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12.5%，運(yùn)營規(guī)模繼續(xù)保持高增長勢頭。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)測分析和驗(yàn)證性評價(jià)城市軌道交通高架段對沿線高層住宅小區(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，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聲源，按HJ/T90－2004《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測量規(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)測計(jì)算可知，在高架橋高13 m的情況下，3 m 高聲屏障對10 層以上測點(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，噪聲級在70 dB（A）左右；3 層至10 層噪聲級約為63.0 dB（A）～65.0 dB（A），20層至30層噪聲級約為59.0 dB（A）～62.0 dB（A），30 層以上等效聲級約為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，例如：對于半封閉結(jié)構(gòu)聲屏障，僅豎向力（對于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單樁樁底每米允許承載力為65 kN，需要增加1.5 m樁長，原設(shè)計(jì)樁長僅余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降低輻射噪聲的實(shí)施效果，運(yùn)營單位對典型路段進(jìn)行了夜間限速監(jiān)測研究，針對代表性保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行了不同運(yùn)行速度下的噪聲監(jiān)測，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。監(jiān)測按照《鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》、《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)測小區(qū)時(shí)盡可能考慮到研究線路不同區(qū)段相對高差、背景噪聲現(xiàn)狀、軌道線路彎曲程度等對保護(hù)目標(biāo)所受到的噪聲影響的差異性，并對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。

對于夜間降速降噪措施實(shí)施效果的監(jiān)測選擇了夜間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1小時(shí)等效連續(xù)A聲級（平均列流狀態(tài)），一臺(tái)用于監(jiān)測背景噪聲（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 號樓噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況見表4。

根據(jù)表4 監(jiān)測結(jié)果，代表性1#小區(qū)臨輕軌和城市快速路最近的1 號樓各樓層窗外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號樓噪聲現(xiàn)狀監(jiān)測結(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)測結(jié)果及達(dá)標(biāo)情況見表5。

根據(jù)表5 監(jiān)測結(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。對輕軌進(jìn)行夜間限速后各樓層噪聲現(xiàn)狀值相對于無輕軌經(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

在位于線路曲線外側(cè)的代表性3#小區(qū)1 號樓5層窗外1 m處設(shè)置了24小時(shí)噪聲連續(xù)監(jiān)測點(diǎn)，其24小時(shí)監(jiān)測結(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號樓5層24小時(shí)監(jiān)測點(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)測點(diǎn)噪聲現(xiàn)狀值相對于無輕軌經(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號樓5層窗外1 m處24小時(shí)噪聲值監(jiān)測結(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)對實(shí)際監(jiān)測結(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)聲屏障對橋梁樁基承載力要求較高，對于已運(yùn)營線路實(shí)施可行性較差。

（3）通過對代表性保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)測分析可知，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。