朱萬旭，張瑞東，劉 瑋，張 慶，周紅梅,4

(1.廣西科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.桂林理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 軌道工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055；4.柳州漢西鳴建材發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545006)

地鐵作為城市軌道交通主要的形式之一，極大地方便了人們的出行。然而地鐵在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲給人們的生活和工作帶來了很多不良的影響。如何有效地治理地鐵噪聲成為軌道交通運(yùn)營者和相關(guān)科研工作人員所關(guān)注的重點(diǎn)。

目前治理軌道交通噪聲主要通過兩種途徑：一種是通過降低輪軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和摩擦，以減少噪聲的產(chǎn)生，即主動(dòng)降噪；一種是在噪聲傳播途中對(duì)其進(jìn)行削弱，減少到達(dá)受聲點(diǎn)時(shí)噪聲能量的大小，即被動(dòng)降噪。

在主動(dòng)降噪方面，國內(nèi)外目前主要采用以下幾種方法：①各類新型減振型板式軌道以及浮置板軌道結(jié)構(gòu)，不同研究結(jié)果均表明這類結(jié)構(gòu)固有頻率低，減振效果好，能夠有效減少噪聲的產(chǎn)生[1-3]；②阻尼鋼軌，其降噪頻段主要位于 1 000～5 000 Hz[4-5]；③鋼軌動(dòng)力吸振器[6]。

主動(dòng)降噪方法在理論上是一種直接有效的控制噪聲的手段，但是其制作成本高，對(duì)于生產(chǎn)制造和安裝的工藝有較高的要求，并且其降噪效果會(huì)隨設(shè)備的老化而有所降低，在使用后期需要進(jìn)行大量的維護(hù)和更換?？紤]到我國已存在大量既有地鐵線路，無法在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模對(duì)軌道系統(tǒng)進(jìn)行改造，結(jié)合目前國內(nèi)的生產(chǎn)水平，采用被動(dòng)降噪方法來治理地鐵噪聲較為符合我國目前的國情。

目前，在地鐵的軌道上鋪設(shè)吸聲板逐漸成為國內(nèi)治理地鐵噪聲的一個(gè)新方向[7]。但經(jīng)過相關(guān)的試驗(yàn)和現(xiàn)場測試表明，僅僅在地鐵軌道上鋪設(shè)吸音板，其降噪效果是有限的。根據(jù)國外軌道噪聲治理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在軌道兩側(cè)安放一定高度的遮擋物能夠有效地降低列車向兩側(cè)輻射出的輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，擬以道床吸聲板結(jié)合軌道兩側(cè)安裝吸聲矮墻作為配套設(shè)施，作為一種治理地鐵噪聲問題的新思路。

1 地鐵線路噪聲分析

一地鐵線路通車后，在車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生了過大的噪聲，時(shí)有投訴事件發(fā)生。對(duì)該線路沿線進(jìn)行勘查和分析，得到該地鐵線路噪聲過大的原因如下。

1)經(jīng)過長時(shí)間的使用，鋼軌減振扣件下面的減振橡膠墊逐漸磨損，繼而彈性失效，使得扣件上的彈條松動(dòng)，扣壓力降低15%左右。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋼軌扣件減振失效現(xiàn)象，列車經(jīng)過時(shí)振動(dòng)響應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)生大量的振動(dòng)噪聲。

2)通過現(xiàn)場測量可知，在軌道直線段，固定鋼軌的相向扣件不在同一水平線上，有的相對(duì)錯(cuò)位達(dá)到40 mm 左右。使得在列車運(yùn)行過程中兩側(cè)鋼軌的受力不均衡，造成振動(dòng)增加，從而導(dǎo)致噪聲增加。

3)對(duì)鋼軌表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鋼軌產(chǎn)生了嚴(yán)重的波浪形磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼軌表面嚴(yán)重不平順。當(dāng)列車從上面經(jīng)過時(shí)，車輪與不平順的鋼軌頻繁地發(fā)生碰撞和摩擦，產(chǎn)生大量的噪聲。從現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可以得到鋼軌波磨的波長范圍在50～150 mm,波磨深度在 0.1～0.5 mm。

4)隧道中的混響強(qiáng)度較大，但隧道本身沒有進(jìn)行過表面的吸聲處理，隧道內(nèi)部尚未采取任何有效的被動(dòng)降噪措施，也是造成地鐵噪聲偏大的一個(gè)重要因素。

2 噪聲治理措施

通過分析該地鐵線路噪聲過大的原因，發(fā)現(xiàn)該線路上安裝有相應(yīng)的減振降噪設(shè)施，但是有的設(shè)施在安裝時(shí)沒有嚴(yán)格控制工藝標(biāo)準(zhǔn)，并且后期維護(hù)不到位，導(dǎo)致設(shè)施老化失效，反而加重了地鐵線路環(huán)境中的噪聲問題，因此在治理該線路噪聲問題上應(yīng)該先采取一些主動(dòng)降噪手段予以修復(fù)。

1)沿線檢查地鐵鋼軌扣件，對(duì)于磨損嚴(yán)重的減振橡膠墊進(jìn)行更換，將彈條松動(dòng)的扣件重新夾緊。

2)適當(dāng)調(diào)整或者增加固定鋼軌的扣件，減小輪軌之間的振動(dòng)響應(yīng)。

3)對(duì)鋼軌表面進(jìn)行打磨以減少其波磨現(xiàn)象，降低車輛通過時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和摩擦。

前期研究表明，我國地鐵噪聲主要以輪軌噪聲為主，聲壓級(jí)峰值主要位于500～1 000 Hz。考慮到該線路中并未安裝被動(dòng)降噪設(shè)施，擬在輪軌噪聲源附近安裝道床吸聲板以及軌道兩側(cè)吸聲矮墻。

3 吸聲板與吸聲矮墻組合治理噪聲方案

3.1 吸聲材料及其降噪原理

在前期研究中，本課題組用陶粒作為骨料，普通硅酸鹽水泥作為黏結(jié)劑，摻加聚丙烯纖維、外加劑制成陶粒混凝土，該材料經(jīng)檢測其吸聲性能可以達(dá)到國家Ⅰ級(jí)，并且該材料在一定厚度的情況下還具有良好的隔聲性能。

陶粒顆粒表面僅包裹一層非常薄的水泥凈漿作為膠結(jié)層，將骨料顆粒彼此黏結(jié)起來，使內(nèi)部形成大量相互貫通的孔隙。這些多孔結(jié)構(gòu)細(xì)密均勻，彼此互通并且延伸到外部表面，從而形成一種特殊的多孔結(jié)構(gòu)混凝土。

噪聲經(jīng)過這種特殊的多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，引起孔隙內(nèi)部空氣振動(dòng)，空氣與孔隙間固體筋絡(luò)發(fā)生摩擦，由于黏滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，聲能被不斷轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，從而使聲波衰減，達(dá)到吸聲降噪的目的[8]。

3.2 吸聲板降噪效果實(shí)測分析

為了進(jìn)一步了解吸聲板的降噪性能，對(duì)一地鐵長度為 1 500 m的鋪設(shè)了吸聲板的線路進(jìn)行降噪效果實(shí)測。采用INV3018C-24位高精度噪聲數(shù)據(jù)采集儀、INV9206型聲壓傳感器和HS6020型活塞式聲壓校準(zhǔn)計(jì)進(jìn)行檢測。分別在鋪設(shè)吸聲板的道床以及地鐵隧道壁進(jìn)行測點(diǎn)布置，具體見圖1。

圖1 測點(diǎn)布置

對(duì)道床鋪設(shè)吸聲板前后2種工況進(jìn)行測試。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行20組的數(shù)據(jù)采集，單組數(shù)據(jù)采集時(shí)間保持60 s，2種工況下各測點(diǎn)的聲壓級(jí)平均值見表1，測點(diǎn)聲壓級(jí)的1/3倍頻程譜見圖2。

表1 2種工況下各測點(diǎn)聲壓級(jí)平均值對(duì)比表B

圖2 測點(diǎn)聲壓級(jí)

通過表1可以看出，在地鐵道床上鋪設(shè)吸聲板后，隧道壁的平均降噪量為4.3 dB，道床上的降噪量為4.0 dB。從圖2可以看出，道床上鋪設(shè)吸聲板對(duì)中高頻噪聲降噪效果較好，而中低頻噪聲的降噪效果還需進(jìn)一步提高。

3.3 軌道兩側(cè)吸聲矮墻降噪原理

由于在目前的應(yīng)用和測試中，道床吸聲板僅僅布置在道床水平線的高度上，而輪軌接觸面在其之上，因此產(chǎn)生的一部分輪軌噪聲會(huì)從軌道兩側(cè)輻射出去。

當(dāng)在軌道兩側(cè)安裝一定高度和厚度的吸聲矮墻后，由于陶粒混凝土吸聲矮墻有足夠的隔聲性能，輪軌噪聲將被以下2種方式所削弱。

1)一部分噪聲將在列車底部、吸聲板和兩側(cè)的吸聲矮墻之間不斷反射，逐漸被底部安裝的道床吸聲板和兩側(cè)的矮墻所吸收。

2)另一部分噪聲將在列車車身和吸聲矮墻之間的空隙中不斷反射，聲能被吸聲矮墻逐漸削弱后，最終從矮墻的上方繞射出去。

4 吸聲板和吸聲矮墻組合方案的吸聲降噪效果預(yù)測

4.1 計(jì)算模型的簡化與設(shè)計(jì)

為了方便計(jì)算，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，假設(shè)輪軌振動(dòng)噪聲聲波在軌道地面以及兩側(cè)隧道壁上會(huì)發(fā)生多次反射，聲能經(jīng)多次反射后會(huì)輻射到車廂中。輪軌噪聲直射隧道壁的角度范圍如圖3所示。

圖3 輪軌噪聲直射隧道壁的角度范圍

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)中對(duì)地鐵車輛主要技術(shù)規(guī)格以及行車限界的要求[9]，設(shè)計(jì)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的水泥基陶粒吸聲板和吸聲矮墻。在軌道中間安裝吸聲板，在軌道兩側(cè)豎立吸聲矮墻，整體效果如圖4所示。

圖4 鋪裝陶粒混凝土吸聲矮墻后輪軌噪聲的傳播

4.2 理論降噪效果計(jì)算

在地鐵隧道內(nèi)的聲場由直達(dá)聲場和混響聲場疊加而成，其中混響聲場占主導(dǎo)地位。由吸聲量與降噪量之間的關(guān)系[10]，可以得到鋪裝陶粒吸聲板和吸聲矮墻后的吸聲降噪量。

(1)

式中：ΔLP為吸聲降噪量，dB；A1為未安裝吸聲板和吸聲矮墻時(shí)的房間常數(shù)，m2；A2為安裝吸聲板和吸聲矮墻后的房間常數(shù)，m2。

隧道壁為普通鋼筋混凝土材料，其吸聲系數(shù)α1取值為0.03;根據(jù)混響室法測得的平均吸聲系數(shù),陶?；炷廖暡牧系奈曄禂?shù)α2取值為0.74。計(jì)算過程中取吸聲板的縱向?qū)挾葹?.8 m，吸聲矮墻的安裝高度為0.8 m，以20 m隧道長度作為封閉空間單元，根據(jù)吸聲量計(jì)算公式，求出鋪裝前后的房間常數(shù)。

將鋪裝前后的房間常數(shù)A1，A2代入式(1)可得吸聲降噪量ΔLP為

通過分析可知，在地鐵道床鋪設(shè)陶粒吸聲板和軌道兩側(cè)安裝吸聲矮墻，理論降噪量可以達(dá)到10.1 dB?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面處理對(duì)降噪效果的提高，預(yù)計(jì)其綜合降噪量可達(dá)10～12 dB。

5 結(jié)論

1)地鐵噪聲的產(chǎn)生有多方面的原因，僅僅采用主動(dòng)減振降噪手段無法有效地控制地鐵噪聲，并且對(duì)于安裝和后期維護(hù)有很高的要求，治理地鐵噪聲應(yīng)該從主動(dòng)和被動(dòng)2方面著手。

2)課題組研發(fā)的陶?；炷吝_(dá)到國家Ⅰ級(jí)吸聲產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，以其為原材料制做的吸聲板和吸聲矮墻可以通過工廠預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場直接進(jìn)行鋪設(shè)安裝，其工藝簡單，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，便于后期的維護(hù)和更換，在滿足降噪要求的同時(shí)經(jīng)久耐用、綠色環(huán)保。

3)單獨(dú)使用道床吸聲板對(duì)地鐵噪聲的降噪效果有限，以吸聲矮墻作為其配套降噪措施從聲學(xué)理論上可行，經(jīng)理論計(jì)算，其降噪效果可以達(dá)到10～12 dB。

4)陶?；炷廖暟搴臀暟珘ψ鳛樾滦蛙壍澜煌ㄎ暯翟氩牧希瑢?duì)軌道交通產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲具有良好的治理效果，在軌道交通工程上的應(yīng)用前景十分廣闊。

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