鐵路橋梁全封閉聲屏障降噪特性及對生態區作用的分析

鄒俊輝，邵華平

（中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510088）

0 引言

大規模鐵路建設容易給沿線生態環境造成一定的改變和破壞，在傳統鐵路建設中，普遍存在“重主體、輕環?！薄跋绕茐?、后治理”等慣性問題，尤其對于鐵路噪聲問題，僅通過設置普通聲屏障、隔聲窗或半封閉聲屏障等，降噪效果不理想。特別是生態環境保護區、學校、醫院等特殊環境敏感點，普通聲屏障或半封閉聲屏障難以起到很好的保護作用[1-2]。如果不設置有效的降噪設施，將會對周圍生態環境、生產生活環境等噪聲敏感區造成極大影響，難以滿足環保要求。

環境評價尤其噪聲評價是決定高鐵工程項目成敗的重要內容，在高速鐵路經過某些噪聲敏感區段時設置全封閉聲屏障已然是大勢所趨。以深茂鐵路江茂段全封閉聲屏障為例，總結全封閉聲屏障研究背景、降噪效果及風景區敏感區噪聲監測，為全封閉聲屏障在高速鐵路橋梁上的推廣應用提供參考。

1 工程背景

1.1 環境調查

“小鳥天堂”是廣東省江門市新會區天馬村一塊約1萬m2的小島，由一棵大榕樹歷經400余年繁衍，覆蓋全島，周圍由天馬河環繞，已成為鷺鳥為主兼有20多種國家二級保護鳥類（約3萬多只）的棲息地，為華南乃至全國罕見的城郊鳥類棲息地，故命名為“小鳥天堂”，是僑鄉江門最著名的國際生態旅游景點。根據現場調查及區域噪聲研究，為保證“小鳥天堂”內小鳥棲息、繁殖不受影響，要求“小鳥天堂”的規劃邊界處環境噪聲的等效連續A聲級LAeq24 h不應超過50 dB，噪聲最大聲級Lmax不應大于60 dB（A）[3]。

1.2 鐵路線位

深茂鐵路江茂段（江門—茂名）受城市規劃、江門站站位及出站端曲線半徑影響限制，線路無法遠離“小鳥天堂”生態保護區，距離保護區較近線路區段長約3 km，距“小鳥天堂”規劃邊界300 m、“小鳥天堂”現狀邊界630 m、“小鳥天堂”竹島670 m、“小鳥天堂”大榕樹800 m（見圖1）。同時受該段線位標高、地質條件復雜和北端需跨越潭江水系等因素影響，難以采用隧道穿越方案，只能采用橋梁方案。深茂鐵路江茂段運營速度120 km/h，其噪聲源以列車輪軌噪聲為主，按照環保部門要求，為減緩鐵路噪聲、振動及光對“小鳥天堂”名勝景區生態環境的影響，該段采用全封閉聲屏障，預計降噪效果應達到20 dB以上。最終該段全封閉聲屏障全長2 036 m，光屏障總長1 730 m，總概算1.8億元（不含橋梁）。全封閉聲屏障主要由拱形鋼構架和金屬吸、隔聲板及ECC混凝土吸聲板組成。

圖1 深茂鐵路與“小鳥天堂”的地理位置

2 降噪效果研究

2.1 前期研究

建設鐵路橋梁全封閉聲屏障工程為國內外首例。為解決橋上全封閉聲屏障設計、施工等關鍵技術難題及科研經費等問題，2014年6月專門立項科研課題，與中鐵第四勘察設計院集團有限公司、西南交通大學、武漢理工大學等單位組建科研團隊攻關，歷時2年，通過結構設計、理論計算、數值分析、風洞試驗、足尺模型等研究[4-7]，形成一整套從設計、施工、運營維護的全封閉聲屏障技術，解決了關鍵技術難題：

（1）梁型選擇方面：通過梁型對比分析和增強內部鋼筋布置、增加翼緣板斜支撐等手段，確定了適宜承載全封閉聲屏障的箱梁結構；

（2）結構設計方面：通過動力學理論計算、風洞試驗（見圖2）和列車氣動力CFD數值模擬，設計出一種新型聲屏障結構——拱形全封閉聲屏障鋼棚架結構（見圖3）；

（3）材料選型方面：首次提出改性ECC混凝土聲屏障方案，給聲屏障材料選型提供了一種新的選擇；

（4）建立全封閉聲屏障足尺模型，完成全封閉聲屏障減振、降噪效果測試，并已獲得初步研究成果[7-9]。

圖2 聲屏障風洞試驗

圖3 全封閉聲屏障斷面

2.2 2種隔聲板聲學性能

全封閉聲屏障上吸、隔聲板的隔聲性能是影響聲屏障降噪效果的關鍵因素。本項目選用ECC混凝土隔聲板和金屬復合吸聲板。金屬復合吸聲板長2.00 m，寬0.45 m，內表面為穿孔板，外表面為1.50 mm厚鋁板，內填充玻璃棉氈；ECC混凝土板厚5.0 cm，弧長為2.3～2.6 m，寬2.0 m，混凝土板內附吸聲材料。為研究2種隔聲板的聲學特性，采用SEA算法建立聲源聲腔、接收聲腔、2.00 m×1.00 m×0.05 m混凝土單元板及2.0 m×1.0 m×0.1 m金屬復合吸聲板，模擬了2種隔聲板的聲學特性（見圖4）。結果表明：2種聲屏障單元板隔聲量均隨著頻率的增加而增大，頻率超過2 500 Hz（1 000 Hz），金屬復合吸聲板（混凝土板）隔聲量逐漸下降（見圖5）；在低于1 000 Hz頻段，混凝土隔聲板的隔聲量高于金屬復合吸聲板；超過此頻段，金屬復合吸聲板的隔聲量較高?？梢詫CC混凝土聲屏障同樣運用于深茂鐵路聲屏障項目材料中，此外因為混凝土材料取材方便、價格較低，有益于推廣使用。

圖4 隔聲板隔聲量SEA預測模型

圖5 2種聲屏障單元板隔聲量計算值

2.3 模型試驗及工程建設過程

結合國內外相關研究[10]，該線路噪聲源以輪軌噪聲為主，此外還有車體噪聲、集電系統噪聲等。

為充分證明全封閉聲屏障的作用及效果，按照全封閉聲屏障設計尺寸建立橋上改性ECC混凝土聲屏障及金屬聲屏障1∶1足尺模型（見圖6（a）），將實測噪聲源用揚聲器加載在足尺模型內部（見圖6（b）），研究自由聲場及2種聲屏障內外聲場分布規律，實測2種聲屏障的內外側聲壓級。

聲學規范以降噪量或插入損失來評價聲屏障的降噪效果[11]。選用最大A聲級插入損失來評價聲屏障的降噪效果。模型試驗結果表明：距離軌道中心線7.5 m處，改性ECC混凝土聲屏障和金屬聲屏障的插入損失分別是22 dB和25 dB。

圖6 全封閉聲屏障足尺模型試驗

經過模型試驗可知：2種聲屏障均可獲得預期的降噪效果，可應用于深茂鐵路全封閉聲屏障工程。2017年8月深茂鐵路開始正式建設，共安裝4.2萬余塊吸聲板，2017年10月項目順利完工，2018年7月正式開通使用（見圖7），成為江茂鐵路的亮點工程。

圖7 建成的全封閉聲屏障

3 敏感區噪聲監測

3.1 監測點

深茂鐵路開通運營后對“小鳥天堂”周邊進行了噪聲監測，以評價深茂鐵路全封閉聲屏障對環保敏感區的積極作用。根據環評報告中針對“小鳥天堂”噪聲影響的預測點位，本次監測共選取4處監測點位（見表1），每個監測點位同時設置背景噪聲監測點。

3.2 監測內容

監測過程中，不同監測點同時監測，同時記錄列車運行情況。深茂鐵路江茂段全天運行列車19對，均為動車組列車，晝間18對，夜間1對。

表1 噪聲監測布點

晝夜監測：測量單列車分別通過時段的最大聲級，每個監測點測量10列車的數據，同時在每列車經過后立即進行背景噪聲監測。

3.3 監測結果

圖8 列車通過時最大噪聲監測數據分析

圖9 列車通過后背景噪聲監測數據分析

“小鳥天堂”規劃邊界—大榕樹4處監測點列車通過時噪聲分布結果見圖8、圖9。可知，深茂鐵路橋梁全封閉聲屏障建成并正常運營情況下，晝間列車通過時噪聲最大值為41.5～49.8 dB，背景噪聲為41.4～49.5 dB，各測點噪聲比背景噪聲高0.1～0.3 dB；夜間列車通過時噪聲最大值為41.2～44.9 dB，背景噪聲為41.1～44.8 dB，各測點噪聲增大0.1～0.2 dB?？梢?，聲屏障建成后，列車經過時敏感區噪聲最大值均基本維持現狀。聲屏障的設置使得噪聲敏感區的噪聲基本保持現狀，完全滿足“小鳥天堂”保護區噪聲限值要求，保證了列車以“靜音模式”通過此區域。

4 結論與展望

通過深茂鐵路全封閉聲屏障項目的隔聲板聲學性能研究、模型試驗及聲屏障建成后的噪聲監測，分析了高速鐵路橋梁全封閉聲屏障降噪特性及其對生態區的作用，得出以下結論：

（1）通過2種材料聲學性能的對比，在低于1 000 Hz頻段，混凝土隔聲板的隔聲量高于金屬復合吸聲板；ECC混凝土隔聲板在鐵路聲屏障領域是首次使用，提出了改性ECC混凝土聲屏障可以應用于全封閉聲屏障項目中，其具有降噪效果好、造價低、耐久性好的優點，可推廣應用。

（2）根據模型試驗結果：在近場噪聲測點，改性ECC混凝土聲屏障和金屬聲屏障的插入損失分別是22 dB和25 dB，達到了設計規劃的預期要求。

（3）根據保護區噪聲監測結果，各測點噪聲比背景噪聲高0.1～0.3 dB，可知全封閉聲屏障能夠最大限度減小高鐵對沿線環境的聲污染，保證了時速200 km以下列車以“靜音模式”通過“小鳥天堂”景區，保護了景區生態環境。

（4）通過項目前期聲學性能研究、模型試驗及聲屏障建成后的噪聲監測，形成了一整套全封閉聲屏障研究理論，為鐵路線路經過特殊噪聲敏感點時提供了可靠的技術支持，為鐵路全封閉聲屏障建設積累了經驗，具有良好的現實意義和經濟價值。

此外，“小鳥天堂”段全封閉聲屏障的成功應用，充分體現了可持續發展理念，取得了良好的社會效益，起到了良好的示范、帶頭作用。通過系列技術創新與扎實的科研實力，開創了鐵路橋上設置全封閉聲屏障的先河，取得了良好的降噪效果，為鐵路建設邁向資源節約、環境友好型提供了有力支撐，為高鐵或城際鐵路在城區及鄰近環境敏感點的建設掃清了障礙，具有重要的現實意義，填補了世界空白。對我國其他基礎設施建設項目的生態環境保護也具有重要的借鑒意義，提供了有效的依據和技術支撐。同時關于全封閉聲屏障的運營維護雖然在設計、建設等環節已有考慮，但還應在如何更加便于維護及完善維修標準等方面進行更深入的研究。