系統電磁輻射污染源

蘇州軌道交通一號線無線通信系統對周圍環境的電磁輻射污染影響主要是450～460mHz或806～821 MHz頻段、150/280mHz頻段和900mHz/1 800mHz頻段的電磁波輻射。

2.4 景觀環境

蘇州市是著名的歷史文化名城和國家重點旅游城市，其建筑物具有鮮明的江南水鄉特色。蘇州古城坐落在水網之中，街道依河而建，水陸并行，建筑臨水而造，前巷后河，小巧秀美，形成“小橋、流水、人家”的獨特風貌。如何將散布于城市中的車站和風亭等建筑物，尤其是建于公園等旅游點和風景點附近的建筑物和周圍景觀和諧地統一起來，也是本工程的主要環境問題之一。地鐵風亭、聲屏障等建筑物如設計不當，將造成景觀障礙，從另一個角度看，若這些建筑物的設計能反映蘇州江南水鄉的風俗民情特點，將建筑物融入所處環境中，亦能形成新的城市景觀小品，起到美化城市的效果。

3 主要環境問題防控對策

3.1 噪聲污染防治措施

降低噪聲、減小振動主要是通過衰減振源、避免結構共振、隔離傳播途徑、吸聲等方法進行，應根據不同的防治目標確定最佳的防治措施。

3.1.1 聲源治理措施

對于軌道交通系統來說線路防振降噪和機車防振降噪兩個方面是有一定限度的，從振源及聲源進行控制是根本途徑。為此，蘇州軌道交通一號線從規劃設計上著手，采取了下列控制聲源的措施。全線正線、出入段線、試車線鋪設無縫線路，可有效降低列車運行噪聲源強。在風亭風機的風道中設置片式消聲器，平均降噪量按20～25 dB設計，風亭口排放噪聲按《城市區域環境噪聲標準》控制;選用低噪聲冷卻塔，風口朝向背離敏感建筑。合理布置車輛段的高噪聲設備和車間的位置，并采取必要的消聲減振措施。

3.1.2 設置聲屏障

城市軌道交通噪聲傳播的主要媒介是空氣。控制噪聲傳播途徑的基本原理是在噪聲傳播過程中，在聲源和接受點之間設置聲屏障，可明顯干涉聲波傳播，避免聲直達，使受聲點只接受透射聲和繞射聲，并可利用屏障本身所具有的吸音性能在傳播途徑中消耗聲能量，以降低接受點的聲能強度。

根據環評報告所確定的噪聲敏感區，蘇州軌道交通一號線聲屏障設計范圍為靈天路至車輛段兩側以及試車線西側的居民樓。結合沿線的敏感建筑物高度、距離線路的位置、列車聲源的位置及噪聲標準要求，采用直立式全封閉聲屏障。其中5.5m高的聲屏障，從下部往上3.0～4.0m部分設置為透明部分，其余為吸聲板，頂部為透明耐力板(抗紫外線聚碳酸酯板)。聲屏障吸聲部分采用波浪型吸聲板，顏色和周圍環境相協調，使軌道交通噪聲聲源通過聲屏障兩側端輻射或繞射至受聲點的聲級值比通過聲屏障頂端繞射后到達受聲點的聲級值低10 dB(A)以上。根據有關部門測量結果，蘇州一號線投入運行后，敏感地段噪聲都沒有超標。

3.2 振動污染防治措施

3.2.1 振動源減緩措施

蘇州軌道交通一號線設計針對軌道的振動源、振動路徑采取了減振及隔振處理，使列車在運行中引起的振動得到有效的衰減，滿足環保要求，體現了地鐵“以人為本”的設計理念。①鋼軌接頭是產生輪軌沖擊的主要因素之一，全線正線、出入段線、試車線采用重型鋼軌無縫線路和雙層橡膠墊板的彈性分開式扣件，以減少輪軌間的沖擊，起到減振、減噪的作用，可以達到一定減振效果。②為減小梁軌作用力，在梁端，扣件的軌下墊板采用復合膠板;在梁中部，扣件的軌下墊板采用普通橡膠墊板。③根據環保要求，采取分級減振措施。一般減振地段(減振要求＜5 dB)采用彈性減振扣件，較高減振地段(減振要求＜10 dB)采用軌道減振器扣件減振。④控制軌道不平順是降低輪軌之間振動與噪聲的有效措施，加強軌道不平順管理，制定嚴格的養護維修計劃，定期對鋼軌頂面不平度進行打磨、車輪鏇圓，使軌面平順，輪軌接觸良好，以減少振動和噪聲。測試結果表明:鋼軌打磨后，在振動頻率為8～100 Hz范圍內，振動水平下降4～8 dB，站臺上的振動水平下降5～15 dB。

3.2.2 軌道減振措施

蘇州軌道交通一號線為了軌道減振，采取了下列措施:①軌道專業的減振措施以敏感點所在功能區標準為依據;②本工程預測振動超標值不大，對環評預測的控保建筑，采用軌道減振器扣件可降低振動10 dB左右;③對所在功能區，按1類標準預計白天振動超標的地區采用軌道減振器扣件降低振動、固體聲的影響;④兩線交叉地段的減振問題是各城市軌道交通網絡化建設之后帶來的新問題，為避免兩線間的相互振動空腔放大作用，減小兩線間的振動相互干擾，減少兩結構之間的動荷載傳遞，應采取軌道減振器扣件減振。

3.2.3 全線減振措施

①道岔采用可焊接的9號曲線型尖軌道岔，消除接頭;②對鋼軌頂面不平度進行打磨，使軌面平順，輪軌接觸良好，以減少振動和噪音;③小半徑曲線鋼軌側面涂油，不僅可減少鋼軌側面磨耗，也可減少由摩擦和不均勻磨耗引起的輪軌振動與噪聲;④軌道施工時，嚴格控制施工技術標準，對軌道進行經常性的養護維修，保持其良好狀態，保證列車運行平穩。

蘇州軌道交通一號線設計采用軌道減振器扣件減振，可以使軌道交通沿線基本達到1類居民、文教區標準。采用軌道減振器扣件減振的軌道長度為單線13 742 m。對沿線有較高減振和特殊減振地段，分別采用了軌道減振器扣件和鋼彈簧浮置板道床減振。

3.3 電磁輻射污染防治措施

①主變電站110 kV高壓進線采用地下電纜，考慮土壤及電纜自身絕緣的屏蔽作用，可有效防止高壓輸電線的電磁輻射影響;②變電站采用戶內型，變電設備置于室內，房屋建筑可以屏蔽一部分電磁輻射，避免陰雨天的高壓放電;③高架線路接觸網接頭盡量避免設置在居民住宅附近，以降低受電弓離線打火對居民電視收視效果的影響。

3.4 綠化及景觀優化設計

根據蘇州市綠化管理的有關規定，做好綠化設計。在車站和風亭周圍以及車輛段內設置綠化走廊帶、綠化小品，以保護、美化環境。蘇州軌道交通一號線工程各種建筑物的設計還承襲江南傳統文化特點，汲取傳統建筑的精華，采用現代化建筑技術與手段加以發展與弘揚;依據蘇州地區建筑的特點、文化底蘊，挖掘其富有濃烈的水鄉建筑符號、民間廣為流傳的標志性要素，力求與其特殊的地理位置、水鄉文化氛圍相適應。

4 結束語

雖然軌道交通系統引起的環境問題還有污水、廢氣以及固體廢物等，但是，軌道交通工程最顯著的環境效益是通過改善城市交通條件，減少地面行車數量，消除了交通擁擠和堵塞現象，減少汽車尾氣造成的空氣污染和道路交通噪聲，減緩城市中心區的污染負荷，從而改善城市的總體環境質量。尤其在“以人為本”的今天，軌道交通企業從規劃設計、施工、運營等一整套體系出發，分析了重點環境污染問題，提出實現環保軌道交通的方法和措施。城市軌道交通在成為新型交通工具的同時，也成了現代化都市的一種象征和標志。因此，發展“高效便捷、公平有序、安全舒適、節能環保”的城市軌道交通符合國家產業政策和城市總體規劃要求。

［1］軌道交通中環快速路要建好建快［N］.城市商報，2012，7，13(02).

［2］蘇州軌道交通有限公司.蘇州市軌道交通一號線工程環境影響報告書(送審稿)［R］.蘇州:蘇州軌道交通有限公司，2004.

［3］國家環境保護總局.環審〔2006〕154號 關于蘇州市軌道交通一號線工程環境影響報告書的批復［Z］.北京:國家環境保護總局，2006.

［4］孫家麒.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊［M］.北京:中國科學技術出版社，2002.

［5］耿傳智，葛世平.地鐵運行對沿線建筑物的振動影響與對策［C］//城市軌道交通論文集(1999—2001).北京:中國鐵道出版社，2002:357-260.

［6］施毓鳳，葉霞飛.城市軌道交通噪聲影響的效益評價方法［J］.城市軌道交通研究，2009(2):40-43.

［7］辜小安，任京芳，劉楊，等.我國地鐵環境振動現狀及控制措施［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2003(5):206-208.