城市軌道交通地面段噪聲防治降速措施研究

姚海博，吳世紅，姚 兵，曾曉明，李美玲

（1.交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天科院環(huán)境科技發(fā)展（天津）有限公司，天津 300456）

城市軌道交通具有地鐵、輕軌以及懸浮列車等多種類型，因其快捷準(zhǔn)時(shí)、大運(yùn)量、能耗低、立體化等特點(diǎn)，可以有效改善城市居民出行條件。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《城市軌道交通2019年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告》，截至2019年底，全國共有40個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營線路總長(zhǎng)度達(dá)6 736.2公里，當(dāng)年新增運(yùn)營線城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路208 條，運(yùn)路長(zhǎng)度達(dá)974.8 公里；2019 年全年累計(jì)完成客運(yùn)量237.1 億人次，同比增長(zhǎng)12.5%，運(yùn)營規(guī)模繼續(xù)保持高增長(zhǎng)勢(shì)頭。其中，敷設(shè)方式以高架線的城市軌道交通線路約占線路總里程的30%，高架線路上車輛在運(yùn)行過程中會(huì)輻射噪聲，在當(dāng)今城市中居住空間密度很高的狀況下，城市高架軌道交通噪聲不可避免對(duì)線路沿線居民的身體健康及正常生活帶來不利的影響，該問題也逐漸受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注與研究[1－2]。李莉等[3]、易強(qiáng)等[4]針對(duì)城市軌道交通環(huán)境噪聲源強(qiáng)、空間分布特性、控制技術(shù)等進(jìn)行了大量的研究。本文結(jié)合北方某城市軌道交通工程的特點(diǎn)，并通過實(shí)測(cè)分析和驗(yàn)證性評(píng)價(jià)城市軌道交通高架段對(duì)沿線高層住宅小區(qū)噪聲影響，論證幾種高架軌道交通噪聲控制技術(shù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性，可給同類軌道交通項(xiàng)目交通噪聲防治及運(yùn)營管理提供借鑒。

1 城市軌道交通噪聲的產(chǎn)生

城市軌道交通車輛在運(yùn)行時(shí)會(huì)向周圍環(huán)境輻射噪聲，其主要聲源如圖1所示。包括輪軌噪聲、牽引及制動(dòng)系統(tǒng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲和氣動(dòng)噪聲等[5－6]。車輛處于不同的狀態(tài)時(shí)，起主導(dǎo)作用的噪聲源有所不同。靜置狀態(tài)下，車輛最主要的噪聲源是空調(diào)壓縮機(jī)等輔助設(shè)備噪聲；運(yùn)行狀態(tài)下，車輛主要的噪聲源以輪軌噪聲為主，牽引及制動(dòng)系統(tǒng)噪聲、氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲為輔。其中，輪軌噪聲主要包括輪軌滾動(dòng)噪聲[7]、沖擊噪聲和曲線嘯叫[8－10]，三者經(jīng)常被視為一個(gè)整體；當(dāng)車速超過50 km/h～60 km/h時(shí)，輪軌噪聲在列車輻射噪聲中起主導(dǎo)作用，其源聲功率級(jí)往往與列車行駛速度呈正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系[11]。氣動(dòng)噪聲主要存在于轉(zhuǎn)向架區(qū)域和受電弓區(qū)域[12－13]。牽引及制動(dòng)系統(tǒng)噪聲主要包括牽引電機(jī)噪聲及閘瓦工作噪聲等[14]。輔助設(shè)備噪聲往往伴隨車輛運(yùn)行的全過程，其主要產(chǎn)生源頭有空氣壓縮機(jī)、空調(diào)機(jī)組、逆變器和輔助變流器等處[15－16]。

圖1 城市軌道車輛主要噪聲源示意圖

2 國內(nèi)外軌道交通噪聲控制現(xiàn)狀

城市軌道交通降噪是一項(xiàng)涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的較為復(fù)雜的綜合性技術(shù)，根據(jù)聲音三要素噪聲源、傳播途徑和接受者的特征，可選用的降噪措施可分為3類。

（1）聲源降噪

通過研究和采用降低噪聲源強(qiáng)度的方法，使其向外輻射的聲波能量盡可能低。城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為“少維修、高彈性、減振降噪”，一方面可以通過優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)，減少激振源達(dá)到減振降噪的目的；另一方面，可以通過改變軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)來抑制輪軌噪聲的產(chǎn)生[17]。車體外表空氣動(dòng)力性噪聲則可以通過車頭及車身流線化來進(jìn)行抑制[18－19]。牽引及動(dòng)力系統(tǒng)噪聲則可通過采用直線電機(jī)、安裝集電弓外罩、采用盤形制動(dòng)、加裝黏彈性衰減振動(dòng)阻尼器等措施消減[20－21]。輔助設(shè)備降噪可以通過加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理實(shí)現(xiàn)[22]。

（2）傳播途徑降噪

根據(jù)噪聲衰減的規(guī)律，其在傳播過程中主要受幾何發(fā)散、大氣吸收、其他效應(yīng)等因素影響。因此，對(duì)于聲音傳播途徑的降噪手段主要以增加聲程差和利用吸聲物體、材料為主。常見的措施有路域協(xié)同規(guī)劃繞避遠(yuǎn)離聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)[23]、設(shè)置傳播路徑聲屏障[24]、增加吸聲綠化帶[25]等。

（3）受聲點(diǎn)防護(hù)

受聲點(diǎn)防護(hù)措施為被動(dòng)措施，主要以聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)室內(nèi)達(dá)標(biāo)為目的。常見措施有合理調(diào)整及布局聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)中的建筑物功能以及為保護(hù)目標(biāo)增設(shè)吸聲、隔聲設(shè)施[26-27]等。

3 研究工程概況

本文研究的北方某城市軌道交通工程是連接市區(qū)和新區(qū)的快速交通通道，研究線路段為地面高架線，長(zhǎng)約4.8 km，于2004 年建成通車。線路軌道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）軌距：雙線1 435 mm；

（2）鋼軌及扣件：60 kg/m 的客運(yùn)專線（PD3）熱軋軌，無縫線路；彈性扣件；

（3）供電：直流1 500 V架空接觸網(wǎng)；

（4）行車時(shí)間：5:18～次日0:18。

4 研究線路段沿線聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)概況及現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查，研究線路段建設(shè)初期兩側(cè)均為空地，環(huán)評(píng)及驗(yàn)收階段均無相關(guān)聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)分布。輕軌經(jīng)驗(yàn)收運(yùn)營后，隨著相關(guān)城市規(guī)劃實(shí)施及開發(fā)建設(shè)，兩側(cè)空地相繼建成萬科、萬通等16處住宅小區(qū)，樓層高度自12層至30層不等，其代表性小區(qū)概況如表1所示：

表1 所研究線路段沿線代表性聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)

根據(jù)聲環(huán)境功能區(qū)劃分等相關(guān)文件規(guī)定，上述代表性小區(qū)臨街高層面向輕軌等交通干線一側(cè)居民樓執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096－2008）中的4a類標(biāo)準(zhǔn)，4a類范圍外居民樓執(zhí)行1類標(biāo)準(zhǔn)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的發(fā)展，區(qū)域的某鐵路、某城市快速路等交通線路車流量均有較大增量，研究輕軌線路段沿線區(qū)域環(huán)境噪聲明顯增加。經(jīng)實(shí)測(cè)，輕軌沿線各居民小區(qū)晝間大多能滿足4a 類聲環(huán)境功能區(qū)70 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求，夜間大多不能滿足55 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求，輕軌運(yùn)營單位也于近年陸續(xù)收到沿線居民對(duì)輕軌夜間運(yùn)行噪聲的投訴。

5 研究輕軌線路段噪聲防治措施方案技術(shù)論證

針對(duì)研究輕軌線路段沿線環(huán)境特征、聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)特點(diǎn)及輕軌車輛運(yùn)行指標(biāo)，將工程沿線保護(hù)目標(biāo)適宜采取的各類噪聲污染防治措施列于表2所示。

表2 常見噪聲污染防治措施經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較一覽表

經(jīng)論證，本文研究的輕軌線為已運(yùn)營線路，研究段沿線聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)均為高層建筑，樓房均采用雙層玻璃窗，不推薦采取安裝隔聲窗措施；輕軌線路沿城市道路敷設(shè)，無設(shè)置綠化帶空間條件，且綠化帶對(duì)高層住宅幾無降噪效果，因此不推薦采取設(shè)置綠化帶措施。

（1）3 m高直立式聲屏障措施分析論證

將輕軌噪聲源看成無限長(zhǎng)聲源，按HJ/T90－2004《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》確定聲屏障的插入損失值，計(jì)算公式如下：

式中：

f為聲波頻率，Hz；δ為聲程差，δ=a+b-c，m；c為聲速，取為340 m/s。

圖2 聲波傳播路徑

由預(yù)測(cè)計(jì)算可知，在高架橋高13 m的情況下，3 m 高聲屏障對(duì)10 層以上測(cè)點(diǎn)無遮擋作用。為更形象準(zhǔn)確表征3 m 高聲屏障的降噪效果，利用德國朗德CadnaA 噪聲軟件仿真模擬軌道交通噪聲實(shí)際影響情況及設(shè)置3 m高聲屏障后的降噪效果。其等聲級(jí)曲線見圖3至圖4，圖中一格為30 m代表10層樓。

圖3 未設(shè)置聲屏障時(shí)等聲級(jí)曲線分布圖

由圖3可見，深灰色區(qū)域?yàn)檐圀w周邊，噪聲級(jí)在70 dB（A）左右；3 層至10 層噪聲級(jí)約為63.0 dB（A）～65.0 dB（A），20層至30層噪聲級(jí)約為59.0 dB（A）～62.0 dB（A），30 層以上等效聲級(jí)約為55.0 dB（A）～57.0 dB（A）。

由圖4 可見，設(shè)置3 m 高聲屏障后，僅3 層至10層區(qū)域聲級(jí)分布有變化，8層以下的噪聲值由原來的65 dB（A）降到了59 dB（A），10 層以上并無明顯變化。

圖4 設(shè)置3 m高聲屏障等聲級(jí)曲線分布圖

（2）半封閉、全封閉結(jié)構(gòu)聲屏障措施分析論證

經(jīng)過對(duì)既有軌道的承載、荷載進(jìn)行檢算，半封閉和全封閉結(jié)構(gòu)聲屏障均會(huì)增加既有橋梁樁基的樁長(zhǎng)，例如：對(duì)于半封閉結(jié)構(gòu)聲屏障，僅豎向力（對(duì)于25 m 跨度橋梁）就增加了60.8 kN（一根柱聲屏障）×12=729.6 kN，每根樁需要承受約91.2 kN的豎向力；根據(jù)該輕軌橋梁樁基設(shè)計(jì)文件，研究線路段高架橋梁?jiǎn)螛稑兜酌棵自试S承載力為65 kN，需要增加1.5 m樁長(zhǎng)，原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)僅余0.5 m～1 m，不滿足橋梁承載要求。另外，在既有橋梁上加裝半封閉、全封閉結(jié)構(gòu)聲屏障，需在橋梁懸臂板上植筋，對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋、橫向受力鋼筋等進(jìn)行體外加固，工程量巨大，需中斷輕軌運(yùn)營。故加裝半封閉、全封閉聲屏障措施可行性較差。

（3）降速措施分析論證

經(jīng)多次調(diào)查及測(cè)量發(fā)現(xiàn)，研究線路段沿線各居民小區(qū)晝間能夠滿足4a 類聲環(huán)境功能區(qū)70 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求，夜間多不能滿足55 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求，輕軌運(yùn)營單位接到的噪聲投訴意見也多集中于夜間。為研究本工程車列降速措施對(duì)降低輻射噪聲的實(shí)施效果，運(yùn)營單位對(duì)典型路段進(jìn)行了夜間限速監(jiān)測(cè)研究，針對(duì)代表性保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行了不同運(yùn)行速度下的噪聲監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車運(yùn)行速度下降至20 km/h左右時(shí)，不同樓層高度噪聲現(xiàn)狀值較常速能下降約3 dB（A）～10 dB（A），背景噪聲增量能控制在0.5 dB（A）以內(nèi)，將噪聲基本維持在背景值水平。經(jīng)多次研究論證，輕軌運(yùn)營單位自2018 年8 月起對(duì)研究線路段夜間21:30 至次日6:00 上下行區(qū)間載客及排空列車均重新調(diào)整了運(yùn)行方案，其中從線路樁號(hào)K43+222處至某站K43+732 上下行區(qū)間限速至15 km/h，從K43+732 至線路K46+722 處上下行區(qū)間限速至20 km/h；其他時(shí)段正常運(yùn)行。同時(shí)，為降低輕軌列車輔助設(shè)備噪聲，關(guān)閉限速運(yùn)行車輛空調(diào)系統(tǒng)。調(diào)整前后研究線路各區(qū)段列車運(yùn)行速度見表3。

表3 研究路段各區(qū)段車列運(yùn)行速度表/(km?h-1)

為驗(yàn)證調(diào)整輕軌運(yùn)營方案以降低其噪聲污染的防治措施有效性，對(duì)調(diào)整后沿線3 處代表性保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)按照《鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法》、《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中的相關(guān)要求進(jìn)行。選擇代表性監(jiān)測(cè)小區(qū)時(shí)盡可能考慮到研究線路不同區(qū)段相對(duì)高差、背景噪聲現(xiàn)狀、軌道線路彎曲程度等對(duì)保護(hù)目標(biāo)所受到的噪聲影響的差異性，并對(duì)其中一處受其他交通干線噪聲影響較小的保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行了24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

對(duì)于夜間降速降噪措施實(shí)施效果的監(jiān)測(cè)選擇了夜間21:30～22:30以及22:30～23:30兩個(gè)時(shí)段，（23:30分以后車列逐步排空，不能代表列車車輛運(yùn)行平均密度）。每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置兩臺(tái)噪聲儀器，配備風(fēng)罩、打印機(jī)等；一臺(tái)用于監(jiān)測(cè)1小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)（平均列流狀態(tài)），一臺(tái)用于監(jiān)測(cè)背景噪聲（輕軌過車期間暫停，與另一臺(tái)儀器同時(shí)啟動(dòng)，含暫停時(shí)間共60分鐘）。典型代表性保護(hù)目標(biāo)噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析如下：

①代表性1#小區(qū)

采取夜間降速措施后，代表性1#小區(qū)1 號(hào)樓噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況見表4。

根據(jù)表4 監(jiān)測(cè)結(jié)果，代表性1#小區(qū)臨輕軌和城市快速路最近的1 號(hào)樓各樓層窗外1m 處夜間噪聲背景值在53.4 dB（A）～61.4 dB（A）之間，夜間噪聲現(xiàn)狀值在53.6 dB（A）～61.6 dB（A）之間，無法滿足4a類夜間55 dB（A）要求。經(jīng)輕軌夜間限速后，各樓層噪聲現(xiàn)狀值較無輕軌經(jīng)過時(shí)的背景噪聲增量可控制在0.5 dB（A）以內(nèi)，能夠維持在背景值水平，從而滿足相關(guān)噪聲防治原則的要求。

表4 代表性1#小區(qū)1號(hào)樓噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果及達(dá)標(biāo)分析表/dB（A）

②代表性2#小區(qū)

位于線路曲線內(nèi)側(cè)的代表性2#小區(qū)噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況見表5。

根據(jù)表5 監(jiān)測(cè)結(jié)果，代表性2#小區(qū)臨輕軌最近樓各樓層窗外1 m處夜間噪聲背景值在45.8 dB（A）～55.0 dB（A）之間，夜間噪聲現(xiàn)狀值在46.2 dB（A）～55.2 dB（A）之間，基本能夠滿足4a 類夜間55 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)輕軌進(jìn)行夜間限速后各樓層噪聲現(xiàn)狀值相對(duì)于無輕軌經(jīng)過時(shí)的背景噪聲增量可控制在0.5 dB（A）以內(nèi)，能夠維持在背景值水平，滿足相關(guān)噪聲防治原則的要求。

表5 代表性2#小區(qū)噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果及達(dá)標(biāo)分析表/dB（A）

③代表性3#小區(qū)全天24小時(shí)監(jiān)測(cè)

在位于線路曲線外側(cè)的代表性3#小區(qū)1 號(hào)樓5層窗外1 m處設(shè)置了24小時(shí)噪聲連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其24小時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況分析見表6，噪聲值隨時(shí)間變化見圖5，輕軌列流隨時(shí)間變化見圖6。

圖5 噪聲值隨時(shí)間變化圖

圖6 監(jiān)測(cè)時(shí)輕軌列流隨時(shí)間變化圖

由表6 和圖5 至圖6 可以看出：代表性3#小區(qū)1號(hào)樓5層24小時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在晝間（6:00～22:00）受輕軌運(yùn)行所致交通噪聲影響較大，輕軌運(yùn)行噪聲增量可達(dá)0.3 dB（A）～13.6 dB（A），但其噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果均能夠滿足4a 類晝間70 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求。在夜間（22:00～次日6:00）輕軌限速運(yùn)行后，其5層24小時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲現(xiàn)狀值相對(duì)于無輕軌經(jīng)過時(shí)的背景噪聲值增量明顯降低，均可控制在0.5 dB（A）以內(nèi)，能夠維持在背景值水平；夜間噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果均能夠滿足4a類夜間55 dB（A）標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 代表性3#小區(qū)1號(hào)樓5層窗外1 m處24小時(shí)噪聲值監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表/dB（A）

④降速措施實(shí)施效果分析

本文研究的北方某城市軌道交通地面高架段現(xiàn)已完成建設(shè)并運(yùn)營多年，線路、設(shè)備老化造成的輪軌噪聲、輔助設(shè)備噪聲等不可避免。根據(jù)對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，實(shí)行夜間21:30至次日6:00限速運(yùn)營方案后，輕軌運(yùn)行所致交通噪聲所造成輕軌沿線各居民小區(qū)背景噪聲增量明顯降低，可以控制在0.5 dB（A）以內(nèi)，能夠維持在區(qū)域環(huán)境噪聲背景值水平，滿足相關(guān)噪聲防治原則的要求。

6 結(jié)語

城市軌道交通噪聲擾民問題由來已久，其聲源由多方面引起，決定了控制措施也需要進(jìn)行綜合考證。

（1）從相關(guān)研究及調(diào)查結(jié)果來看，城市軌道交通噪聲影響及投訴多集中于夜間，晝間噪聲基本在可接受范圍內(nèi)。

（2）對(duì)于軌道交通地面高架段，由于受城市空間及建筑物結(jié)構(gòu)影響，設(shè)置綠化帶及隔聲窗等降噪措施的實(shí)施意義不大；直立矮墻式聲屏障對(duì)10層以上高層建筑降噪效果不明顯；半封閉、全封閉結(jié)構(gòu)聲屏障對(duì)橋梁樁基承載力要求較高，對(duì)于已運(yùn)營線路實(shí)施可行性較差。

（3）通過對(duì)代表性保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析可知，調(diào)整特殊時(shí)段、路段城市軌道交通列車運(yùn)行參數(shù)可使輕軌運(yùn)行所致交通噪聲所造成沿線各居民小區(qū)背景噪聲增量明顯降低，可以控制在0.5 dB（A）以內(nèi)，能夠?qū)⒃肼暰S持在區(qū)域環(huán)境噪聲背景值水平，滿足相關(guān)噪聲防治原則的要求；城市軌道交通降速措施對(duì)于從源頭降低噪聲輻射強(qiáng)度效果顯著，可以成為一種有效的運(yùn)營管理手段。

控制城市軌道交通行車噪聲，不僅要從在規(guī)劃線路時(shí)使之遠(yuǎn)離保護(hù)目標(biāo)及對(duì)保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行被動(dòng)防護(hù)入手，還應(yīng)采取主動(dòng)控制措施，盡量減少源頭噪聲的產(chǎn)生。常規(guī)的噪聲振動(dòng)控制技術(shù)手段、車輛的維護(hù)與保養(yǎng)不可或缺，但通過調(diào)整特殊時(shí)段、路段列車運(yùn)行參數(shù)也不失為一種有效的管理手段。本文可為同類軌道交通項(xiàng)目噪聲防治及運(yùn)營管理提供借鑒。