城市軌道交通近軌吸聲矮墻的設計研究

朱萬旭,高逸豪,周紅梅,3,張瑞東

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

目前我國正處于城市軌道交通建設迅猛發展的時期，截止2015年末，我國累計有26個城市建成投運城軌線路116條，運營線路長度3 618 km，預計到2020年，將有約50個城市擁有城市軌道交通，總里程將達到6 000 km。然而，隨之帶來的噪聲污染問題也更加嚴重，對人們的健康、生活與工作帶來很多負面影響。

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]。一是主動降噪，即降低輪軌振動，減少噪聲源產生的噪聲，其主要方式有：(1)對鋼軌和車輪進行打磨，鋪設無縫鋼軌；(2)對車輪進行形狀優化和阻尼處理；(3)對軌道結構進行優化，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。二是被動降噪，即在噪聲傳播的途徑和接受處對于噪聲進行削弱，其主要方式有：(1)在軌道沿線布置聲屏障；(2)在道床上鋪設軌道吸音板；(3)為受保護區房屋安裝隔聲窗和隔聲墻。

由于主動降噪涉及到整個列車及鋼軌制造產業的技術革新，雖然我國在主動降噪方面的研究也日益成熟，但鑒于目前我國現有的工業發展水平和現有的城市規劃布局，短時間內無法進行大規模的輪軌體系升級，故以被動降噪來減少降低軌道交通噪聲在我國仍是十分經濟有效的方式，其中聲屏障技術在我國被廣泛使用。

我國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時產生的噪聲，但是同樣帶來了一些不便。國外早在20世紀對于傳統聲屏障的缺點進行了總結：一是車內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，通常聲屏障需要設置在距離鐵路中線較遠的地方，占用了鐵路沿線過多的空間，并且其本身體積較大，生產安裝維護需要消耗的人力物力也會更多，增加了鐵路建設運營的成本[2]。

基于解決上述聲屏障的缺點，20世紀90年代末，歐洲許多國家先后開始研究發明了近軌吸聲矮墻，在某些鐵路試點替代傳統聲屏障作為控制軌道噪聲的手段[3]。而后，歐、美、日、韓各國也對于近軌吸聲矮墻進行了研究和應用，經過各國的研究測試證明，近軌吸聲矮墻的降噪量可以達到5～12 dB(A)[4]。

我國目前對于近軌吸聲矮墻的研究還非常少，該技術還尚未在我國進行推廣，而國外的吸聲矮墻制造商尚未透露設計該產品的相關流程和具體參考標準。本文將參考國外已知的近軌吸聲矮墻的各項參數，根據我國的相關鐵路法規和標準來進行設計，為國內今后在實際工程中研發具有我國自主知識產權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動于軌道上的輸送系統組成，按照不同的噪聲產生部位，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產生的噪聲，又分為滾動噪聲、沖擊噪聲以及曲線高頻噪聲，主要以中低頻成分為主。

(2)牽引動力噪聲。主要來自牽引電動機、壓縮機、發動機、齒輪箱等動力設備的運轉產生的噪聲，同時包括架空接觸網與集電弓之間產生的摩擦噪聲。

(3)制動噪聲。列車制動時，閘瓦與制動盤之間的摩擦振動激發制動閘瓦片、閘托架以及制動盤等產生振動輻射而產生的噪聲，同時制動懸掛連件之間的間隙在運行中互相撞擊也會產生噪聲。

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

(5)軌道結構噪聲。車輛通過高架、地下隧道或者線路上部建筑物時，由于輪軌表面相互作用產生振動，并通過軌道、橋梁、地基等傳遞能量，從而導致橋梁、地下結構、附近建筑物的振動而產生的低頻噪聲。

研究表明，我國城市軌道交通速度通常在60～80 km/h，此時噪聲的主要來源是輪軌噪聲，噪聲源位于列車下部的輪軌接觸面附近。經過大量研究和測試，得到我國城市軌道交通噪聲的頻譜特性，見圖1。噪聲主要峰值分布在1 000 Hz以下，而目前我國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 近軌吸聲矮墻的設計依據及材料選擇

2.1 近軌吸聲矮墻降噪原理

當噪聲源發出的聲波遇到障礙物時，將沿著3條路徑傳播。

(1)繞射：噪聲越過障礙物頂部繞射到達受聲點，直達聲與繞射聲之間的聲級之差，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]。

由于吸聲矮墻的長度比高度大得多，兩端的繞射可被忽略，此時只考慮頂端繞射。如圖2所示，圖中陰影部分被稱作聲影區，此處為繞射聲級較低的區域。由圖2可以看出，聲影區的面積、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，通過在近聲源處通過吸聲矮墻來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：噪聲透過障礙物播到受聲點，透射聲會對吸聲矮墻的降噪能力造成不利的影響。當隔聲量大于繞射聲損失10 dB時，透射聲對衰減量的影響小于0.5 dB，可忽略不計[7]。因此，在設計過程中要保證矮墻的隔聲量大于其預期噪聲衰減量15～20 dB。

(3)反射：噪聲遇到障礙物時發生反射，當受聲點一側同樣存在平行的障礙物時，聲波將多次反射，并繞過障礙物頂部到達受聲點。由于吸聲矮墻靠近軌道，噪聲不可以避免地會在矮墻與車身之間多次反射。因此，在設計矮墻時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，橡膠有機類材料易燃，礦棉類無機纖維材料難施工，鋁纖維金屬板造價較高。以工業廢渣為主要原料制作的陶粒混凝土，造價低廉、質輕、耐腐蝕、耐火，其內部特征呈細密蜂窩微孔狀，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，廣西科技大學李建立等人用陶粒作為骨料，普通硅酸鹽水泥作為粘結劑，加以聚丙烯纖維、外加劑制成陶粒混凝土，以該陶粒混凝土為原材料制成的軌道吸音板經國家建筑質量監督檢驗中心檢測，吸聲性能等級達到了I級[8-12]，該材料的混響室吸聲系數檢測結果見圖3。

圖3 自研陶粒混凝土各頻率吸聲系數

對比圖1和圖3，初步認為，該陶粒混凝土的吸聲系數頻率分布與我國城軌噪聲頻率分布有大量重疊部分，且其吸聲系數最大值剛好位于我國城軌噪聲峰值頻段區域，采用該陶粒混凝土為原材料，設計近軌吸聲矮墻是可行的，該材料的相關參數見表1、表2。

表1 陶粒混凝土產品的配合比

表2 陶粒混凝土產品的相關參數

3 近軌吸聲矮墻的設計

3.1 國外吸聲矮墻的相關設計

瑞士聯邦鐵路局在國際鐵路聯盟會議上對于歐洲不同種類的軌道吸聲矮墻進行了介紹和總結[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，見表3。

表3 國外吸聲矮墻設計參數

注：高度均為吸聲矮墻頂部高于軌面的高度，位置為吸聲矮墻內側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計

軌道吸聲矮墻的高度設計原則是：需要在最大化減少對于兩側視線的遮擋的前提下，盡可能地提高其降噪性能。吸聲矮墻的設計高度h由兩部分組成，見式(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。

以我國目前城市軌道交通中使用最多的城市地鐵為設計基準，目前我國地鐵的車輛按車型分為A、B、C三類，其相關尺寸參數見表4。

表4 我國地鐵各類車型的相關技術規格

由于軌道吸聲矮墻需安放在靠近列車車身的位置，為了應對列車運行中可能出現的突發狀況，比如需要進行停車和乘客疏散，如果此時軌道邊矮墻的高度過高，將會成為車內人員逃生的障礙，這也是傳統聲屏障的一大弊端，因此矮墻的設計高度不應超過列車地板高度，即1.10 m。而為了保證對于輪軌噪聲的屏蔽能力，吸聲矮墻的高度應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。

根據我國《地鐵設計規范》(GB50157—2013)及《城市軌道交通設計規范》(DGJ08—109—2004)中關于鋼軌的規定，我國城市軌道大多采用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計

為了確保列車在軌道線路上運行的安全，防止列車在運行過程中與近軌吸聲矮墻發生碰撞，在設計吸聲矮墻時需要考慮我國相關限界標準，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型車的限界參數作為設計基準，根據我國《地鐵設計規范》(GB50157—2013)附錄A中得到A型車隧道外直線區間的車輛輪廓線、車輛限界、設備限界，見圖4。

圖4 A型車車輛輪廓、車輛限界和設備限界(隧道外直線區間)

圖4中一共有三層限界，由內而外依次是車輛輪廓線、車輛限界和設備限界，本文以設備限界作為矮墻安裝位置的控制線，圖4中設備限界上三個節點7″、8″、9″，其各自的限界坐標值見表5。

表5 設備限界坐標值(高架或地面直線段)

注：X坐標軸的0點為軌道中心線，Y坐標軸的0點為軌道頂面。

結合上節結論，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備限界保持100 mm的安全距離，用內插法得到近軌吸聲矮墻安裝位置x的表達式如下。

(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厚度設計

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于矮墻降噪性能的影響。利用質量定律中的隔聲量計算經驗公式，對于單層均質材料而言，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。

前文已經提到，在設計吸聲矮墻時，為了忽略隔聲量對于降噪性能的影響，需要使吸聲矮墻的隔聲量TL超過其繞射聲ΔLd=10 dB(A)，因此推導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)。

研究和實測表明[16]，理論上的屏障類降噪產品可以達到的噪聲衰減很難超過20 dB(A)，當忽略隔聲量的影響時，此時的噪聲衰減量即為其繞射聲損失，即ΔLd=20 dB(A)。根據式(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計要求，目前我國對于聲屏障構件隔聲量測量的頻率最小值為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厚度

d≥0.072 m

3.5 近軌吸聲矮墻的初步設計方案

(1)參考表3中國外吸聲矮墻的設計經驗，直立式吸聲矮墻構造較為簡單，適合作為初期設計研究吸聲矮墻外觀的首選方案。

(2)根據式(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)參考上述關于矮墻聲學厚度的最小要求，考慮到經濟和運輸成本，取吸聲矮墻總厚度為140 mm；安裝方式參考目前國內較為普遍的非金屬聲屏障，使用兩側金屬H型鋼固定，將吸聲矮墻設計為直立插板式，每塊單元板長度取1 960 mm，寬度取508 mm，見圖5，并參考相關文獻，證明該設計力學性能滿足要求[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測

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來表示，其定義是保持噪聲源、地形、環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點的聲壓級之差，其表達式如下

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)。

結合陶粒混凝土吸聲矮墻的設計和材料特性，公式(5)中，當ΔLt大于繞射聲衰減10 dB(A)時可以忽略，ΔLr在材料降噪系數NRC>0.5時，可以忽略，ΔLs與ΔLG在設立吸聲矮墻后同樣可以忽略其影響，因此可以大致認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

將輪軌噪聲視作無限長不相干線聲源，吸聲矮墻視作無限長屏障，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，查規范[14]中關于道床高度的規定，選取道床高度為1 m；假定受聲點為行人，取其水平高度為1.6 m；參照圖6，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

根據圖6與式(7)，在Excel中利用其函數功能分別計算受聲點距離軌道中心l2為7.5 m時的繞射聲損失，結果見表6。

表6 受聲點距離軌道中線7.5 m時的繞射聲衰減

5 結語

(1)根據我國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屏蔽輪軌噪聲，具有可靠的理論依據。

(2)課題組前期研究的環保型陶粒混凝土吸聲材料，已經用于生產軌道吸聲板，并且取得了不錯的效果。該材料的各頻段吸聲系數與我國城市軌道交通噪聲的頻率特性基本吻合，用該材料設計軌道吸聲矮墻，是可行的。

(3)根據我國地鐵的相關參數和規范，對于軌道吸聲矮墻的高度、位置、最小聲學厚度進行了研究和探討，并且得到了相關公式，以供后期設計和優化參考。

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