潘 鵬 劉文武

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010； 2.廣東省城市軌道交通工程建造新技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510010)

高架城市軌道交通因建設(shè)周期短、造價(jià)低得到廣泛應(yīng)用，但由此帶來(lái)的高架線沿線噪聲較大等問(wèn)題成為各城市面臨的難題[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、控制措施及工程應(yīng)用等方面進(jìn)行大量研究。雷曉燕等總結(jié)高架軌道橋梁誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展[2]；劉林芽等總結(jié)國(guó)內(nèi)外軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的輻射特性、預(yù)測(cè)方法、產(chǎn)生機(jī)理、控制措施及工程應(yīng)用等方面的研究成果[3]；馮青松等歸納近些年來(lái)基于聲子晶體理論的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、聲屏障的控制理論研究現(xiàn)狀[4]；李小珍等通過(guò)理論和試驗(yàn)結(jié)合的方式分析不同軌道結(jié)構(gòu)形式下箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的頻變規(guī)律[5]。

針對(duì)既有高架線噪聲問(wèn)題，一方面可采用阻尼鋼軌降噪裝置或聲屏障來(lái)治理輪軌噪聲；另一方面可通過(guò)改變道床結(jié)構(gòu)來(lái)降低橋梁結(jié)構(gòu)的二次結(jié)構(gòu)噪聲。部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究，伍向陽(yáng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證全封閉聲屏障可大幅降低列車(chē)通過(guò)噪聲[6]；周紅梅采用邊界元法計(jì)算不同頂部形式近軌吸聲矮墻在不同受聲點(diǎn)處的降噪能力[7]；易強(qiáng)等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析不同組合降噪措施下高架沿線環(huán)境噪聲的空間分布特性及其噪聲控制效果[8]；陳艷明等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了阻尼鋼軌降噪性能[9]；尹學(xué)軍等實(shí)測(cè)鋼軌阻尼器的減振降噪效果[10]；劉興龍等對(duì)高架橋振動(dòng)、噪聲進(jìn)行測(cè)試與分析，研制調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對(duì)軌道高架橋梁的結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行控制[11]；李克飛等通過(guò)對(duì)輪軌噪聲影響因素分析，提出輪軌噪聲的防、治措施建議[12]；周力等通過(guò)有限元法分析高架橋動(dòng)力吸振器降噪效果[13]；張校銘等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，經(jīng)過(guò)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)處理得出寬頻型迷宮式約束阻尼鋼軌降噪效果[14]；張良濤采用有限元與邊界元相結(jié)合的方法，分析不同軌道減振措施時(shí)橋梁振動(dòng)及其引起的結(jié)構(gòu)噪聲特性[15]。基于前人的研究成果，針對(duì)高架區(qū)間沿線噪聲問(wèn)題，充分考慮既有高架線特點(diǎn)，從軌道專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)，在不影響既有設(shè)備和正常運(yùn)營(yíng)的前提下進(jìn)行降噪方案設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 線路概況

本項(xiàng)目線路采用6輛編組直線電機(jī)車(chē)輛，最大軸重13 t，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度100 km/h，接觸軌供電。

高架區(qū)間沿線有學(xué)校1處、居民小區(qū)3處，原設(shè)計(jì)中學(xué)校段設(shè)置了聲屏障，居民小區(qū)均為線路開(kāi)通后建成，距離線路100 m以外，部分段落后期改造安裝了聲屏障。該段曲線半徑400 m，另外2處居民小區(qū)段線路曲線半徑300 m。

軌道主要設(shè)備：60 kg/m U75V普通熱軋鋼軌、單趾彈簧小阻力扣件、預(yù)制板式道床、UIC33槽形鋼護(hù)軌。

1.2 軌道減振降噪措施

(1)浮置板或軌枕類(lèi)減振

浮置板式軌道結(jié)構(gòu)主要有鋼彈簧浮置板、減振墊浮置板、梯形軌枕等。其主要原理是通過(guò)降低軌道支承剛度，讓部分道床或軌枕參與振動(dòng)，消耗一部分能量；同時(shí)降低軌道結(jié)構(gòu)固有頻率，從而達(dá)到隔振的效果。以此降低列車(chē)運(yùn)行導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

道床或軌枕類(lèi)措施適合在新建線路采用，由于本項(xiàng)目處于運(yùn)營(yíng)階段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)道床改造，因此不適用。

(2)扣件類(lèi)軌道減振

扣件類(lèi)減振主要有浮軌(先鋒)扣件、中等減振扣件。其主要原理是通過(guò)降低軌道支承剛度，從而達(dá)到隔振的效果，同時(shí)小幅降低列車(chē)運(yùn)行導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由于沒(méi)有浮置板或軌枕參振，其隔振效果較差。

另外，降低鋼軌支承剛度往往會(huì)引發(fā)鋼軌波磨、嘯叫，雖然能夠降低一定的橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲，但綜合兩者，其降噪效果還有待驗(yàn)證。

(3)阻尼鋼軌降噪

將阻尼板通過(guò)機(jī)械裝置及粘鋼膠粘貼、鎖定在鋼軌軌腰和軌底處，對(duì)降低輪軌噪聲有一定效果。

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，推薦采用阻尼鋼軌降噪裝置，設(shè)置在整個(gè)小半徑曲線，同時(shí)結(jié)合環(huán)評(píng)原則，在敏感點(diǎn)外延伸60 m。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案比選

(1)迷宮式阻尼鋼軌

迷宮式約束阻尼板通過(guò)巧妙的迷宮格室設(shè)計(jì)，使阻尼面積大幅超過(guò)粘貼表面積，其有阻尼層變形大、約束剛度高、阻尼比高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)阻尼材料性能的依賴(lài)性較低，見(jiàn)圖1。適用于輪軌噪聲較大的曲線地段，對(duì)高頻噪聲(如曲線嘯叫、制動(dòng)噪聲)抑制效果更好。試驗(yàn)表明，噪聲頻率越高，降噪效果越好。

圖1 迷宮式阻尼鋼軌

(2)寬頻型約束阻尼鋼軌

第二代寬頻型約束阻尼鋼軌在迷宮式約束阻尼鋼軌的基礎(chǔ)上增加鋼軌吸振器，其外框架采用鋁合金型材，外形美觀，鋼軌吸振器的吸振頻率可以根據(jù)波磨頻率在出廠前精確設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌波磨振動(dòng)頻帶能量的有效吸收，外觀見(jiàn)圖2。產(chǎn)品安裝采用高性能膠粘貼，彈簧夾進(jìn)行二次安全防護(hù)，使產(chǎn)品安裝后安全可靠。由于增加鋼軌吸振器，在高架線路上的降噪性能可達(dá)到3～5 dB(A)。

圖2 寬頻型約束阻尼鋼軌

(3)鋼軌吸振器

鋼軌吸振器結(jié)構(gòu)形式是：采用特制的彈性金屬卡夾，將鋼軌減振器(TRD)緊密吻合地安裝在鋼軌兩側(cè)的軌腰上面，以避免發(fā)生剝離脫落現(xiàn)象。其中，TRD由高阻尼彈性體和彈性體內(nèi)按確定幾何和物理特性要求設(shè)置的質(zhì)量體組成，構(gòu)成一個(gè)阻尼性質(zhì)量-彈簧減振系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提高鋼軌系統(tǒng)阻尼，降低鋼軌振動(dòng)平均能量水平，抑制輪軌間振動(dòng)能量在鋼軌傳播，具有寬頻帶減振效果，并能減小鋼軌波磨，提高行車(chē)平順性，從而達(dá)到控制振動(dòng)影響的目的。

(4)小結(jié)

3種阻尼鋼軌降噪方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 阻尼鋼軌降噪方案對(duì)比

由表1可知，寬頻型約束阻尼鋼軌性能優(yōu)于迷宮式阻尼鋼軌，且兼具減緩波磨、降噪和減振的性能。而鋼軌吸振器僅能減緩波磨速率，不具備降噪性能。

綜合對(duì)比以上3種方案，寬頻型約束阻尼鋼軌降噪性能、綜合性?xún)r(jià)比最優(yōu)，推薦采用寬頻型約束阻尼鋼軌。

2.2 降噪效果目標(biāo)

以同一線路、同一地段安裝本裝置前后相同測(cè)點(diǎn)處列車(chē)通過(guò)時(shí)段A計(jì)權(quán)噪聲級(jí)的差值作為降噪效果的評(píng)價(jià)依據(jù)，降噪效果均應(yīng)不低于3 dB(A)。具體測(cè)點(diǎn)要求如下。

(1)軌道中心線外7.5 m，高于軌面5 m(參照HJ 453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-城市軌道交通》)。

(2)軌道中心線外30 m，高于軌面1.2 m(參照GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法》)。

2.3 安裝方案

結(jié)合聲屏障設(shè)置范圍及現(xiàn)場(chǎng)條件，阻尼鋼軌安裝方案如下。

(1)第一階段

為進(jìn)行阻尼鋼軌安裝工藝試驗(yàn)及彈簧夾受直線電機(jī)吸力影響試驗(yàn)，在本線車(chē)輛基地試車(chē)線中部進(jìn)行阻尼鋼軌安裝試驗(yàn)，安裝長(zhǎng)度為50 m。

(2)第二階段

在居民小區(qū)某段(雙線)安裝阻尼鋼軌，參照聲屏障設(shè)置阻尼鋼軌范圍，包含整個(gè)小半徑曲線，單線長(zhǎng)度為728.15 m。待取得測(cè)試驗(yàn)證后，若阻尼鋼軌降噪效果≤3 dB(A)，再開(kāi)展第三階段改造。

(3)第三階段

根據(jù)第二階段實(shí)測(cè)結(jié)果，若阻尼鋼軌達(dá)到預(yù)期效果，則開(kāi)展第三階段工作。設(shè)置在整個(gè)小半徑曲線，同時(shí)結(jié)合環(huán)評(píng)原則，在敏感點(diǎn)外延伸60 m，單線長(zhǎng)度915.38 m。

3 測(cè)試方案及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試目的

針對(duì)本項(xiàng)目高架區(qū)間曲線段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)與噪聲測(cè)試，評(píng)價(jià)列車(chē)通過(guò)敏感區(qū)域時(shí)該路段阻尼鋼軌的減振降噪效果。

3.2 測(cè)試斷面

為對(duì)阻尼鋼軌安裝后的效果進(jìn)行跟蹤，除進(jìn)行安裝前后的振動(dòng)、噪聲測(cè)試外，在上線使用半年后，還進(jìn)行跟蹤測(cè)試。

其中，對(duì)居民小區(qū)某斷面進(jìn)行3次測(cè)試。

(1)第1次，測(cè)試安裝阻尼鋼軌前振動(dòng)、噪聲；

(2)第2次，測(cè)試安裝阻尼鋼軌后振動(dòng)、噪聲；

(3)第3次，測(cè)試阻尼鋼軌運(yùn)營(yíng)半年后振動(dòng)、噪聲。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

(1)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位于鋼軌(左右股)、道床板(中心)、橋面板(左右側(cè))、橋下地面，見(jiàn)圖3。

(2)噪聲測(cè)點(diǎn)包括距線路中心S1-7.5 m(參照HJ 453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-城市軌道交通》，軌面以上5 m)、S2-30 m(軌面以上1.2 m)(參照GB 12525—1990《鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法》)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖3 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 噪聲測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

同時(shí)，在靠近高架線路側(cè)窗戶(hù)或陽(yáng)臺(tái)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，共3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.4 測(cè)試結(jié)果

(1)進(jìn)行全天振動(dòng)測(cè)試，抽取20次列車(chē)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，進(jìn)行Z振級(jí)(垂向)分析，各點(diǎn)振動(dòng)級(jí)見(jiàn)表2。

表2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果 dB

根據(jù)本項(xiàng)目要求，該敏感點(diǎn)距線路超過(guò)100 m，軌道交通振動(dòng)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，故不進(jìn)行振動(dòng)影響評(píng)價(jià)。

(2)進(jìn)行早高峰(6：22～9：22)、晚高峰(16：06～19：06)、夜間(22：00～23：00)3個(gè)時(shí)段連續(xù)測(cè)試，得到連續(xù)等效噪聲；抽取其中列車(chē)通過(guò)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲級(jí)分析得到列車(chē)通過(guò)時(shí)段的等效噪聲；隨機(jī)選取20 min左右數(shù)據(jù)，剔除地鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)段的噪聲數(shù)據(jù)，計(jì)算等效聲級(jí)，得到背景噪聲，見(jiàn)表3。

測(cè)試結(jié)果表明，鋪設(shè)阻尼鋼軌后，居民小區(qū)對(duì)應(yīng)地段距離線路中心7.5 m處，列車(chē)通過(guò)時(shí)段噪聲為66.4～68.5 dB(A)，平均降低3 dB(A)；距離線路中心30 m處，列車(chē)通過(guò)時(shí)段噪聲為64.5～66.9 dB(A)，平均降低3.1 dB(A)。經(jīng)過(guò)半年運(yùn)行后，沿線噪聲與半年前(剛鋪設(shè)阻尼鋼軌時(shí))相比變化不大。

表3 噪聲測(cè)試結(jié)果 dB(A)

4 結(jié)論及建議

(1)距離線路中心7.5 m處，列車(chē)通過(guò)時(shí)段噪聲平均降低3 dB(A)；距離線路中心30 m處，列車(chē)通過(guò)時(shí)段噪聲平均降低3.1 dB(A)，基本滿(mǎn)足降噪效果不低于3 dB(A)的要求。

(2)軌道交通高架線聲源復(fù)雜，整治難度大，需多專(zhuān)業(yè)協(xié)同配合， 軌道專(zhuān)業(yè)只能實(shí)現(xiàn)一定程度的降噪，故有必要從車(chē)輛、聲屏障、橋梁結(jié)構(gòu)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展綜合整治研究。