城市軌道交通線路噪聲關鍵影響因素分析

楊洋

文章以廣西某地區城市軌道中的一段線路作為試驗路段，將鋼軌踏面的磨耗值定作實驗變量，采集了整條線路的噪聲聲壓級，對曲線地段鋼軌打磨前和打磨后的數據進行系統分析，試圖探究出輪軌噪聲的發聲機理，提出一套用以降低輪軌噪聲的具體方案，為廣西乃至西南地區的城市軌道交通發展提供理論依據。

地鐵噪聲;鋼軌磨耗;鋼軌打磨;小半徑曲線

U491.9+1A381345

0 引言

在城市軌道交通行業蓬勃發展的同時，地鐵列車運營過程中產生的振動和噪聲問題也不容忽視。廣西某地軌道交通自開通運營以來就不斷收到乘客與地鐵司機對列車客室內噪聲過大問題的反饋，這些噪聲不僅在一定程度上對乘車市民出行舒適度造成了影響，還會對長期處于噪聲環境下工作的地鐵司機的身心健康造成危害。而目前在我國西南地區還沒有一套完善的針對噪聲污染的整治措施，因此設法降低城市軌道的振動和噪聲，讓人類與自然的關系更加和諧，成為了社會各行業所重點關注的問題。

如何對地鐵列車運行中的所產生的噪聲問題進行整治是國內外學者近年研究的熱點：李克飛等[1]對城市軌道交通輪軌噪聲影響因素進行分析，針對性地研究了速度調整、鋼軌打磨、車輪鏇修、鋼軌阻尼降噪裝置等主動控制措施的降噪效果，并提出輪軌噪聲的防治措施建議;馮陳程[2]提出了通過車內噪聲測量結果反推鋼軌波磨幅值的間接測量方法，針對車內異常噪聲，從控制聲源的角度提出了短波長鋼軌波磨的打磨限值，從車輛和軌道的角度提出了改進建議;澳大利亞昆士蘭大學鐵路工程技術中心學者R.D.Batten[3]基于使用所測得的接收力和速度數據的高效波紋變速發展模型，分析了現場站點上輪軌相互作用的頻域動力學，將波紋波長基于模型的預測與通過對每個站點處測得的軌道輪廓進行光譜分析而得出的預測進行比較，提出了一種在測得的軌道輪廓上使用光譜分析的方法，用于分離相對于軌枕位置而變化的兩個主要波狀波長。盡管如此，針對我國西南地區軌道交通的噪聲整治措施還不夠成熟。

為了解決我國西南地區地鐵列車運行過程中產生的噪聲給人們造成的不利影響，本文以廣西某地區城市軌道中的一段線路作為試驗路段，將鋼軌踏面的磨耗值定作實驗變量，采集了整條線路的噪聲聲壓級，對曲線地段鋼軌打磨前和打磨后的數據進行系統分析，

試圖探究出輪軌噪聲的發聲機理，提出一套用以降低輪軌噪聲的具體方案，為廣西乃至我國西南地區的城市軌道交通發展提供理論依據、夯實行業基礎。

1 噪聲產生原因及測試方法

據乘客反映，乘坐地鐵時經常會出現列車行駛到某個別區間時車內噪聲明顯變大的現象。當地鐵運行速度<60 km/h時，產生噪聲的主要來源是列車輔助設備以及牽引電機，當列車速度在60～80 km/h范圍內時，噪聲主要是由輪軌噪聲以及空氣動力噪聲組成的[4]。經調查，噪聲明顯增大區段多為鋼軌磨耗嚴重地段亦或是曲線地段。為此，本試驗以鋼軌磨耗狀態為變量，分別對鋼軌打磨前后進行系統地車內噪聲及車輛振動數據測試。如表1所示為地鐵列車噪聲限值要求。

1.1 地鐵噪聲剖析

通過對上海、深圳、廣州三地軌道交通的噪聲檢測調查進行系統分析，上海地鐵[5]在通過半徑為350 m的小半徑曲線時，現場檢測噪聲聲壓級最大值達140 dB;深圳地鐵[6]在通過半徑<400 m的曲線段時，噪聲聲壓級最大值達110 dB;廣州地鐵[7]在通過最小半徑為200 m的曲線時，噪聲聲壓級最大值為136 dB。三地地鐵在通過小半徑曲線時，都普遍存在噪聲超限的問題，由此可以看出，不僅鋼軌磨耗是產生噪聲的主要原因，小半徑曲線也是產生噪聲的重要來源之一。由于小半徑曲線可能存在欠超高和過超高，導致鋼軌外軌產生較大的磨耗，內軌軌頭及軌顎容易出現裂紋，而且小半徑曲線路段受力復雜，易造成鋼軌軌面剝落、鋼軌接頭錯位等問題，不易保持軌道幾何形位。不僅如此，列車在曲線上運行時還會產生滑動摩擦，由于曲線半徑過小，離心作用和滑動摩擦力就會增大，使輪軌之間產生更大的噪聲。

1.2 列車車廂內噪聲測試

本試驗嚴格按照《聲學-軌道車輛內部噪聲測量》（GB/T 3449-2011）[8]和《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》（GB/T 14892-2006）[9]進行布點及測試。由于噪聲的主要來源是輪軌接觸造成的，考慮到車廂內不同位置、不同高度所接受到的噪聲數值不盡相同，特別是越靠近車廂地面的位置，測得的噪聲聲壓級越高，因此，選擇合適的測試高度與位置變得極為重要。

（1）測試對象：廣西某地鐵車廂。

（2）測試線路：正線全長32.1 km，包含曲線110條，其中R≤450 m的曲線共27條（上行14條，下行13條），其中最小曲線半徑為330 m。道床為鋼彈簧浮置板道床。

（3）測試設備：HS6288E型多功能噪聲分析儀和由Brüel & Kjr聲學與振動測量公司生產的4292-L型球型噪聲采集器，該設備使用12個揚聲器在單聲道配置中，通過球形分布均勻地輻射聲音。

（4）測試布點：本試驗挑選了幾個極具代表性的位置進行噪聲聲壓級測試：司機駕駛室座位處、駕駛室與客室的連接處、客室乘客座位處、客室車門處及兩車廂的連接處，在這些位置分別架設噪聲采集裝置，布點圖見圖1。依照上述兩個標準將架設在駕駛室和客室座位處的設備高度定為1.2 m，其余位置按照標準中的站立值1.6 m架設。

2 地鐵列車噪聲數據分析

2.1 靜態列車空調噪聲分析

為了對地鐵噪聲進行全方面的分析，考慮到車廂內空調系統運作時會產生機械噪聲，為排除其他噪聲因素的影響，在測試車廂內空調噪聲數據時列車保持靜止狀態，再測試一組列車靜止時不開空調的噪聲數據與其進行數據對比。測試結果如下頁圖2、圖3所示。

由圖2、圖3數據可以看出，當列車靜止且空調系統關閉時，車廂內噪聲值均處于60 dB以內，2號車廂內的噪聲值略低于1號車廂，其中駕駛室、空調機下方和兩車廂的連接處噪聲相對較大，最大噪聲聲壓級為58 dB。當列車靜止同時空調系統運作時，車廂內噪聲聲壓級在70 dB左右浮動，1號車廂與2號車廂噪聲值大致相同，空調機下方與兩車廂連接處的噪聲值略大，而處于駕駛室內的聲壓級最大，達到了77 dB。因此，空調系統產生噪聲并不是主要的噪聲污染源，且列車靜止時車內噪聲符合規范要求。

2.2 曲線鋼軌打磨段數據測試分析

軌道交通噪聲產生的最主要原因是鋼軌磨耗和小半徑曲線。通過不同區段的噪聲對比分析發現，列車行駛在小半徑曲線時產生的噪聲比行駛在其他區段時的噪聲大，現針對此問題對該市地鐵1號線A—M下行路段進行檢測調查。

利用多功能噪聲分析儀檢測出目前試驗路段全線噪聲區間普遍在78～86 dB之間，僅在部分曲線段噪聲較為突出，當曲線半徑R≤400 m時，噪聲峰值可達到94.3 dB。線路專業人員對A—M下行路段噪音較大曲線段各部要素參數進行了復核，通過現場核對、檢算比較，曲線超高、過超高和欠超高符合《鐵路維修規則》[10]中有關規定（未被平衡欠超高≤75 mm，困難情況下≤90 mm;未被平衡過超高≤30 mm，困難情況下≤50 mm）;曲線半徑、長度、列車速度要求等均符合《地鐵設計規范》[11]等國家、行業有關規范要求。此路段小半徑曲線要素如表2所示。對該下行曲線段H—J（K12+934～K13+739）鋼軌進行調查，鋼軌類型為TB60 kg，主要存在曲下股軌面部分波磨、曲上股輕微掉塊等病害。

針對以上鋼軌的不良現象，立即對其鋼軌廓形數據進行分析并制定打磨方案，采用美國HARSCO RGH20C鋼軌打磨車對H、I、J三條路段的上下股鋼軌進行8次反復打磨。下股鋼軌打磨前存在比較明顯的波磨，波磨深度大約為0.02 mm、波長為30 mm，打磨石軌面波磨基本消除，焊縫不平順得到較大幅度緩解。

對鋼軌打磨前后的廓形與設計廓形進行對比，分析指標主要為GQI和廓形偏差量。下行K13+700段上股鋼軌打磨后，鋼軌廓形對比GQI指標由打磨前的58.6提高到81.6;下股鋼軌打磨后，鋼軌廓形對比GQI指標由打磨前的45提高到60.1。打磨前測量點GQI均值為52.7分，打磨后GQI均值為71.4分，提高了35.5%。

根據表3廓形法向偏差對比分析，本次鋼軌內側、頂面、外側分別打磨0.3 mm、0.1 mm、0.1 mm，打磨前曲線上股與設計廓形最大偏差約為0.62 mm，曲線下股與設計廓形最大偏差約為0.75 mm;打磨后曲線上股與設計廓形最大偏差約為0.40 mm，曲線下股與設計廓形最大偏差約為0.68 mm。

2.3 列車噪聲數據分析

為測試列車噪聲數據，本試驗特選取廣西某城市軌道交通A—M段作為試驗路段，分別記錄H、I、J段鋼軌打磨前后車廂內噪聲數據變化。圖4為列車在A—M段運行時駕駛室內噪聲聲壓級變化。由圖4可知，每一段線路的噪聲各不相同，大多數線路噪聲都超過了限值，噪音平均值最高為92.2 dB，其峰值范圍為90～94.4 dB，曲線半徑為340 m，位于H—J段上行區間，道床為減振墊浮置板道床。該試驗線路只有C、E、M三段線路的噪聲符合規范要求，噪聲最小聲壓級為78 dB，僅在試驗路段中就有77%的區間線路不滿足規范要求，而F段和H、I、J段噪聲較大，遠遠超出了規范要求，最大聲壓級達92.2 dB。

圖5、圖6為列車在A—M段運行時，1號和2號車廂客室內的噪聲聲壓級數據曲線圖。由圖5～6可見，打磨前除H、I、J段的噪聲聲壓級較大外，其余路段的噪聲聲壓級均在規范限值附近上下波動，波動范圍最大不會超過86 dB;列車在C、E、M三段線路處噪聲較小，1號車廂噪聲聲壓級最小值僅為77.3 dB，2號車廂噪聲聲壓級最小值僅為77.1 dB，基本能與列車靜止且空調系統運作時駕駛室內噪聲數值持平。在鋼軌打磨段，打磨前1號車廂的最大噪聲聲壓級達94 dB，2號車廂最大噪聲聲壓級達94.3 dB，打磨后1號車廂最大噪聲聲壓級降至85.4 dB，2號車廂最大噪聲聲壓級降至84.3 dB，其中J段線路打磨后噪聲聲壓級低至規范限值以下，最低噪聲聲壓級為82.3 dB。

對噪聲較大區段進行打磨處理后發現，鋼軌打磨后的輪軌噪聲明顯降低。因為鋼軌打磨能使鋼軌的磨耗減小，磨耗越小表明鋼軌踏面平順，列車運行時的輪軌噪聲也隨之減小，進一步證明了鋼軌磨耗就是產生輪軌噪聲的重要原因之一。

3 線路噪聲整治措施

3.1 鋼軌磨耗整治措施

面對鋼軌磨耗、鋼軌波磨、鋼軌踏面不平順等問題，應提高鋼軌材質，增加軌條抗磨性能;采用輪軌潤滑，降低輪緣和鋼軌軌距角接觸部位的磨損，減少有害摩擦;適度增加軌底坡，可使輪軌接觸點靠近軌頭中央，減輕軌頭上圓角的應力集中，減少鋼軌側磨;合理設置曲線超高，加強曲線的綜合養護，控制線路質量使其經常處于完好狀態，使磨耗影響最小化;在每條線路設置鋼軌廓形檢測點，每3個月進行一次廓形檢測，根據鋼軌廓形的磨耗量推測鋼軌磨耗趨勢，當磨耗量變化速率加快時，積極安排打磨車進行打磨，使輪軌關系保持一個較好的狀態;讓鋼軌打磨專家針對不同鋼軌病害進行打磨優先級的確認判斷，指導鋼軌打磨作業安排及個性化打磨程序的設計等，以提升鋼軌打磨工作效果;積極與其他地鐵保持聯系，汲取先進技術和經驗，爭取早日尋求徹底解決鋼軌磨耗導致噪音過大問題的辦法和措施。

3.2 小半徑曲線整治措施

若小半徑曲線段出現行車噪聲超限的問題則需從以下幾個方面做出應對措施：提高小半徑曲線線路維修標準，加大路線幾何狀態的檢查力度，減小圓曲線連續差差值，保持鋼軌軌頭圓順度;加強對小半徑曲線區域的涂油養護管理，結合鋼軌磨耗數據，合理安排涂油周期和涂油量，以達到減小磨耗量的最佳效果;定期對線路進行平穩性檢測，了解線路噪聲和行車穩定性的變化，根據檢測數據曲線判定行車狀態;實時檢測打磨后鋼軌廓形變化，根據廓形變化趨勢判斷是否需要在緩直點二次打磨;當列車經過小半徑曲線段時應適當降低車速;積極與其他地區城市軌道交通行業保持聯系，汲取先進技術和經驗，降低列車通過曲線時的噪聲，爭取早日尋求徹底解決小半徑曲線行車導致噪音過大問題的辦法和措施，提高旅客乘坐的舒適度。

3.3 其他噪聲整治措施

除了上述列舉的針對鋼軌磨耗和小半徑曲線兩種不良因素的整治措施外，還可以通過其他方式對噪聲進行有效控制：

（1）車內措施：為提高玻璃隔聲性能，窗縫的密封處理可用疊合玻璃和夾層玻璃的方式使噪聲最小化，并將高鐵列車車門的隔音技術運用到地鐵列車上;通過對鋁合金車體進行約束阻尼處理或自由阻尼處理，提高車體結構阻尼、抑制共振，達到減振降噪的目的;將列車內部的底板換成隔音材料并對其進行加厚處理，以減小車內輻射噪聲等。

（2）車外措施：采用無縫長鋼軌消除鋼軌接頭，可以有效減少列車車輪對鋼軌接頭撞擊而產生的振動與噪聲;提高軌道板及軌下基礎的彈性，減少車輛振動帶來的噪聲;在軌道板上鋪設吸音泡棉，將部分輪軌噪聲吸收，降低附屬建筑產生的二次結構物噪聲。

4 結語

本文對廣西某地城市軌道交通運行過程中存在的車內噪聲過大的問題進行深入探究，經現場測試后進行分析，包括地鐵噪聲剖析、列車車廂內噪聲測試、列車空調噪聲測試、小半徑曲線及鋼軌磨耗對噪聲的影響等，得到以下結論：

（1）當列車靜止且空調系統關閉時，車廂內噪聲值均處于60 dB以內，最大噪聲聲壓級為58 dB;當列車靜止同時空調系統運作時，車廂內噪聲聲壓級在70 dB左右浮動，駕駛室內的聲壓級最大可達77 dB，車內噪聲均符合規范要求。因此，空調系統并不是主要的噪聲污染源。

（2）小半徑曲線主要存在曲下股軌面部分波磨、曲上股輕微掉塊等病害，遂對H—J曲線段進行鋼軌打磨。鋼軌內側、頂面、外側分別打磨0.3 mm、0.1 mm、0.1 mm，打磨后鋼軌GQI指標平均為71.4分，較打磨前52.7提高了35.5%。軌面波磨基本消除，焊縫不平順得到較大幅度緩解。

（3）試驗路段全線噪聲區間普遍在78～86 dB之間，僅在部分曲線段噪聲較為突出。當曲線半徑R≤400 m時，噪聲峰值可達到94.3 dB。在鋼軌打磨段，打磨前最大噪聲聲壓級達94.3 dB，打磨后最大噪聲聲壓級降至84.3 dB，其中J段線路打磨后噪聲聲壓級低至規范限值以下，最低噪聲聲壓級為82.3 dB。打磨鋼軌后的輪軌噪聲明顯降低，證明了鋼軌磨耗就是產生輪軌噪聲的重要原因之一。

（4）通過對地鐵某線路鋼軌磨耗量和小半徑曲線的實驗測試與數據分析，判斷出鋼軌磨耗量和小半徑曲線是產生輪軌噪聲的重要原因。鑒于以上問題，提出了相應整治措施，為西南地區軌道交通后期運維及噪聲治理問題提供理論基礎，為整個城市軌道交通行業更上一層樓打下了堅實的基礎。

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