武漢市軌道交通隔聲屏研究與設計[摘 要] 以既有城市軌道交通噪聲實測數(shù)據(jù)及森林小火車隔聲屏試驗數(shù)據(jù)為基礎,利用聲學相似律,分析了城市軌道交通噪聲源特性及不同類型隔聲屏降噪效果,并將研究成果運用于武漢市軌道交通一號線一期工程的噪聲控制工程設計,實際測量表明,試驗結果與實際工程結果基本吻合,設計達到了預期目標。[關鍵詞] 軌道交通 隔聲屏 研究 設計1 概述 武漢市軌道交通一號線一期工程從宗關至黃浦路,全長10余公里,采用全高架橋梁形式貫穿武漢市鬧市區(qū),沿線環(huán)境敏感點眾多。軌道交通運營后,不可避免地對沿線環(huán)境造成不同程度的影響,沿線高層建筑的部分樓層大多數(shù)將超標,噪聲控制設計是武漢市軌道交通工程設計的重點和難點。 為配合武漢市軌道交通工程設計,鐵道第四勘察設計院對本工程列了專題科研項目,研究項目以既有城市軌道交通噪聲實測數(shù)據(jù)及森林小火車隔聲屏試驗數(shù)據(jù)為基礎,并利用聲學相似律,研究了武漢市軌道交通列車噪聲源特性及噪聲控制設防值、軌道交通噪聲環(huán)境影響范圍及程度研究、不同類型隔聲屏的降噪效果試驗、提出了武漢市軌道交通噪聲控制工程設計方案,并成功地運用于武漢市軌道交通的隔聲屏設計。2 城市軌道交通噪聲源特性及環(huán)境影響測量分析2.1 城市軌道噪聲源特性 不同車輛在國內既有軌道交通上運行的噪聲源特性測量結果見表1。
天津地鐵以及上海明珠線的噪聲頻譜特性見圖1。 根據(jù)CJ/T5021~1995《輕軌交通車輛通用技術條件》中的規(guī)定,車輛以70km/h速度運行時,距軌道中心線7.5m處,車輛噪聲不得超過82dBA。但從上述資料可以看出,車輛以70km/h速度運行時,距離軌道中心線7.5m處,車輛噪聲均超過或接近90dBA,峰值出現(xiàn)在500HZ~600HZ處,63~4000HZ頻譜范圍內聲級均超過75dBA,所以武漢市城市軌道交通噪聲控制工程的設防值選擇為90dBA。2.2 城市軌道交通噪聲環(huán)境影響測量分析 為了分析武漢市城市軌道交通噪聲環(huán)境影響的范圍和程度,對既有的城市高架軌道交通線進行了噪聲測量,測量區(qū)段的橋高約8~10m,距橋梁中心線為20m處,列車運行噪聲瞬時值測量結果見表2。 從表2可以看出,城市高架軌道交通的噪聲隨高度的變化明顯變化,在6層以下及16層以上相對于中間樓層小,呈明顯的蝶形分布。在距橋梁中心線為20m的建筑處,列車運行噪聲的瞬時值基本都超過90dBA,8-12層甚至超過95dBA,預計隨著車速的提高環(huán)境噪聲會進一步提高。2.3 輪軌噪聲與橋梁振動二次輻射噪聲測量分析 測量點距橋梁中心線為10m處,列車運行噪聲瞬時值測量結果見表3,在測點與軌道之間設置了約4m高直立式隔聲屏。 從表3看出,列車在遠軌離測量點的軌道上運行時的噪聲超過90dBA,但在靠近測量點的軌道上運行時的噪聲卻小于90dBA,這說明聲屏障對近軌的降噪效果好于遠軌。 同時從表3還可以看出,對于在靠近測量點的軌道上運行的列車噪聲,在高于橋面的5樓窗外測量值為86.3dBA,而在3樓窗外卻達到89.2dBA,測量數(shù)據(jù)顯示在此測點處,聲屏障對5樓窗的降噪效果好于3樓,這顯然與聲屏障在低處的降噪效果好于高處的理論不一致,造成這種不一致的原因在于:高架軌道交通噪聲主要由輪軌噪聲和橋梁振動二次輻射噪聲兩部分組成,而聲屏障只能降低輪軌噪聲,而對橋梁振動二次輻射噪聲并無作用。由于3樓測點距橋梁更近,受橋梁振動二次輻射噪聲的影響大于5樓,由此造成聲屏障在3樓處的降噪效果差于5樓。 由此可以推斷,城市軌道交通噪聲在橋面以上部分,輪軌噪聲是最主要的噪聲源,而在橋面以下部分,橋梁振動二次輻射噪聲的貢獻則不可忽視,由于它的影響隔聲屏的降噪效果而大幅度下降了。3 隔聲屏降噪效果模型試驗研究 隔聲屏在實際軌道線路上進行試驗,其結果不僅直觀,而且可靠,但1∶1的屏障試件制作和實際車輛運行費用的投資較大,很難進行多種形式的隔聲屏降噪效果比較試驗。經(jīng)多次研討和比較,最后選擇森林公園游覽小火車線路作為試驗路軌,其火車外尺寸、軌道寬度和實際軌道近似為1∶2,所以隔聲屏試驗采用1∶2縮比模型試驗。根據(jù)試驗結果,利用聲學相似律推測實際隔聲屏的降噪效果。3.1 隔聲屏模型試驗研究的理論基礎 聲學縮比模型試驗是建立在聲學相似性法則基礎上的,即當ka相同時,表現(xiàn)出相同的聲學規(guī)律。其中:k=f/ck為聲波數(shù)、f為聲波頻率、c為聲波速度、a為環(huán)境的幾何尺寸。 根據(jù)k0a0=k1a1的要求,結合城市軌道交通實際寸尺與森林公園小火車的尺寸基本為2∶1的實際情況,本次試驗采用2∶1縮比試驗,即所有的試驗模型及環(huán)境參數(shù)均按2∶1縮比制作及布置。即時模型試驗在頻率為f、幾何尺寸為a處的降噪效果,相當于實際環(huán)境中在頻率為f/2、幾何尺寸為2×a處的降噪效果。3.2 隔聲屏模型試驗 隔聲屏模型試驗共進行了設置T型隔聲屏、直立式隔聲屏,倒L式隔聲屏、大型折板式隔聲屏等二十余種隔聲屏降噪效果模型試驗,根據(jù)試驗結果,城市軌道交通采用不同類型的隔聲屏的降噪效果詳見表4。4 武漢市軌道交通隔聲屏設計 由于武漢市軌道交通全線噪聲敏感點均較為集中,并且設計階段列車噪聲指標尚不明確,為了能在軌道交通運營后,既能當列車噪聲較高時能設置降噪效果較好的大型折板式隔聲屏,又能防止因噪聲防治措施過當,而造成的不必要的浪費,本次隔聲屏設計采取了如下工程措施: (1)按照要求選擇低噪聲車輛,噪聲控制工程車輛噪聲設防值為:在距軌道中心線7.5m處為90dBA; (2)對環(huán)境敏感點相對集中的區(qū)段初期設置雙側或單側大型折板式隔聲屏,對環(huán)境敏感點比較集中的區(qū)段初期設置直立式隔聲屏,其余區(qū)段結合電纜支架設置高度為1.7m的倒L式隔聲屏,并預留設置大型折板式隔聲屏條件; (3)全線未設置大型折板式隔聲屏、且為直線的區(qū)段,線路中間設置高度為1.6m的T型隔聲屏; (4)運營后,根據(jù)噪聲環(huán)境影響情況,確定何時安裝預留部分的隔聲屏; (5)環(huán)境敏感點相對集中的區(qū)段采取了設置減振道床及無縫線路等工程措施。5 武漢市軌道交通隔聲屏實際效果測量分析 武漢市軌道交通隔聲屏于2003年底完成并投入運營,全線共設置倒L式8011延米、直立式隔聲屏1624延米、雙側或單側大型折板式隔聲屏1392延米、T型隔聲屏5048延米,工程總投資約4千萬元,不同形式隔聲屏見下面照片。 為了考察武漢市軌道交通一號線一期工程的噪聲控制工程的降噪效果,對武漢市軌道交通列車運行噪聲進行了實際測量,測量包括綜合降噪效果測量及大型折板式隔聲屏插入損失測量。5.1 綜合降噪效果測量結果分析 在設置了大型折板式隔聲屏的輕軌高架橋旁的市二中教工宿舍的1、3、5樓設置噪聲測量點,測量布點見圖2。 在測量現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),輕軌列車的噪聲小于道路上公交車的噪聲,無法直接測量出輕軌運行噪聲的等效聲級,為了排除背景噪聲的干擾,決定在各測量點同時測量列車通過時的瞬時噪聲,再根據(jù)輕軌的車流量、車速及列車通過時間計算出各測點的等效聲級。根據(jù)市二中教工宿舍處輕軌列車運行瞬時噪聲的測量結果,結合武漢軌道交通的車長、車速、車流及運行時間,測量的瞬時聲級及計算出的輕軌運行噪聲等效聲級見表5。5.2大型折板式隔聲屏插入損失測量結果分析 在設置及不設置大型折板式隔聲屏的輕軌高架橋旁的銀河小區(qū)的5樓設置噪聲測量點,同時測量列車通過時的瞬時噪聲,得出在設置及不設置大型折板式隔聲屏時列車運行瞬時噪聲的差值,由此得出大型折板式隔聲屏插入損失,測量布點見圖3。 根據(jù)銀河小區(qū)處輕軌列車運行瞬時噪聲的測量結果,結合軌道交通的車長、車速、車流及運行時間,測量的瞬時聲級及計算出銀河小區(qū)的輕軌運行噪聲等效聲級見表6。5.3 輕軌降噪效果測量分析結論 根據(jù)輕軌運行噪聲測量及分析,可得出如下結論: (1)在設置了大型折板式隔聲屏的區(qū)段,輕軌交通列車運行產生的環(huán)境噪聲晝夜均可達到國家規(guī)定的環(huán)境標準; (2)大型折板式隔聲屏的實際插入損失為12.3dBA,與研究報告的預測結果完全符合。 (3)采取了本次研究提出的降噪措施,沿線有10余所學校、兩家大型醫(yī)院,以及數(shù)個受噪聲影響較為嚴重的居民集中區(qū)晝間基本達標、夜間也接近環(huán)境標準;其它區(qū)段由于噪聲環(huán)境影響下降了2-8dBA,軌道交通噪聲對環(huán)境影響的程度已經(jīng)大為緩解。而這些噪聲控制工程措施的投資約為4000多萬元,其環(huán)境效益是非常顯著的。6 其它問題說明 城市高架軌道交通噪聲由兩大部分組成,輪軌噪聲及列車運行引起的橋梁振動二次輻射噪聲,隔聲屏只能降低輪軌噪聲發(fā)生作用,而對橋梁振動二次輻射噪聲不起作用,對于列車運行引起的橋梁振動二次輻射噪聲,本次設計在環(huán)境敏感點相對集中的區(qū)段采取了設置減振道床及無縫線路等工程措施。參考文獻[1]武漢市軌道交通噪聲控制工程研究-研究報告》.鐵道第四勘察設計院技術文件,2001年[2]趙松齡.噪聲的降低與隔離.同濟大學出版社
天津地鐵以及上海明珠線的噪聲頻譜特性見圖1。 根據(jù)CJ/T5021~1995《輕軌交通車輛通用技術條件》中的規(guī)定,車輛以70km/h速度運行時,距軌道中心線7.5m處,車輛噪聲不得超過82dBA。但從上述資料可以看出,車輛以70km/h速度運行時,距離軌道中心線7.5m處,車輛噪聲均超過或接近90dBA,峰值出現(xiàn)在500HZ~600HZ處,63~4000HZ頻譜范圍內聲級均超過75dBA,所以武漢市城市軌道交通噪聲控制工程的設防值選擇為90dBA。2.2 城市軌道交通噪聲環(huán)境影響測量分析 為了分析武漢市城市軌道交通噪聲環(huán)境影響的范圍和程度,對既有的城市高架軌道交通線進行了噪聲測量,測量區(qū)段的橋高約8~10m,距橋梁中心線為20m處,列車運行噪聲瞬時值測量結果見表2。 從表2可以看出,城市高架軌道交通的噪聲隨高度的變化明顯變化,在6層以下及16層以上相對于中間樓層小,呈明顯的蝶形分布。在距橋梁中心線為20m的建筑處,列車運行噪聲的瞬時值基本都超過90dBA,8-12層甚至超過95dBA,預計隨著車速的提高環(huán)境噪聲會進一步提高。2.3 輪軌噪聲與橋梁振動二次輻射噪聲測量分析 測量點距橋梁中心線為10m處,列車運行噪聲瞬時值測量結果見表3,在測點與軌道之間設置了約4m高直立式隔聲屏。 從表3看出,列車在遠軌離測量點的軌道上運行時的噪聲超過90dBA,但在靠近測量點的軌道上運行時的噪聲卻小于90dBA,這說明聲屏障對近軌的降噪效果好于遠軌。 同時從表3還可以看出,對于在靠近測量點的軌道上運行的列車噪聲,在高于橋面的5樓窗外測量值為86.3dBA,而在3樓窗外卻達到89.2dBA,測量數(shù)據(jù)顯示在此測點處,聲屏障對5樓窗的降噪效果好于3樓,這顯然與聲屏障在低處的降噪效果好于高處的理論不一致,造成這種不一致的原因在于:高架軌道交通噪聲主要由輪軌噪聲和橋梁振動二次輻射噪聲兩部分組成,而聲屏障只能降低輪軌噪聲,而對橋梁振動二次輻射噪聲并無作用。由于3樓測點距橋梁更近,受橋梁振動二次輻射噪聲的影響大于5樓,由此造成聲屏障在3樓處的降噪效果差于5樓。 由此可以推斷,城市軌道交通噪聲在橋面以上部分,輪軌噪聲是最主要的噪聲源,而在橋面以下部分,橋梁振動二次輻射噪聲的貢獻則不可忽視,由于它的影響隔聲屏的降噪效果而大幅度下降了。3 隔聲屏降噪效果模型試驗研究 隔聲屏在實際軌道線路上進行試驗,其結果不僅直觀,而且可靠,但1∶1的屏障試件制作和實際車輛運行費用的投資較大,很難進行多種形式的隔聲屏降噪效果比較試驗。經(jīng)多次研討和比較,最后選擇森林公園游覽小火車線路作為試驗路軌,其火車外尺寸、軌道寬度和實際軌道近似為1∶2,所以隔聲屏試驗采用1∶2縮比模型試驗。根據(jù)試驗結果,利用聲學相似律推測實際隔聲屏的降噪效果。3.1 隔聲屏模型試驗研究的理論基礎 聲學縮比模型試驗是建立在聲學相似性法則基礎上的,即當ka相同時,表現(xiàn)出相同的聲學規(guī)律。其中:k=f/ck為聲波數(shù)、f為聲波頻率、c為聲波速度、a為環(huán)境的幾何尺寸。 根據(jù)k0a0=k1a1的要求,結合城市軌道交通實際寸尺與森林公園小火車的尺寸基本為2∶1的實際情況,本次試驗采用2∶1縮比試驗,即所有的試驗模型及環(huán)境參數(shù)均按2∶1縮比制作及布置。即時模型試驗在頻率為f、幾何尺寸為a處的降噪效果,相當于實際環(huán)境中在頻率為f/2、幾何尺寸為2×a處的降噪效果。3.2 隔聲屏模型試驗 隔聲屏模型試驗共進行了設置T型隔聲屏、直立式隔聲屏,倒L式隔聲屏、大型折板式隔聲屏等二十余種隔聲屏降噪效果模型試驗,根據(jù)試驗結果,城市軌道交通采用不同類型的隔聲屏的降噪效果詳見表4。4 武漢市軌道交通隔聲屏設計 由于武漢市軌道交通全線噪聲敏感點均較為集中,并且設計階段列車噪聲指標尚不明確,為了能在軌道交通運營后,既能當列車噪聲較高時能設置降噪效果較好的大型折板式隔聲屏,又能防止因噪聲防治措施過當,而造成的不必要的浪費,本次隔聲屏設計采取了如下工程措施: (1)按照要求選擇低噪聲車輛,噪聲控制工程車輛噪聲設防值為:在距軌道中心線7.5m處為90dBA; (2)對環(huán)境敏感點相對集中的區(qū)段初期設置雙側或單側大型折板式隔聲屏,對環(huán)境敏感點比較集中的區(qū)段初期設置直立式隔聲屏,其余區(qū)段結合電纜支架設置高度為1.7m的倒L式隔聲屏,并預留設置大型折板式隔聲屏條件; (3)全線未設置大型折板式隔聲屏、且為直線的區(qū)段,線路中間設置高度為1.6m的T型隔聲屏; (4)運營后,根據(jù)噪聲環(huán)境影響情況,確定何時安裝預留部分的隔聲屏; (5)環(huán)境敏感點相對集中的區(qū)段采取了設置減振道床及無縫線路等工程措施。5 武漢市軌道交通隔聲屏實際效果測量分析 武漢市軌道交通隔聲屏于2003年底完成并投入運營,全線共設置倒L式8011延米、直立式隔聲屏1624延米、雙側或單側大型折板式隔聲屏1392延米、T型隔聲屏5048延米,工程總投資約4千萬元,不同形式隔聲屏見下面照片。 為了考察武漢市軌道交通一號線一期工程的噪聲控制工程的降噪效果,對武漢市軌道交通列車運行噪聲進行了實際測量,測量包括綜合降噪效果測量及大型折板式隔聲屏插入損失測量。5.1 綜合降噪效果測量結果分析 在設置了大型折板式隔聲屏的輕軌高架橋旁的市二中教工宿舍的1、3、5樓設置噪聲測量點,測量布點見圖2。 在測量現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),輕軌列車的噪聲小于道路上公交車的噪聲,無法直接測量出輕軌運行噪聲的等效聲級,為了排除背景噪聲的干擾,決定在各測量點同時測量列車通過時的瞬時噪聲,再根據(jù)輕軌的車流量、車速及列車通過時間計算出各測點的等效聲級。根據(jù)市二中教工宿舍處輕軌列車運行瞬時噪聲的測量結果,結合武漢軌道交通的車長、車速、車流及運行時間,測量的瞬時聲級及計算出的輕軌運行噪聲等效聲級見表5。5.2大型折板式隔聲屏插入損失測量結果分析 在設置及不設置大型折板式隔聲屏的輕軌高架橋旁的銀河小區(qū)的5樓設置噪聲測量點,同時測量列車通過時的瞬時噪聲,得出在設置及不設置大型折板式隔聲屏時列車運行瞬時噪聲的差值,由此得出大型折板式隔聲屏插入損失,測量布點見圖3。 根據(jù)銀河小區(qū)處輕軌列車運行瞬時噪聲的測量結果,結合軌道交通的車長、車速、車流及運行時間,測量的瞬時聲級及計算出銀河小區(qū)的輕軌運行噪聲等效聲級見表6。5.3 輕軌降噪效果測量分析結論 根據(jù)輕軌運行噪聲測量及分析,可得出如下結論: (1)在設置了大型折板式隔聲屏的區(qū)段,輕軌交通列車運行產生的環(huán)境噪聲晝夜均可達到國家規(guī)定的環(huán)境標準; (2)大型折板式隔聲屏的實際插入損失為12.3dBA,與研究報告的預測結果完全符合。 (3)采取了本次研究提出的降噪措施,沿線有10余所學校、兩家大型醫(yī)院,以及數(shù)個受噪聲影響較為嚴重的居民集中區(qū)晝間基本達標、夜間也接近環(huán)境標準;其它區(qū)段由于噪聲環(huán)境影響下降了2-8dBA,軌道交通噪聲對環(huán)境影響的程度已經(jīng)大為緩解。而這些噪聲控制工程措施的投資約為4000多萬元,其環(huán)境效益是非常顯著的。6 其它問題說明 城市高架軌道交通噪聲由兩大部分組成,輪軌噪聲及列車運行引起的橋梁振動二次輻射噪聲,隔聲屏只能降低輪軌噪聲發(fā)生作用,而對橋梁振動二次輻射噪聲不起作用,對于列車運行引起的橋梁振動二次輻射噪聲,本次設計在環(huán)境敏感點相對集中的區(qū)段采取了設置減振道床及無縫線路等工程措施。參考文獻[1]武漢市軌道交通噪聲控制工程研究-研究報告》.鐵道第四勘察設計院技術文件,2001年[2]趙松齡.噪聲的降低與隔離.同濟大學出版社
