地鐵工程典型車站消聲措施現狀分析

陳雁濤

中國鐵路設計集團有限公司 廣東 深圳 518000

對環境產生的環境污染影響表現為以能量損耗型(噪聲、振動)為主，以物質消耗型(污水、廢氣、固體廢物)為輔；對生態影響表現為以城市景觀的影響為主，以城市自然生態環境影響(城市綠地等)為輔。長期在噪聲環境中生活和工作，尤其是在強噪聲環境中, 會影響人體健康, 直接導致勞動生產率下降。由于強烈的噪聲危害嚴重、污染范圍廣, 因此降低排氣噪聲是一個迫切的任務。

1 城市軌道交通通風空調系統噪聲源種類

典型車站通風空調系統由公共區通風、空調和防排煙系統，車站設備管理用房通風、空調和防排煙系統，區間隧道正常活塞通風系統、事故(阻塞、火災)通風系統、車站全封閉站臺門外車行道頂部排熱系統系統以及車站空調水系統組成[1]。

列車正常運行時，此時開啟車站公共區及設備區與通風空調系統設備，排除余熱和余濕，為乘客在地下車站內創造一個往返于地面至地下列車內的過渡性舒適環境，通風空調設備運轉過程中產生噪聲；列車在區間及車站連續運行，會對區間空氣進行擠壓，當區間或車站范圍內壓力高于室外壓力時，空氣向車站外產生流動，產生噪聲。列車阻塞或火災在區間隧道內時，啟動區間隧道通風系統，向阻塞區間提供一定的送、排風量，籍以保證列車空調冷凝器的繼續運作，從而維持列車內部乘客能接受的熱環境條件[2]，區間隧道通風系統啟動通風模式，此種工況下也會產生噪聲。

地鐵列車運行產生的噪聲是一種非穩態噪聲，包含列車高速運行拖拽和推動隧道內空氣而產生的氣流噪聲；因車輪略微偏心、軌行區存在坡度等原因會引起列車車廂振動，列車加速、減速及直行段的滑行，均會與軌面摩擦產生噪聲。列車進出站時，隧道內噪聲以上述為主。列車停靠站臺時，車站的噪聲主要為通風空調系統的設備噪聲，其中包括公共區通風空調系統(大系統)及設備區通風空調系統(小系統)及空調季的水系統噪聲。典型站均設置有4個活塞風亭、2個排風亭、2個新風亭，車站范圍內的噪聲通過這些風井會傳至地面風亭，對風亭周邊會形成噪聲影響。

2 城市軌道交通噪聲要求

《聲環境質量標準》(GB3096-2008)對車站噪聲要求如下[3]：環控設備正常運作時，環控機房內噪聲值≤90dB(A)；傳至站廳、站臺公共區噪聲≤70dB(A)；環控設備傳至工作、休息室噪聲≤60dB(A)；環控設備傳至區間噪聲≤88dB(A)。

3 城市軌道交通消聲措施

3.1 消聲器常規類型

消聲器是指在空氣動力管道系統中，控制氣流沿管道傳播噪聲或從開口向外部輻射噪聲，同時不影響或很少影響氣流通過的裝置。按照消聲器聲學性質的不同，具體可分為阻性消聲器，抗性消聲器，阻抗復合式消聲器，微穿孔板消聲器，小孔擴散消聲器及干涉消聲器。其中阻性消聲器是利用敷設在氣流管道內的吸聲材料吸收聲能而起到消聲作用，對消除中高頻噪聲比較有效。

對于典型車站風機噪聲目前多采用阻性消聲器(如玻璃棉為聲阻材料)、阻抗復合消聲器及折板式抗性消聲器。本文結合深圳地鐵工程典型車站的特點，在一般正常工作條件下，設置在室內的消聲器能在環境溫度≤45℃范圍內、相對濕度≤95%條件下正常工作。設置在交通干道附近風井內的消聲器以及敞口風井內安裝的消聲器，亦應在深圳市的氣候條件下，承受日曬雨淋及交通干道附近惡劣空氣污染，保證使用壽命期內能長期正常工作。

目前深圳地鐵工程普遍采用阻性消聲器，阻性消聲器的構造為金屬外殼內填玻璃棉的形式。目前普遍應用在地鐵工程中的阻性消聲器常見的為片式消聲器及陣列式消聲器。

圖1 片式消聲器

圖2 陣列式消聲器

在典型車站工程中，結構式消聲器放置于車站兩端的活塞機械風道、車站排風道、新風道的風井內，有立式垂直安裝和水平臥式安裝兩種方式。在地鐵線路正常運行工況下，結構式消聲器用以消除區間活塞風泄壓過程中對周邊風亭的噪聲影響；結構式消聲器設置在排風亭及新風亭中，用以消除車站通風空調設備正常運行工況下對外界造成的噪聲影響；金屬外殼式消聲器用于大型隧道風機前后，與風管連接，就是在結構式消聲器的基礎上增加一圈鋼板包覆，一般為水平臥式安裝，用于降低區間隧道風機早晚通風換氣開啟時對風亭外所產生的噪聲；管道式消聲器與風管連接，一般為吊式安裝，用以消除設備在運轉狀態下所產生的噪聲。各種消聲器承擔不同工況時系統的降噪功能，能夠滿足規范對于不同類別環境區域的噪聲控制要求。

3.2 消聲器技術要求

3.2.1 耐溫要求

結合規范要求，設置在隧道通風系統和地鐵車站防排煙系統的消聲器，因需要滿足防排煙功能，應能滿足耐溫250℃，持續有效工作1h的要求。設置在高架站及車輛段防排煙系統的消聲器，應能滿足耐溫280℃，持續有效工作0.5h的要求。

3.2.2 消聲性能要求

在車站的兩端設有與外界空氣相連通的風道、風井，為了降低地鐵車站內風機運行噪聲傳至地面噪聲值，故在風道內設置結構式消聲器或在風機前后設置金屬外殼式消聲器，使風機運轉噪聲通過消聲器后，對內符合(車站公共區和車站設備管理用房)噪聲要求，對外界符合《聲環境質量標準》(GB3096-2008)[3]及《工業企業廠界環境噪聲排放標準》GB 12348-2008的噪聲要求[4]。

4 片式及陣列式消聲器性能對比分析

由圖3 不同消聲器設備類型可以看出，多個消聲器管道并聯后，可以組合為片式消聲器和陣列式消聲器，由于出入口斷面變化，組合并聯后的消聲量計算公式如下：

圖3 片式消聲器及陣列式消聲器組成

其中：TL-消聲量；

P-紅色虛線總長度；

S-無填充空白區域面積之和；

DS-消聲器入/出口或斷面突變引起的不連續衰減。頻率越高，其衰減越明顯。

由計算公式可以得出結論：

1.周長(P)越大、吸聲長度(L)越長、吸聲系數Φ(a)越高，消聲效果越好。

2.流通面積(S)越大，消聲效果越低。

3.在同樣安裝條件下，當DS及Φ(a)相等前提下，當流通面積(S)相同，陣列結構的P(紅色虛線總長度)大于片式的，因此得出矩陣式消聲器的消聲量大于片式消聲器的消聲量，消聲量比對結果詳見圖4:

圖4 流通面積相等時，片式和陣列式消聲器消聲量與壓力損失對比圖

在軌道交通工程通風空調系統中設置消聲器，會增加通風阻力，這會引起通風或制冷效果降低，通常采用提升通風設備的壓頭來穩定通風效果，但這會引起用電負荷的增加。因此在保證設備消聲量的前提下，消聲器的通風阻力越小，通風效果的下降率越低，同時增加的耗電量也越低。

通過對比得出，與片式消聲器相比，陣列式消聲器的吸聲體寬度增加，低頻吸聲系數提高，低頻消聲效果也相應增加，總吸聲面積增加，整體消聲量提高；陣列式消聲器流通面積更大，風速、壓力損失都更低，同時由于陣列式消聲器的排列方式，氣流通過陣列式消聲器時氣流分布均勻。由于陣列式消聲器整體消聲效果優于片式消聲器，在軌道交通工程中逐漸成為主流。

5 新型材質消聲器與常規材質消聲器性能分析

目前軌道交通工程常用的阻性消聲器為金屬外殼內填玻璃棉的形式，具體要求為：保溫材料具有耐腐蝕性、無化學反應、具抗霉性；保溫材料吸濕性在環境條件 t＝45℃ ψ＝98%條件下24小時吸水率低于其重量5%，保溫材料含水率≤1.0%。

結合軌道交通工程運營案例發現玻璃棉在風壓較大環境下，玻璃棉由于自身特性，較易被吹散；因玻璃棉具有一定的吸濕性，若果常年工作環境含濕量較大時，玻璃棉吸濕后容易板結，會影響消聲器的工作效率；因玻璃棉消聲器無法用水進行沖洗，消聲器設備覆塵后也會在一定程度上影響消聲效果。

在上述背景下，陶瓷結構消聲器成為消聲材料的新方向。

5.1 多孔陶瓷結構分析

多孔陶瓷是一種經高溫燒成，體內具有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料。多孔陶瓷材料具有相對密度小、比表面積大、熱導率低、比強度高?及吸附性能好等特點，陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕、透水性好，多孔陶瓷這一綠色材料可以用于氣體和液體中過濾、凈化分離、化工催化載體，吸化學穩定性和結構尺寸穩定性聲減震材料、高級保溫材料、生物植入材料、特種墻體材料和傳感器材料[5]。

5.2 多孔陶瓷消聲器與玻璃棉消聲器性能對比

天津堿廠與中國科學院聲學所合作，針對上述問題，對兩種消聲器性能進行了研究分析：用多孔陶瓷管消聲器(見圖5)代替原來的阻抗復合消聲用在鼓風機上試驗，結果顯示陶瓷消聲器材質比離心玻璃棉材質具有更好的消聲效果。其中A 聲級減噪量為24分貝, 低頻段(63~500赫) 減噪量為15~25分貝。

1.微孔陶瓷管 2.擴張室 3.殼體圖5 風機消聲器

綜上所述，多孔陶瓷瓷為多孔性吸聲材料與微穿界板吸聲結構兩種吸聲特性的結合, 吸聲材料具有寬頻帶的吸聲效果。

6 結束語

(1) 地鐵通風空調系統消聲設計通用方案對各類噪聲源進行了有針對性的治理，噪音降低效果顯著，滿足規范要求，但細節設計仍存在優化的可能。在工程建造過程中，產生噪聲和振動的通風空調設備有風機、冷水機組、空調設備、水泵等，可在前期設計選型過程中應優先考慮噪聲小，運轉平穩的設備，從源頭降低設備噪聲。

(2) 在設計中對產生噪聲和振動的設備考慮消聲與減振措施。風機前后設置消聲器；隧道排熱通風系統通風機前后設消聲器，車站空調通風系統送、排風管上根據噪聲情況設置消聲器；空調設備與其基礎之間設減振墊或減振器；風管和水管設減振支、吊架；設備與管道連結處采用軟管；空調通風機房設置隔聲密閉門等。以上措施均能降低設備因震動產生的噪聲。

(3) 在地鐵工程中陣列式消聲器比片式消聲器具有更好的消聲量、壓力損失小、運輸安裝靈活方便，逐漸被軌道交通工程大范圍推廣使用。

(4) 通過上文論述，陣列式消聲器中離心玻璃棉若替換為多孔陶瓷消聲器，整體消聲效果會更好，陶瓷顆粒消聲器材質具有廣闊的市場前景。