深圳地鐵環境噪聲與聲屏障降噪數值模擬研究

楊 易 金新陽 王敏遠 余保紅

(1.中國建筑科學研究院,100013,北京;2.深圳市地鐵集團有限公司,518026,深圳∥第一作者,副研究員)

城市軌道交通在離開城市中心區后一般都采用高架形式,以降低施工成本,加快建設周期。但在高架上快速行駛的城市軌道交通列車將不可避免地會給沿線居民住宅、辦公樓等帶來環境噪聲滋擾問題。噪聲超標,將造成環境噪聲污染。隨著經濟和社會的發展,公眾對居住環境品質的要求日益提高,對環保問題日益關注,因此研究城市軌道交通環境噪聲問題,從環境保護,建設和諧、宜居的人居環境的角度,是非常有必要。

本文以深圳地鐵1號線續建工程為例,采用先進的計算機數值模擬方法,建立整條高架線路的大型噪聲模擬預測數值模型,進行環境噪聲與聲屏障降噪數值模擬研究,為深圳地鐵主管部門和設計、建設單位做好地鐵高架沿線的噪聲防護,以減少地鐵列車噪聲的影響提供科學參考。

深圳地鐵1號線(羅寶線)續建工程是深圳地鐵一期工程1號線的延伸線,起于一期工程的終點站世界之窗站,終至機場東站(原深圳機場站);線路全長約23.6 km,其中地下線 19.8 km,地面線 0.4 km,高架線 3.4 km,共設車站15座。深圳地鐵列車采用鋁合金A型車,設計速度為80 km/h,相應的主噪聲源為輪軌噪聲。列車為標準的6輛編組,4動2拖,總長約140 m,每3輛車組成一個控制單元。整列車定員為1 860人。

1 軌道交通噪聲評價指標和引用標準

在軌道交通噪聲預測評估中,通常采用等效連續A聲級LAeq作為衡量噪聲大小的指標。等效連續A聲級是指隨時間變化的噪聲級在測量時間 T內與其能量相等的連續穩定噪聲級,其定義為：

式中：

T——等效聲級的計算時間;

Pref——參考聲壓 ,Pref=20 μ Pa;

由于我國目前尚無專門的城市軌道交通環境噪聲標準,在城市軌道交通工程噪聲環境影響評價中,可以參照我國相關的國家標準,例如《GB 3096—93城市區域環境噪聲標準》[1]等。《GB 3096—93城市區域環境噪聲標準》規定了城市五類區域的環境噪聲最高限值。其中,4類標準(晝間70 dB,夜間55 dB)適用于城市中的道路交通干線道路的兩側區域和穿越城區的內河航道兩側區域。穿越城區的鐵路主、次干線兩側區域的背景噪聲(指不通過列車時的噪聲水平)限值也執行該類標準。此外,我國在1990年頒布了《GB 12525—90鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》[2],其中明確規定了鐵路邊界的噪聲限值為70 dB(A)。國外也有一些鐵路噪聲標準可供參考,例如日本新干線沿線噪聲控制在70 dB,法國高速鐵路沿線控制在75 dB以下。部分國家的鐵路噪聲法規和噪聲標準見文獻[3]。

2 環境噪聲模擬數值建模

通常,軌道交通環境噪聲的評價范圍一般可設定為高架段兩側距外軌中心線各150 m的區域。深圳地鐵1號線續建工程的高架線路總長為3.4 km,使本工程的環境噪聲模擬與評估具有線路長、影響范圍廣、建筑環境復雜及計算量龐大等特點。針對這一大型復雜工程,國內外目前尚無類似參考案例可循。為此,通過翔實的資料查閱和調研,制定了合理的研究方案,利用國際先進的噪聲模擬與評估軟件SoundPLAN,建立整個地鐵高架線路的環境噪聲數值模擬仿真計算模型。SoundPLAN軟件使用基于幾何聲學模擬的扇形模型方法進行聲場計算。該方法可以覆蓋接受點周圍所有的區域,相對射線追蹤法更為準確。

首先,依據設計單位提供的深圳地鐵1號線續建工程高架橋以及沿線的地形和建筑環境規劃圖,建立本工程的三維環境噪聲數值模型(見圖1)。對于高架橋,參考橋梁專業設計圖紙,按照每一跨的設計參數(包括地勢高度、橋墩高度、橋梁寬度和厚度等)逐一取值建模,以求準確;對于沿線建筑,以規劃圖為藍本,建立沿線受影響區域150 m或更大范圍的幾乎所有建筑模型,總數達百余棟。這樣,數值模型中包括了整個工程所在地的地形地勢、高架橋梁、沿線兩側影響范圍內的建筑、人行天橋等詳細的工程環境,整個面積約3 km2。由于工程所在地的地形和建筑環境較繁雜,為準確起見,建模除參考本工程的線路規劃和設計圖紙資料外,同時參考了Google Earth提供的工程所在地的衛星地圖,力求盡量準確模擬工程所在地的地形地貌和建筑環境。

圖1 深圳地鐵1號線續建工程高架區間環境噪聲預測數值模型

其次,建立地鐵列車噪聲源模型和合理設定噪聲源參數。依據地鐵列車噪聲源的特點,在數值模型中,可以合理地將整條高架線路模擬成線聲源,所產生的噪聲按照線聲源的規律在空氣中傳播。由于本工程的線路尚在建設中,無列車噪聲源實測數據可用。在此情況下,利用經過篩選和驗證過的有關資料確定噪聲源的噪聲級。在本項目中,根據車輛特性,參考類似軌道交通工程如上海軌道交通2號線和3號線列車[4]、大連軌道交通等工程實測等效連續A聲級實測數據,通過設定列車的類型、白天運營車次、制動百分比、運營速度、列車長度等參數,以及考慮高架橋梁二次振動噪聲等修正因素,合理確定本項目列車噪聲源的噪聲級。設定噪聲源的噪聲級為92 dB(A)(單列車軌道,同時在噪聲源模型中,不考慮環境背景噪聲的影響)。

3 數值模擬計算工況

進行了如下不同工況下環境噪聲的數值模擬：

1)高架橋軌道兩側未設置任何聲屏障;

2)高架橋軌道兩側設置高度為2 m的直立式聲屏障(聲屏障靠軌道內側材料的表面吸聲系數為0.8,外側材料的表面吸聲系數為0)。

4 數值模擬結果與分析

4.1 數值計算結果

數值計算結果分為三部分給出：

1)分別計算離地高度為2 m(行人高度)和12 m(高架橋大致高度)的平面上環境噪聲的整體分布。每一高度又分有、無聲屏障兩種不同工況,這樣共計有4種不同計算工況,來從整體上比較有無聲屏障的影響。作為示例,圖2給出了2 m高平面環境噪聲整體分布云圖計算結果比較。圖2中的指標“”表示是晝間6：00～22：00的等效連續 A 聲級dB(A),此時段基本涵蓋了深圳地鐵1號線運營的絕大部分時間(約從6：30～23：00)。可以看出,設置聲屏障后,整體上降噪效果非常明顯,行人高度接收到的噪聲水平明顯降低。

圖2 離地2 m高的平面噪聲分布云圖

2)選取高架沿線垂直于線路走向的6個典型橫截面(編號為Ⅰ～Ⅵ,截面位置選擇在沿線建筑較集中、比較靠近高架處,并具有代表性),計算這些位置平面上的噪聲分布,以顯示在垂直方向上環境噪聲的整體空間分布。每個截面同時考慮有、無聲屏障的影響,這樣共計有12個計算工況。橫截面的垂直高度取為離地50 m高。作為示例,圖3給出了橫截面Ⅳ上有、無聲屏障的噪聲分布圖比較結果。從圖3可以看出,設置聲屏障后,由于聲屏障的反射作用,高分貝的噪聲向兩側擴散的范圍顯著減小,這對改善兩側建筑物接收到的噪聲水平有利。

3)選取深圳地鐵1號續建工程高架段沿線兩側105棟典型建筑(這基本涵蓋了高架沿線兩側第一排的絕大部分建筑),計算未設置聲屏障和設置聲屏障后這兩種不同工況下這些建筑立面的噪聲等級,以定量評估深圳地鐵1號線續建工程高架線路對沿線建筑噪聲環境的影響。這也是進行環境噪聲評估和降噪設計所最關心的問題。

圖3 典型橫截面Ⅳ的噪聲分布圖

為方便說明,首先將選取的105棟建筑物進行編號,軌道右側建筑物用 R1、R2、R3、……編號,軌道左側建筑物用L1、L2、L3……編號;又在選取的每棟建筑物的每一立面上,沿高度方向在每層中間位置布置一個監測點,共計 2 276個檢測點(如圖4所示)。將計算得到的設置聲屏障前后每棟建筑物每一監測點上的,分別和晝間噪聲標準進行比較(Ld,lim=70 dB(A));并對設置聲屏障前后每一監測點上噪聲差值進行統計(表1給出了部分計算結果)。

圖4 噪聲監測點示意圖

4.2 計算結果分析

1)由于深圳地鐵1號線續建工程高架段軌道交通本身的噪聲源強較高,導致高架沿線的晝間噪聲水平整體上處在較高水平。數值計算結果顯示,建筑物立面監測點接收到的噪聲水平基本和靠近高架的距離成正比;在未設置聲屏障工況下,高架沿線臨街第一排建筑物立面(朝向高架方向)的噪聲水平基本都達到或超過了我國《GB 3096—93城市區域環境噪聲標準》中規定的第4類標準(適用于城市中的道路交通干線道路兩側區域)晝間70 dB(A)的上限值。統計表明,高架沿線第一排建筑物正立面上所有監測點的晝間噪聲均值達到約75 dB(A)。因此,有必要采取降噪措施降低地鐵列車噪聲對周圍環境的不利影響。

2)在高架軌道兩側設置聲屏障是降低城市軌道交通噪聲的有效方法。本研究計算表明,若設置2 m高的聲屏障(內側吸聲系數為 0.8),高架沿線兩側建筑物正立面監測點的平均噪聲水平降低約為4 dB(A),其中最大降噪達到10.6 dB(A)。設置聲屏障,將使得高架沿線臨街第一排建筑物監測點接收到的噪聲水平顯著降低。

表1 建筑立面噪聲計算結果dB(A)

5 聲屏障降噪優化設計數值模擬研究

5.1 優化設計目標

聲屏障的高度將直接影響到降噪效果。理論上聲屏障越高,聲程差越大,則噪聲的衰減量越大,降噪效果越好[6]。但聲屏障也不是越高越好,太高會帶來一些實際問題。

現采用數值模擬方法,進一步研究聲屏障設置的優化設計方案,以供設計參考。需要說明的是,本研究中的“優化設計”指的是：在設定的計算參數和條件下,以高架橋沿線已建建筑物立面接收點上接收到的噪聲水平不高于《GB 3096—93城市區域環境噪聲標準》中第4類標準晝間70 dB(A)的限值為優化目標,對深圳地鐵1號線續建工程高架段軌道兩側擬設置的直立式聲屏障的分段設計高度進行優化,從而使其噪聲水平達到標準。

進行聲屏障降噪優化設計數值模擬研究的數值模型與上述相同。

5.2 優化設計計算方法

在選取的每棟建筑物每一立面上,沿高度方向在每層中間布置一個監測點(如圖4所示),考察和比較這些監測點上在有、無聲屏障的工況下接收到的噪聲水平。聲屏障的優化設計計算步驟如下：

1)首先通過數值模擬,計算所有監測點上在沒有聲屏障的工況下接收到的晝間等效A聲級Ld;

2)然后以高架橋的每一跨為自然分段,逐步增加高架橋兩側每一跨聲屏障的高度,每段聲屏障的初始高度從0開始,以0.5 m為一檔階梯狀連續增加,直至高架橋沿線兩側所考察的建筑物立面上監測點接收到的晝間等效A聲級Ld不高于我國《GB 3096—93城市區域環境噪聲標準》中規定的第4類標準晝間70 dB(A)的限值。

5.3 優化設計計算結果

圖5給出了經過優化設計后,高架橋兩側的聲屏障的分段高度示意圖。圖中的橫坐標表示高架橋樁號位置,縱坐標為聲屏障的高度。

圖5 聲屏障優化設計結果示意圖

從圖5中可以看出,由于高架橋沿線散布的建筑物距軌道中心線的間距不等,其空間分布方位、體型、層數等參數也不同,因此對沿線這些分散的目標進行噪聲防護的聲屏障也隨著高架橋的走向而變化,故經優化設計的聲屏障在外觀形態上呈現出高低錯落的分段階梯狀。

5.4 結果分析

本研究提供了在設定的計算參數條件和優化目標下,高架橋兩側直立式聲屏障理論上的優化設置方案。計算結果顯示,聲屏障的高度經過優化后,高架橋沿線兩側所考察的建筑物立面監測點的噪聲水平基本上都達到了GB 3096—93中規定的第4類標準70 dB(A)的限值。

在實際工程設計中,聲屏障的設計是一項很復雜的系統工程,涉及到聲學設計、結構設計和景觀設計等多學科知識。聲屏障設計時應遵循一些原則[7],并結合工程實際要求來進行[8]。

6 結語

城市軌道交通產生的環境噪聲問題,已隨著公眾環保意識的增強而日益引起關注。城市軌道交通建設的工程規模龐大,線路長,影響范圍廣,地理和建筑環境復雜,數值模擬的計算量龐大。如何采用恰當的技術手段對大型的城市軌道交通工程的環境噪聲影響進行適當的評估,是一個具有一定挑戰性的技術問題。目前國內外可供參考的案例尚不多見。本文在此方面做了探索,以深圳地鐵1號線續建工程為例,采用先進的計算機數值模擬仿真方法,建立了整條高架線路的大型環境噪聲數值模擬仿真計算模型;在數值建模中,參考設計單位提供的高架橋、沿線地形和建筑環境規劃圖,以及Google Earth提供的衛星地圖,力求準確模擬工程所在地的地形地貌和建筑環境;給出了受影響區域水平面、橫剖面,以及沿線建筑物接收到的噪聲水平等詳盡的研究結果;對設置聲屏障前后的降噪效果進行了仔細分析比較,并給出了聲屏障的優化設計方案。本文研究將對深圳地鐵1號線續建工程科學合理地進行環境噪聲影響的防護,以及類似大型軌道交通工程的環境噪聲研究具有一定的參考價值。

[1]GB 3096—93 城市區域環境噪聲標準[S].

[2]GB 12525—90 鐵路邊界噪聲限值及其測量方法[S].

[3]劉加華,練松良.城市軌道交通振動與噪聲[J].交通運輸工程學報,2002,2(1)：29.

[4]葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環境的影響及其對策[J].城市軌道交通研究,2003(3)：30.

[5]雷曉燕.城市軌道交通環境振動預測與評價[J].城市軌道交通研究,2008(11)：12.

[6]佟麗華.城市軌道交通噪聲控制方法及其對策研究[J].城市公共交通,2005(9)：27.

[7]劉巖,張曉排.聲屏障—降低城市軌道交通噪聲的重要途徑[J].建筑學報,2002(11)：48.

[8]朱立鵬,馬申易.高架軌道交通聲屏障設計簡述[J].地下工程與隧道,2005(2)：14.