城市軌道交通振動與噪聲控制技術的研究*

于秀娟 李廣影

隨著城市的發展,人口日益增多,我國大多數城市目前的交通狀況已不能滿足要求,在大中城市發展軌道交通已成為人們的共識。安全、正點、快捷、舒適的城市軌道交通受到廣大市民的青睞,成為出行者首選的交通工具,但城市軌道交通不可避免的給城市帶來諸多如振動、噪聲等超標污染。振動及噪聲影響了人們的正常工作和生活,危害人體健康,是影響面最為廣泛的一種公害。

1 軌道交通振動與噪聲的控制技術現狀與分析

1.1 從振源及聲源控制的防振降噪措施

1.1.1 車輛的防振與降噪措施

1)進行車輛輕量化設計。減小車輛自重,從而減小輪軌間的相互作用力,降低噪聲。2)采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等。在車輪上加設橡膠件能有效吸收和衰減一部分由車輪產生的噪聲,改善噪聲的頻譜特性。采用這些經過特殊處理的車輪,可減振降噪 2 dB(A)～10 dB(A)。3)用改變車輪結構的方法來改變噪聲的發射性能,降低輪軌噪聲。國外的一些國家把制動盤放在輪輻上來減少噪聲的發射。如德國的一些車輛就采用這種方法,試驗證明對1 000 Hz以上的噪聲有明顯的改善,大約減少噪聲5 dB。4)運用線性電機驅動及徑向轉向架。溫哥華、多倫多、底特律、大阪等城市在20世紀80年代的軌道交通系統中,采用了線性電機車輛。該車型采用線性電機牽引、徑向轉向架及自動控制三項新技術。由于采用線性電機牽引,動力系統不需要從旋轉運動轉換成直線運動,省去了齒輪箱等一系列傳動機構,減輕了輪軌間磨損,減少了許多噪聲源,因而噪聲比一般車輛降低了10 dB(A)之多。此外,由于采用徑向轉向架,車輛能順利地通過曲線,消除列車在曲線上運行時產生蠕滑,減少輪軌磨耗和消除常規固定軸距轉向架通過曲線時刺耳的尖叫聲,因而噪聲比一般車輛降低近20 dB(A),特別適用于高架軌道交通系統。5)采用磁懸浮技術。由法國、德國、日本、加拿大等國家研制成功磁懸浮列車,改變了原來輪軌粘著作用,使車體懸浮在導軌上面行駛,其振動小、噪聲低。

1.1.2 軌道結構振動與噪聲控制措施

1)優化軌道結構。a.無縫線路。將標準軌焊接成長鋼軌,減少鋼軌接頭數量,從而減少接頭沖擊引起的振動噪聲。測試結果表明:在鋼軌接頭處,輪軌噪聲比非接頭部位增加5 dB(A)～7 dB(A)。b.減振型鋼軌。在鋼軌腰部粘貼防振吸音材料,如橡膠,其降噪效果顯著。測試表明,采用彈性鋼軌可降低噪聲 4 dB(A)～8 dB(A),特別適用于高架鐵道需特殊降噪地段。c.減振型扣件。一般扣件,其豎向剛度在20 kN/mm～60 kN/mm之間,有一定減振降噪效果;減振型扣件,其豎向剛度在 10 kN/mm～25 kN/mm之間,最低為6 kN/mm,能有效地減少對周圍環境的干擾。d.減振型軌下基礎。為了適用于不同減振要求,各國都對傳統的碎石道床與整體道床作了大量改進研究工作,開發了各種減振型軌下基礎。主要有:在碎石道床的基礎上,研制了彈性軌枕道床和道碴墊道床,增加道床彈性,有效降低道碴振動,與一般碎石道床相比,減振5 dB～15 dB。在整體道床基礎上,開發了短軌枕包套式和彈性長軌枕整體道床。e.進行軌道不平順管理。控制軌道不平順是降低輪軌之間振動與噪聲的有效措施。為此應加強軌道不平順管理,制定嚴格的養護維修計劃,確保軌道處于平順狀態,從而減少振動與噪聲對周圍環境的影響。

2)改變軌道結構的振動參數。根據振動理論,隔振系統的三個基本體系包括:M(質量)、K(剛度)、C(阻尼),以此三要素可以來估算不同軌道隔振系統的振動頻率。a.在涉及到曲線時,盡量少用小半徑曲線。由于小半徑曲線會增大輪軌作用力,加速鋼軌磨耗,也因此產生較大的噪聲。b.鋪設無縫線路。采用無縫線路,即將標準軌焊接成長鋼軌,減少鋼軌接頭數量,從而減少接頭處輪軌沖擊引起的振動與噪聲。c.采用重型鋼軌。采用重型鋼軌的垂向剛度可以有效降低列車沖擊而引起的鋼軌垂向振動,從而減少噪聲。將50 kg/m鋼軌改成60 kg/m鋼軌后,鋼軌的垂向剛度增加,可以把列車沖擊而產生的振動降低10%。

1.2 傳播過程中控制振動噪聲的方法

1.2.1 橋梁防振降噪措施

1)選擇低噪聲橋梁形式,采用箱形梁比較合理。2)采用橡膠支座。3)高架橋宜采用混凝土梁,盡量少用鋼梁。

1.2.2 設置聲屏障

1)在線路兩側設置聲屏障。2)線路兩側大密度種植樹木,形成樹障,綠化減噪。3)設置車輪隔音罩和在車輛兩側設置下裙邊。4)采用密封車體設計,減小噪聲進入車內。5)在隧道內、車內以及聲屏障靠近聲源一側采用吸音涂層,以減少聲反射。

1.3 建筑物振動噪聲控制措施

1)建筑物材料與結構的減振措施。建筑物本身可采用寬基礎,加固地板,隔振墊等,也可對建筑物表面貼附吸聲、隔聲材料。高架軌道沿線的建筑物在選材及結構選型方面應加以重視。特別應選擇隔聲性能好,抗振性能好,質量輕的建筑材料或結構形式。如陶粒混凝土材料具有良好的吸音隔聲能力和良好的動力性能,可以作為軌道沿線大跨建筑物的合理選型加以考慮。2)設置隔聲窗。將面向噪聲源的敏感建筑,如學校、醫院、居民住宅、幼兒園等的窗戶改造成隔聲窗并加設通風及空調裝置。隔聲窗與普通窗的最大區別在于它必須有一定的隔聲量,即最低級別隔聲窗的隔聲量也要保證在5 dB(A)以上。隔聲窗由各種材質構成,通常使用的有鋼結構、木質結構、鋼塑結構和鋁合金結構的隔聲窗等。

2 軌道交通振動與噪聲控制的應用建議

2.1 技術措施

1)通過線路選線、橋隧結構形式、軌道結構等綜合技術措施來進行振動和噪聲控制。2)采用高彈性扣件或高彈性軌下墊層,是降低軌道振動噪聲經濟而有效的措施,可適用于一般減振降噪要求的新建或舊線改造。3)采用減振型軌下基礎,可以更有效地降低振動的傳播,同時也降低了橋梁的二次噪聲,可適用于新建線路減振降噪要求較高地段。4)應采用減振降噪性能優良的橋隧結構。5)高架線路上的車輛應增設裙板及車底設置吸聲結構。6)高架線路聲屏障的設置和形式要進一步優化,提高其降噪效果。7)地鐵運營管理中,加強軌道結構狀態管理,減小輪軌沖擊作用,從而降低振動噪聲對環境的影響。

2.2 噪聲敏感區防噪技術

諸如學校、幼兒園、醫院、住宅、站臺等沿線建筑往往構成噪聲敏感區域,對于防噪的要求較一般性路段更高。由于受到安裝空間、線路設備限界以及市容、路容美觀性要求等一系列限制,聲屏障的降噪效果受到一定的制約。

鑒于此,本文提出聲屏障的優化措施,示意圖見圖1。

1)設置低矮聲屏障,降噪裝置應當盡量地小型化。2)軌道擋墻內側安裝吸聲屏體,上、下行線路之間安裝道間聲屏障。3)吸聲屏體采用微孔泡沫的輕結構。

本優化方案的特點是雙面吸聲,可以很好地降低軌道交通的噪聲;采用泡沫類無纖維材料,防止了纖維類(如天然棉、人造棉、玻璃棉、海綿、巖棉和礦棉等)吸聲材料造成二次污染,影響噪聲敏感區域人群和乘客的健康,同時具有壽命長、可再生等優點;安裝方便,成本低。

[1]Chua K.H,LK.W.,Koh C.G.Performance of Urban Rail Transit System:Vibration and Noise System[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,1997(2):67-75.

[2]U.S.Department of Transportation,Federal Transit Administ ration Transit Noise and Vibration Impact Assessment Report DDT-T-95-16,April,1995.

[3]溫玉君.城市軌道交通系統的減振降噪措施[J].城市軌道交通,2005(6):77.

[4]蔣偉康.道間吸聲屏障:中國專利,ZL00216248.2[P].2000.