新建鐵路鄰近既有鐵路的聲屏障降噪效果研究

陳 鋒，廖建州，孟春曉，呂文婷,3，彭道平

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司環境工程研究院，成都 610031；2. 四川省環境監測總站，成都 610091；3. 西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 611756；4. 西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合共建工程實驗室，成都 611756)

1 前 言

隨著我國道路交通和城市建設發展，城市建設用地資源緊缺，道路距離周邊建筑物距離越來越近，甚至一些已經建成道路兩邊又新建了居民區、學校等建筑，由此導致了大量的噪聲污染投訴問題。對于城市交通噪聲污染控制，國內外學者做了大量研究工作。例如，Garg和Maji等對比分析了今年各國在交通噪聲研究中采用的理論方法和模型，并對各方法的適用性等進行了研究[1]。王亞平等采用Cadna/A軟件模擬研究了在不同路況條件下，城市高架復合路平直路段的交通噪聲垂直面聲場分布規律和聲屏障的降噪效果[2]。謝海濤對城市交通十字路口的噪聲污染進行了預測[3]。Huang等人采用神經網絡模型研究了城市快速路對高層建筑的噪聲影響[4]。高山則對城市道路下穿隧道的噪聲傳播特性進行了測試分析，并對不同降噪方案的效果進行了模擬研究[5]。Munteanu等人研究了受鐵路噪聲影響的某高層建筑的聲環境特性，并對采用的降噪措施效果進行了實測分析[6]。而在一些城市區域，常常混合有鐵路交通噪聲、道路交通噪聲甚至其他生活生產噪聲的共同作用，特別是隨著軌道交通建設的開展，甚至出現了新建鐵路、既有鐵路、其他交通噪聲共同對該區域的聲環境產生影響的狀況，其噪聲污染特性更為復雜。

本文以某既有鐵路擴建項目為例，該項目K26+950～K27+800區段與該既有鐵路聯絡線LK0+150～LK0+850區段并行經過其東側的某居民區，既有鐵路、道路交通噪聲和新建鐵路噪聲將可能對其共同產生影響，因此開展該區域聲環境敏感目標的噪聲污染特性研究，并對擬采用的聲屏障降噪措施效果進行預測，將有助于改善區域聲環境質量，并為出現的新型城市噪聲污染控制提供參考。

2 新建鐵路鄰近既有線交通噪聲特性分析

2.1 研究區域工況

該居民區位于某既有鐵路和新建鐵路的東側；該居民區距新建鐵路外軌中心線62m、距既有鐵路外軌中心線34m；同時，居民區東側、南側各有一條城市道路，如圖1所示。測試目標為面向鐵路一側的3棟建筑物，在各建筑物的不同樓層進行布點：其中1號樓測點位于3層，距鐵路最近距離約25m；2號樓測點分別在3、5、8、11、14、17層，距鐵路最近距離約40m；3號樓測點分別在于5、8、11、14層，距鐵路最近距離約130m。

圖1 區域環境關系及測點布置圖Fig.1 Layout of surroundings and measuring points

測試方法及評價及評價標準按照《聲環境質量標準》(GB3096-2008)執行，其中1號樓和2號樓按晝間70dB(A)、夜間55dB(A)執行，3號樓執行2類聲環境功能區限值。測量選在敏感建筑外不同樓層距墻壁1m處，距樓層地面高度1.2m以上。結合高層建筑物結構特點，在陽臺或窗戶外布置測點。同步記錄道路車流量及車型、列車流量及類型。其中，1號樓和3號樓測點監測晝夜鐵路噪聲及背景噪聲，2號樓測點進行連續24小時噪聲監測，以等效A 聲級作為噪聲的量化評價值，用LAeq表示，單位dB(A) 。

2.2 區域交通噪聲特性分析

2.2.1 區域交通流量

測試時段區域的晝夜小時平均汽車流量和列車流量統計詳見表1。

表1 晝夜小時平均交通流量Tab.1 Average traffic flow in day-time and night-time (pcu/h)

2.2.2 交通噪聲監測結果分析

2.2.2.1 區域交通噪聲監測結果及變化趨勢情況見表2、圖2。

根據《聲環境質量標準》(GB3096-2008)環境噪聲限值，由監測結果可知，1號樓、2號樓測點晝間不超標，夜間高層略有超標，超標量約0.2～1.3dB(A)，主要受鐵路噪聲影響；3號樓測點晝間不超標，夜間超標約3～5dB(A)，主要由鐵路噪聲和公路交通噪聲共同影響。

表2 噪聲監測結果表Tab.2 The Noise monitoring results (dB(A))

從圖2可以看出相同時段內不同樓層噪聲變化情況基本一致，靠既有鐵路一側的鐵路噪聲從低樓層至高樓層均呈逐漸增大的趨勢，建筑物每增高3層高度噪聲約增大1～2 dB(A)，在17層達峰值。

圖2 2號樓各樓層交通噪聲變化趨勢圖Fig.2 The variation trend of pattern traffic noise in Building 2

2.2.2.2 在2號樓測試結果中選取晝夜各一時段，分析當一列車通過時的交通噪聲瞬時值和鐵路噪聲頻率分布范圍，具體情況表3和圖3。

表3 2號樓測點晝夜噪聲值對比表Tab.3 Comparison of traffic noise between day-time and night-time (dB(A))

從表3可知，由于車流量較低，一小時等效聲級與背景噪聲聲級相差不大，但列車通過時段的等效聲級遠大于背景噪聲，說明鐵路瞬時噪聲對居民區影響很大。

圖3 2號樓各樓層噪聲1/3倍頻程譜Fig.3 Frequency range of traffic noise

圖3為一趟列車通過時2號樓各樓層噪聲1/3倍頻程圖。由圖3可知，該測點鐵路噪聲的頻譜范圍在0～10kHz分布廣泛，60dB(A)以上主要集中在250～2 500Hz，在500Hz處出現噪聲峰值。

3 降噪措施方案設計

2012年該擴建項目環評報告中提出的降噪措施為在新建鐵路K26+950～K27+500東側設置550m長聲屏障。由于城市建設等原因，該項目周圍外環境關系已發生重大變化，原設計方案經論證已不能滿足區域環境噪聲功能區劃要求。因此，經研究確定在既有鐵路LK0+150～ LK0+850東側區段，設置長度共700m的聲屏障對該路段各環境保護目標進行降噪保護，其中：

LK0+150～LK0+750路基段設置長600m、高6m的折臂式聲屏障。采用插板式金屬、通透聲屏障，H型鋼在距頂部1m處進行折臂，折臂角度300。吸聲板按3m金屬吸聲板+2m通透板+1m金屬吸聲板的方式進行安裝。設置方案見圖4。

圖4 路基聲屏障方案Fig.4 Sound barrier structure in subgrade

LK0+750～ LK0+850橋梁段設置長100m、高3m的直立式聲屏障。聲屏障上部結構采用H型鋼插板式結構，直臂式，高度為橋梁人行道步板以上3m高(約為地面以上9m)。吸聲板均采用金屬吸聲板。上部結構通過預埋螺栓與基礎連接。設置方案見圖5。

圖5 橋梁聲屏障方案Fig.5 Sound barrier structure in bridge

4 預測模型與校驗

4.1 模擬軟件

本文采用Cadna/A軟件進行對降噪措施效果進行模擬驗證。Cadna /A是一款利用Windows 作為操作平臺的噪聲模擬和控制軟件，由于參數可以調整及三維彩色圖形輸出方式使預測結果更加可視化和形象化，可用于噪聲控制設計效果分析，其屏障高度優化功能可以廣泛用于道路等噪聲控制工程的設計[7～11]。

4.2 模型的建立與參數選取

模型建立：根據路段線路方案設計CAD平縱斷面圖，將線路平縱斷面、地面高程、敏感建筑等參數及圖形導入Cadna/A軟件中。在Cadna/A軟件中按線路兩側實際建筑的高度進行設置，構建鐵路、兩側建筑物的3D 仿真模型，如圖6 所示。

參數設置：既有鐵路客貨車設計速度為100km/h，新建鐵路客車設計速度為160km/h，貨車設計速度為120km/h；晝、夜間小時絕對車流量均采用實際監測數據。

圖6 線路3D模型Fig.6 3D model of surroundings

4.3 模型校驗

為驗證預測模型的有效性，利用模型預測2號樓各樓層噪聲值并與實測值進行對比分析，結果見表4。由于新建鐵路正在建設中，本次預測模型校驗僅考慮既有鐵路的噪聲貢獻。經對比，既有鐵路模型預測值與實際監測結果未出現較大偏差，模擬預測值與實測值基本吻合，表明預測模型擬合效果較好。

表4 2號樓噪聲模型計算與實際監測結果與誤差Tab.4 Noise model calculation and actual monitoring results and errors (dB(A))

5 措施方案降噪效果分析

本論文分別選擇了距離鐵路不同位置的3個2類區和1個4b類區聲環境保護目標作為預測點，分別對不同樓層進行了降噪措施前和措施后的環境噪聲進行預測，其中：預測點N1為4b類區，其環境噪聲現狀值等于2號樓各樓層監測值疊加背景噪聲值，1樓現狀值等于3樓現狀值；預測點N2和N3為2類區，其環境噪聲現狀值參考3號樓各樓層監測值，1樓現狀值等于5樓監測值；預測點N4為2類區，其環境噪聲現狀值等于N1預測點1樓值。4個預測點及預測斷面布置見圖1，預測結果見表5、圖7和圖8。

N1預測點：采取路基聲屏障措施前，噪聲預測值晝間達標，夜間5層以下預測點達標，5～11層超標超0.4～0.6dB(A)。采取聲屏障措施后，晝間、夜間均能滿足4b類區聲環境標準；且1～5層居民房屋的聲環境質量優于現狀，減少1.3～4.7dB(A)，5層以上居民房屋晝間較現狀聲環境略有增加，增加量0.2～1.6dB(A)。

N2預測點：采取路基聲屏障措施前，該敏感點2類區預測值晝間達標，夜間除1層達標外，其余樓層超標1.1～3.5dB(A)；采取聲屏障措施后，晝間聲環境達標，夜間1層達標，其余樓層超標0.1～2.6dB(A)；但措施后聲環境優于現狀，晝間減少1.4～4.2 dB(A)，夜間減少2.3～4.9dB(A)。

N3預測點：采取路基聲屏障措施前，該敏感點預測值晝間1～8層聲環境達標，11層和14層超標0.3～0.8dB(A)，夜間所有樓層超標3.1～6.7dB(A)；采取聲屏障措施后，該敏感點晝間聲環境達標，夜間超標1.9～4.8dB(A)；且措施后除11層較現狀增加0.1dB(A)外，其余預測點均小于現狀值0.1～1.6dB(A)，聲環境與現狀聲環境基本相當。

表5 降噪措施前后各預測點環境噪聲對比Tab.5 Comparison of noise pre- and pro- reduction measures (dB(A))

續表5

預測點編號測點位置環境現狀噪聲監測值措施前措施后環境噪聲預測值超標情況近期增量環境噪聲預測值超標情況措施后增量晝夜晝夜晝夜晝夜晝夜晝夜晝夜2類區居民房11層5954.156.252.6達標2.6//55.751.5達標1.5/-2.62類區居民房14層6054.956.453.5達標3.5//55.852.6達標2.6/-2.3N32類區居民房1層56.453.556.953.1達標3.1//56.351.9達標1.9/-1.62類區居民房5層56.453.558.154.8達標4.81.71.356.952.5達標2.5/-1.02類區居民房8層57.453.859.256.0達標6.01.82.258.053.6達標3.6/-0.22類區居民房11層5954.160.356.60.36.61.32.559.254.2達標4.2/0.12類區居民房14層6054.960.856.70.86.70.81.860.054.8達標4.8/-0.1N42類區幼兒園1層56.25357.955.5達標5.5//54.849.9達標達標//

圖7 措施前后晝間聲場變化情況Fig.7 Spatial distribution of ambient noise pre- and pro- reduction control in day-time

圖8 措施前后夜間聲場變化情況Fig.8 Spatial distribution of ambient noise pre- and pro- reduction control in night-time

N4預測點：措施前預測值晝間達標，夜間超標5.5dB(A)；采取措施后，晝、夜間噪聲預測值均能滿足聲環境標準，且措施后該敏感點聲環境優于現狀1.4～3.1dB(A)。

綜上所述，設置聲屏障措施能有效減少鐵路噪聲對敏感點的噪聲貢獻量，措施后該段鐵路沿線的敏感目標大部分能滿足聲環境執行標準，措施后仍超標的敏感點預測值與現狀聲環境相比基本相當或優于現狀。

6 結 論

本文以某既有鐵路擴建工程為例，對該項目與既有線并行穿過某居民區的環境噪聲現狀進行監測，分析區域交通噪聲污染特性，綜合考慮既有鐵路與新建鐵路的共同影響，通過Cadna/A建立預測模型，對比預測分析了采用聲屏障降噪措施前后該小區的環境噪聲的變化情況，得到了以下結論：

6.1 該區域環境噪聲鐵路噪聲影響較大，對于臨街建筑的影響為從低樓層至高樓層均呈逐漸增大的趨勢。噪聲的頻譜范圍在0～10kHz分布廣泛，60dB(A)以上主要集中在250～2 500Hz，峰值頻率出現在500Hz附近。

6.2 預測結果表明，新建鐵路和既有鐵路對區域環境噪聲有較大的增量貢獻，晝間增加約0.8～5.1dB(A)，晝間預測點位超標率為11.1%；夜間增量約為1.3～6.8dB(A)，夜間預測點超標率為72.2%。

6.3 設置聲屏障措施能有效減少鐵路噪聲的貢獻量，結果表明晝間所有預測點位均能達標，夜間達標率為50%，但超標點位的預測值基本相當或優于現狀值。