朱正清

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 機械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津300308）

1 概述

綜觀國內(nèi)外，鐵路作為便捷的大眾化公共交通方式引入城區(qū)不可避免，在做好鐵路選線選址與城市總體規(guī)劃銜接協(xié)調(diào)的同時，做好鐵路噪聲的防治是適應(yīng)公眾對寧靜生活、安靜社區(qū)、提高生活質(zhì)量的美好需求的基本條件，也是建設(shè)生態(tài)文明、建造綠色和諧鐵路的必由之路。

城區(qū)鐵路因線路形式、兩側(cè)噪聲敏感建筑特征及其與鐵路之間位置關(guān)系、環(huán)境背景特征的不同，噪聲防護措施的選擇也相應(yīng)不同。本文以某鐵路為例分析其聲屏障工程方案。

該鐵路位于北方嚴(yán)寒地區(qū)，冬季寒冷漫長、夏季炎熱短促、春季干旱少雨、寒暑溫差大，極端最低氣溫-37.5℃、極端最高氣溫36.7℃，歷年最大風(fēng)速為17.3 m/s，土壤最大凍深2.05 m，土壤凍結(jié)初終期為10月至翌年4月，年最大降水量826.3 mm，最大積雪深度為41 cm。鐵路一側(cè)噪聲保護目標(biāo)為緊鄰鐵路約17 m的臨江多棟33層高層住宅，另一側(cè)為距離鐵路約90 m的7層住宅。在敏感建筑保護目標(biāo)路段為2座并行的各12 m寬箱梁雙線橋、軌面高度約19.5 m，兩橋間僅有200 mm施工縫；靠近高層建筑側(cè)為新建客運專線、運行速度約140 km/h，遠離高層側(cè)為改建普速鐵路(客運)、列車運行速度約110 km/h。

2 聲屏障工藝方案的確定

由于線路一側(cè)約90 m外的7層住宅可通過設(shè)置常規(guī)直立式聲屏障防治鐵路噪聲，在此不再贅述。本文僅探討鄰近高層建筑的鐵路噪聲防治設(shè)計。

2.1 聲屏障設(shè)計目標(biāo)值的確定

聲屏障設(shè)計目標(biāo)值(插入損失或降噪目標(biāo))的確定與受聲點處鐵路噪聲值、背景噪聲值及環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)值大小有關(guān)。由于該項目既有普速鐵路同期改造停運，臨路高層建筑1～33層現(xiàn)狀背景噪聲值晝間約46～48.6 dB(A)、夜間約45～47.6 dB(A)，運營期環(huán)境噪聲預(yù) 測 值 晝 間 約52.8～66.3 dB(A)、夜 間 約47.7～58.4 dB(A)(其中鐵路噪聲貢獻值晝間約51.8～66.2 dB(A)、夜間約44.3～58 dB(A))，執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096—2008)4b類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，對照5.3條規(guī)定[1]，即穿越城區(qū)既有鐵路干線改、擴建項目鐵路干線兩側(cè)區(qū)域不通過列車時的環(huán)境背景噪聲限值按晝間70 dB(A)、夜間55 dB(A)執(zhí)行，晝夜噪聲均不超標(biāo)。

結(jié)合項目改建情況、周邊環(huán)境特征和聲環(huán)境功能區(qū)劃，為避免鐵路噪聲影響居民生活環(huán)境，對照2類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定聲屏障設(shè)計目標(biāo)值，取最不利樓層夜間鐵路噪聲超標(biāo)量為8 dB(A)，同時滿足高層建筑各樓層均位于聲屏障聲影區(qū)內(nèi)、不受鐵路噪聲直達聲影響[2]。

2.2 聲屏障工藝設(shè)計

為滿足上述聲學(xué)設(shè)計目標(biāo)，需設(shè)置半封閉式聲屏障，結(jié)合工程特點提出2個聲屏障工藝方案[2]：2個獨立框架半封閉聲屏障(兩側(cè)兩頂與一側(cè)兩頂敷設(shè)吸隔聲材料)(見圖1)，單個框架半封閉聲屏障(見圖2)。

通過比選，2個獨立框架聲屏障方案的優(yōu)點在于分別位于2座橋上，不會受到橋梁不均勻沉降給聲屏障結(jié)構(gòu)安全帶來的影響，缺點在于頂部吸聲材料邊緣存在積雪、融冰墜落軌道或橋間而引發(fā)的運營安全風(fēng)險，并且兩側(cè)兩頂方案由于橋間距狹小、中間直立部分聲屏障單元板安裝及維護檢修困難。單個框架半封閉聲屏障可以避免積雪、融冰墜落軌道或橋間的運營安全隱患，以及橋間聲屏障單元板的安裝及檢修維護難題，受2座橋梁不均勻沉降帶來的聲屏障結(jié)構(gòu)影響也可以通過立柱與橋梁遮板的連接方式解決。因此，最終確定采用單個框架半封閉聲屏障。

圖1 2個獨立框架半封閉聲屏障（左為兩側(cè)兩頂、右為一側(cè)兩頂）

圖2單個框架半封閉聲屏障

類比實測滬杭城際高速鐵路上海南站附近橋梁半封閉聲屏障降噪效果，距離線路外軌中心30 m、地面以上1.5 m處的降噪效果為9.5～13.0 dB，均值為11.4 dB，軌面等高處(未在橋梁遮板聲影區(qū)內(nèi))降噪效果高于地面測點(通過有限元分析降噪效果可達15 dB以上)[3]，由此可見，單個框架半封閉聲屏障可以滿足設(shè)計降噪目標(biāo)值。

2.2.1 斷面尺寸確定

斷面工藝尺寸的確定主要受接觸網(wǎng)限界影響，根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》[4]及《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)[5]要求，高速鐵路線路上方接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度為5 300 mm、結(jié)構(gòu)高度為1 400 mm、非絕緣關(guān)節(jié)非支抬高高度為300 mm，正饋線與接觸網(wǎng)絕緣距離為540 mm，由于正饋線懸掛點與接觸網(wǎng)順線路方向存在位移，考慮正饋線在腕臂處馳度及安裝情況，正饋線與接觸網(wǎng)絕緣距離為740 mm；正饋線距接地體間隙為300 mm，考慮垂直線路方向安裝距離，股道中心線上方軌面以上凈空高度一般不小于8.1 m[2,6]。

該項目設(shè)計過程中考慮工期等影響，采取接觸網(wǎng)立柱與聲屏障框架柱分建，按照接觸網(wǎng)限界控制，確定框架直立部分邊立柱高7.9 m、中間立柱高8.4 m、挑檐鋼桁梁軸線高8.8 m。結(jié)合聲學(xué)防護范圍，確定頂部總寬度17.35 m，其中門洞部分12.55 m、外檐部分4.8 m。

2.2.2 安裝方式選擇

傳統(tǒng)的鐵路聲屏障通常采用柱板插入式安裝，考慮到該項目列車運行速度較低、北方嚴(yán)寒地區(qū)存在頂面積雪情況，參照站臺雨棚等對比分析了整體外敷吸(隔)聲材料安裝方式的可行性。2種安裝方式對比分析如表1所示。

通過比選，綜合考慮工點處列車運行速度低、嚴(yán)寒地區(qū)積雪影響等環(huán)境適應(yīng)性，以及施工工期、運營維修等因素，確定采用整體外敷式安裝工藝。

3 聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工安裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

聲屏障主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，單元板等材料設(shè)計使用年限25年。

3.1.1 荷載因素及取值

（1）恒荷載需考慮結(jié)構(gòu)和單元板自重。

（2）活荷載按照不上人屋面取值，針對高寒地區(qū)雪荷載按百年一遇基本雪壓取值，活荷載和雪荷載不同時組合、取活荷載與雪荷載兩者對比較大值，雪荷載組合時考慮不均勻分布。

（3）風(fēng)荷載一般按百年一遇基本風(fēng)壓、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[7]風(fēng)載體型系數(shù)取值。無車時按臺風(fēng)地區(qū)、非臺風(fēng)地區(qū)百年一遇基本風(fēng)壓取值，有車時按列車運行限制風(fēng)速對應(yīng)基本風(fēng)壓確定。

（4）列車運行氣動力荷載通過列車脈動風(fēng)壓及結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)仿真計算得出，與列車運行速度、聲屏障距線路中心線距離、聲屏障型式及高度等密切相關(guān)。研究表明，半封閉聲屏障列車脈動風(fēng)壓時程與直立式聲屏障趨勢相同，均有頭波和尾波效應(yīng)、背板風(fēng)壓值遠小于面板，脈動風(fēng)壓沿豎直方向減小，列車產(chǎn)生的正壓峰值和負壓峰值在沿列車運行方向中部位置較大且穩(wěn)定、出入口附近整體較小、極值出現(xiàn)在距入口5 m左右且存在第二峰值。

（5）接觸網(wǎng)與聲屏障結(jié)構(gòu)合建時，應(yīng)考慮運行狀態(tài)下的接觸網(wǎng)荷載。

（6）考慮地震和溫度作用。

3.1.2 荷載組合

（1）組合工況。需考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、列車氣動力、接觸網(wǎng)荷載不同工況下的荷載組合，其中風(fēng)荷載與氣動力組合時按照《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》[4]要求，不同最高運行速度對應(yīng)不同的限制風(fēng)速。風(fēng)荷載、列車氣動力、接觸網(wǎng)均為2個方向，荷載組合時，荷載的方向均以同向最不利方式考慮。

（2）荷載組合系數(shù)。①分項系數(shù)：永久荷載分項系數(shù)取1.2，可變荷載分項系數(shù)取1.4，接觸網(wǎng)荷載豎向力按照恒荷載考慮，分項系數(shù)取1.2。②組合值系數(shù)：活荷載、雪荷載組合值系數(shù)取0.7(活荷載與雪荷載不同時組合)，風(fēng)荷載組合值系數(shù)為0.6，溫度荷載組合值系數(shù)0.6，列車氣動力組合值系數(shù)取1.0，接觸網(wǎng)水平力與列車氣動力同時存在、組合值系數(shù)取1.0。③結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

表1安裝方式比選

3.1.3 結(jié)構(gòu)計算

（1）主要設(shè)計指標(biāo)。①結(jié)構(gòu)水平位移控制：接觸網(wǎng)立柱與聲屏障鋼架立柱結(jié)構(gòu)分建時，聲屏障結(jié)構(gòu)頂部水平位移按H/200控制；合建時，按《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》(TB 10009—2016)[8]規(guī)定計算得出。②結(jié)構(gòu)頂部撓度控制：主梁豎向撓度按L/400控制、檁條撓度按L/200控制[9]。③結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性、疲勞等驗算指標(biāo)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[9]規(guī)定執(zhí)行。

（2）結(jié)構(gòu)材料。需要選定梁、柱主體鋼結(jié)構(gòu)，以及檁條、支撐、系桿材質(zhì)，焊接材料，螺栓連接材料等。

（3）結(jié)構(gòu)驗算內(nèi)容。包括鋼架立柱強度、立柱穩(wěn)定性、立柱疲勞，螺栓連接及疲勞等檢算，并計算柱底反力(水平力、豎向力、彎矩)，提供橋梁接口設(shè)計資料。

封閉式聲屏障還需考慮控制溫度作用的伸縮縫設(shè)置與連接處理，以及明確焊縫形式和質(zhì)量要求、防腐與防火措施。需要說明的是，該項目在柱腳設(shè)計時采用了外側(cè)剛接、內(nèi)側(cè)鉸接的柱腳連接方案，既控制好結(jié)構(gòu)頂部位移、又優(yōu)化了傳遞給橋梁的作用力。

3.2 施工安裝關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 吸聲材料敷設(shè)

吸聲材料系統(tǒng)安裝主要包含吊頂孔板、無堿憎水玻璃布、吸聲玻璃棉、防水透氣膜、屋面板、裝飾鋁板等安裝。

（1）吊頂孔板。利用移動式平臺進行安裝，安裝前先放出第一列板的安裝基準(zhǔn)線，以板寬為間距，放出每一塊板的安裝位置。第一塊吊頂孔板固定就位后，在板端與板頂各拉1根連續(xù)的準(zhǔn)線并與第一塊板為引導(dǎo)線，便于后續(xù)鋁鎂合金穿孔底板的快速固定。吊頂孔板通過自攻螺釘與檁條連接，安裝順序為由低至高、由兩邊緣至中間。

（2）無堿憎水玻璃布。安裝方向應(yīng)平行于屋面板方向，且水平與縱向搭接，鋪設(shè)后外觀應(yīng)平整、干凈。遇到屋面板咬合固定支座位置，將無堿憎水玻璃布進行裁剪、下拉。

（3）吸聲玻璃棉。與無堿憎水玻璃布同步快速跟進安裝，安裝方向與無堿憎水玻璃布方向一致。安裝時注意上下層間錯縫搭接，必須滿鋪，不得漏鋪或少鋪，邊角部位需鋪設(shè)嚴(yán)密。

（4）防水透氣膜。安裝方向平行于吸聲玻璃棉方向，緩慢鋪設(shè)且水平與縱向搭接。

（5）屋面板。第一塊板的安裝非常重要，應(yīng)嚴(yán)格校正，以避免屋面板安裝到最后時出現(xiàn)較大偏差；之后繼續(xù)安裝后續(xù)屋面板，后一片板的目肋搭接邊用力壓入前一塊板的搭接邊，鎖邊時每條縫通常鎖緊2次。

（6）裝飾鋁板。首先需要安裝龍骨，在主結(jié)構(gòu)上彈出龍骨安裝點，就位后進行龍骨焊接。龍骨安裝完成后，裝飾鋁板通過四周鋁角碼與龍骨連接，固定角碼與主龍骨、次龍骨，采用不銹鋼自攻緊固螺釘緊固。

3.2.2 防雷、防墜落、防融冰

（1）防雷技術(shù)。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057—2010)[10]金屬板下無易燃物，并且鋁板厚度不應(yīng)小于0.65 mm，金屬板無絕緣被覆層，可作為接閃器。該項目將3 mm厚裝飾鋁板作為接閃器，通過連接件作為引下線，將電流引至主鋼結(jié)構(gòu)，形成避雷體系。電流傳遞方式：雷電→裝飾鋁板→裝飾鋁板龍骨→屋面板→固定支座→連接螺釘→屋面檁條→主鋼結(jié)構(gòu)→接地點。

（2）防墜落技術(shù)。防墜落系統(tǒng)主要為了減少高空墜落造成的傷亡。金屬屋面在大面積和大跨度的高空作業(yè)情況下，容易發(fā)生墜落風(fēng)險，水平防墜落體系是最佳的防墜落保護裝置。該項目的防墜落采用鋁方管，小立柱焊接固定在主結(jié)構(gòu)上，小立柱與縱向方管采用焊接與螺栓固定的方式相連接，作業(yè)人員可將安全帶掛在縱向方管上，起到安全防護作用。

（3）防融冰技術(shù)。北方地區(qū)雪季時會在屋頂形成積雪，經(jīng)太陽照射后會凝結(jié)成冰加雪的大型雪塊，結(jié)實而沉重，積攢到一定重量后會從屋面滑落，可能對行人安全構(gòu)成威脅、對建筑物和財產(chǎn)造成不同程度的影響。為了保證屋面的積雪不至于大量滑落地面，屋面需設(shè)置擋雪系統(tǒng)。該項目在聲屏障屋面彎弧處與底部設(shè)置擋雪系統(tǒng)，屋面彎弧處在防墜落縱向方管上設(shè)2道擋雪片，一方面增加防墜落系統(tǒng)的強度，另一方面在大型雪塊出現(xiàn)時可有效擋住屋面的冰雪塊，防止向下滑落。聲屏障底部的天溝處進行特別處理，增加了擋雪片和雨水導(dǎo)流片，可有效遮擋冰雪塊，融化雪水可以順著天溝流到橋梁雨水管系統(tǒng)及時排出。

4 啟示與建議

該鐵路橋梁半封閉聲屏障建成運營近5年來，取得較好的社會、環(huán)境效益，通過類比實測降噪效果達11 dB(A)以上，也很好地融入了當(dāng)?shù)氐淖匀伙L(fēng)景。城區(qū)鐵路噪聲防治是今后鐵路建設(shè)中遇到的普遍而難以處理的問題之一，封閉式聲屏障建設(shè)是較為有效的解決途徑，但由于城區(qū)既有噪聲源復(fù)雜、施工限制因素眾多，特別是涉及既有鐵路、市政道路等，結(jié)合該鐵路項目的工程實踐，建議在城區(qū)鐵路封閉式聲屏障設(shè)計和施工中應(yīng)關(guān)注以下問題。

一是應(yīng)科學(xué)合理確定降噪目標(biāo)。鐵路建設(shè)應(yīng)貫徹生態(tài)文明理念，綜合考慮城區(qū)既有噪聲源的復(fù)雜性、居民美好生活的現(xiàn)實需求，以及鐵路工程的社會效應(yīng)和建設(shè)條件，以改善環(huán)境為核心，科學(xué)合理確定降噪目標(biāo)。

二是應(yīng)因地制宜的選擇聲屏障型式及工藝設(shè)計。城區(qū)鐵路聲屏障的設(shè)計應(yīng)結(jié)合工程與敏感點的平面高差位置關(guān)系、工程實施條件、當(dāng)?shù)氐臍庀髿夂蛱卣鞯?，在滿足降噪目標(biāo)的前提下，選擇適宜的聲屏障型式和安裝工藝。

三是應(yīng)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠。安全是鐵路建設(shè)運營的根本，特殊結(jié)構(gòu)聲屏障設(shè)計尤其要充分重視結(jié)構(gòu)主體、單元板、連接構(gòu)件的安全可靠，滿足最不利荷載組合條件下變形、剛度、疲勞等控制要求。

四是應(yīng)考慮施工安裝和運營維護的便利性。在滿足聲屏障安全性、功能性的前提下，封閉式聲屏障的設(shè)計還應(yīng)建立全壽命周期效益的理念，采用施工簡便、運營簡單的結(jié)構(gòu)和工藝，降低工程投資和運營成本，最大限度發(fā)揮其經(jīng)濟效益。