城市軌道交通減振降噪技術研究

　　城市軌道交通是城市公共交通的一種便捷工具，是解決城市交通擁擠的一項切實可行的措施。目前，城市軌道交通進入了快速發展階段，“十五”末，我國有9個城市擁有運營線路，總里程約450公里；經過五年建設，“十一五”末。運營線路的城市達到12個，總里程約1400公里；規劃“十二五”末，我國擁有運營線路的城市將達到27個，運營總里程超過3000公里。
　　由于城市軌道交通工程結構的特殊性，其產生的振動和噪聲問題已引起了社會的廣泛關注。美國紐約地鐵車站噪聲曾高達100～115dB，接近人耳的痛閾；北京地鐵1號線西單車站附近的居民，就地鐵造成的振動和結構噪聲問題進行過投訴，4號線通過北京大學遙感物理樓時因為振動問題引起過不小的爭議；我國某城市地鐵現場測試表明，當地鐵列車僅以15～20km／h的速度通過時，地鐵正上方居民住宅的振動高達85dB。目前，對城市軌道交通振動和噪聲問題的研究已成為人們日益關注的擾民和公害問題。
　　1　振動和噪聲的產生與傳播機理
　　
　　軌道交通噪聲產生實質上和振動是密不可分的。振動越大，則噪聲也就越大。它們是通過不同介質進行傳播的。
　　1.1振動的產生與傳播機理
　　城市軌道交通在運營過程中，列車車輪與鋼軌之間產生撞擊振動，經過軌枕、道床，傳遞至隧道或橋梁基礎，再傳遞給地面，從而對周圍區域產生振動，并進一步傳播到周圍建筑物。這種振動干擾不僅對地鐵沿線民宅，學校，醫院等環境產生不良影響，而且可能對沿線基礎較差的建筑物造成損害。
　　振動波在土介質中的傳遞過程，其作用機理及傳播特性與地震基本相同。這些振動波遇到自由界面時，在一定條件下重新組合，形成一種彈性表面渡，隨著離振源距離的不同，它們之間的能量也在改變，同時傳播速度、衰減率也為距離的函數。根據振動傳播理論，振動從地面進入建筑物，不同結構建筑物其振動衰減也不同。
　　1.2噪聲的產生與傳播機理
　　大量研究結果表明，列車引起的噪聲可分為四個部分；輪軌噪聲、集電噪聲、車廂的空氣動力噪聲和橋梁結構的二次振動噪聲。隨著列車運行速度的變化，軌道交通的主噪聲源也隨之變化。軌道交通的噪聲源圖如圖I所示。我國城市軌道交通列車運行速度一般在60-80km／h，故相應的主噪聲源為輪軌噪聲，有數分析輪軌噪聲產生的機理是找到城市軌道交通減振降噪的關鍵。
　　城市軌道交通軌道結構的輪軌噪聲的振動來源千軌道的不平順。鋼軌與運行中的列車車輪相互作用，激起鋼軌和軌下基礎的振動，鋼軌就向外輻射噪聲。振動隨軌下基礎向周圍傳遞。或引起振動，或造成結構的“二次噪聲”。
　　2　我國區域環境振動與噪聲的控制標準
　　針對區域環境振動與噪聲，各個國家都制定了相應的控制標準。我國此方面的控制標準參用《城市區域環境振動標準》(GB 10070-88)和《城市區域環境噪聲標準》(GB3096-93)，見表1和表2。隨著生活水平的提高和技術的發展，區域環境振動與噪聲控制標準有進一步修訂的可能。
　　
　　3　城市軌道交通減振降噪的技術措施
　　3.1車輛的減振降噪措施
　　(1)對機車車輛動力系統的轉動部件進行轉子動力學設計，使系統的工作頻段遠離共振區(臨界轉速區)和不穩定區，盡量避免電磁耦合激發振動和噪聲。
　　(2)在機車車輛上使用新型減振器，能有效地降低振動和噪聲。目前在國內外的城市軌道交通中，金屬一橡膠復合減振器是應用最為廣泛的減振降噪裝置。這是由于橡膠在很寬的溫度范圍內具有獨特的粘彈行為，不僅可以象鋼彈簧一樣通過彈性形變來吸收、儲存沖擊能量，而且還可以通過分子鏈相對運動而大幅度地消耗能量。然而。橡膠件既是減振降噪的主要部分，也是影響使用壽命的關鍵部分。以少量具有納米片層結構的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復合，可顯著降低材料的疲勞生熱，延緩疲勞破壞過程，從而改善橡膠的強度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能，使減振器的質量和機車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。
　　除金屬一橡膠復合減振器外，目前國際上開始將自適應(有源／半有源)電／磁流變液減振器用于車輛的懸架系統和轉向架系統，以有效地調節系統的阻尼或剛度特性。電／磁流變液減振器是利用電／磁流變液的粘度在電／磁場作用下急劇變化的特性而制成的新型振動控制元件。電／磁流變液在無外場作用下為流動良好的液體狀態，在強電／磁場作用下，短時間(毫秒級)內其粘度可增加一到兩個數量級以上，并呈現類似固體的力學性能，而且粘度的變化是連續、可逆的，一旦去掉電／磁場后，又變成可流動的液體。這些特點使電／磁流變液裝置成為電氣控制與機械系統之間的簡單、安靜而且響應迅速的中間裝置。
　　(3)在車輛動力驅動系統中應用直線電機技術，可省去齒輪箱等一系列傳動機構，減少了許多噪聲源，噪聲水平比一般車輛可降低大約10dB(A)。
　　(4)采用徑向轉向架能避免車輪在鋼軌上的蠕動，使車輛能順利地通過曲線，減少輪軌磨耗和消除常規轉向架通過曲線時的尖叫聲，因而噪聲比一般車輛降低近20dB(A)。
　　(5)采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術，通常可減振降噪2-10dB(A)。
　　(6)用改變車輪結構的方法來改變噪聲的發射性能，可降低輪軌噪聲。如德國通過把制動盤放在輪心上來減少噪聲，試驗結果證明對1kHz以上的噪聲大約可降低5dB(A)。
　　3.2軌道結構的振動和噪聲控制
　　軌道結構主要由鋼軌、扣件及軌下基礎組成。根據振動理論，輪軌之間的振動噪聲與軌道各部件的質量、剛度以及結構阻尼密切相關。軌道結構的減振降噪主要是通過改變結構參數來實現。在國內外軌道交通減振降噪研究成果的基礎上，結合我國軌道交通的實際，對軌道結構的減振降噪可采取下列有效措施：
　　(1)采用焊接長鋼軌，可減少因列車通過鋼軌接頭所產生的振動噪聲。根據地鐵設計規范，軌道交通的正式線路應鋪設無縫軌道。實際減振效果可達到5dB～10dB。
　　(2)采用鋼軌打磨技術，以控制軌道的不平順度，保證輪軌接觸面的良好狀態，從而獲得良好的減振降噪效果。實踐表明，鋼軌打磨后，在振動頻率為8Hz～100Hz范圍內，振動噪聲可下降4～8dB(A)。
　　(3)采用防振型鋼軌，在鋼軌軌腰兩側粘貼(或包覆)防振吸音材料(如橡膠、樹脂等)，可有效地減少噪聲，結構示意如圖2。
　　(4)采用彈性扣件。軌道的彈性，尤其是剛性基礎整體道床結構的彈性，主要取決于扣件的彈性，國內外在此方面做了大量研究工作，研制并開發了，滿足不同減振降噪要求的扣件。在減振要求一般的地段，上海地鐵采用了DTIII型扣件，如圖3所示。該扣件采用二級減振，在鋼軌和鐵墊板下都設絕緣橡膠板，扣件彈性好，比北京地鐵采用的DTI型減少5dB～10dB。在減振要求較高的地段，德國科隆、美國華盛頓、法國巴黎、上海、新加坡地鐵均采用了軌道減振器扣件(科隆蛋)，如圖4所示。該扣件的承軌板與底座之間用減振橡膠硫化粘結在一起，利用橡膠圈的剪切變形，獲得較低豎向剛度，較DTI型扣件的加速度傳遞函數減少15dB～30dB，較DT11I型扣件減少10dB～20dB，減振效果顯著，能有效減少對周圍環境的干擾。類似的減振型扣件還有很多種，要根據不同的適用條件進行選擇。
　　(5)采用彈性支承塊式無碴道床軌道，如圖5所示。這是一種低振動(LVT)軌道結構。目前我國軌道交通主要采用支承塊式混凝土整體道床，由于只有扣件彈性墊板一個減振環節，其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設置一層橡膠墊，便能大大降低軌道整體支承剛度，顯著提高軌道的減振降噪性能。該種結構能使輪軌動力在鋼軌上經過分配后傳到軌下膠墊得到第一次減振，再經過支承塊傳到其下的膠墊進行第二次減振，這樣，振動的高頻成分及其幅值在得到了相當的衰減后才傳遞給基礎。巴黎7號、13號地鐵線在巴士底獄的新歌劇院下通過，歌劇院方面認為地鐵車輛的噪聲和振動對劇場的演出有影響，為此巴黎地鐵公司對此進行了研究，試驗，并會同歌劇院、巴黎聲學研究所共同進行了現場測試，試驗證明在軌枕底部加了一層橡膠墊后情況得到了改善。
　　(6)采用浮置板式軌道結構。該結構使用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于橡膠支座或螺旋鋼彈簧上。浮置板可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載，只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈性元件傳到基礎結構上。其彈性元件有面支承、線支承和分布支承3種形式，其中分布支承效果最好。采用橡膠的稱橡膠浮置板，采用螺旋鋼彈簧(一般采用分布支承)的稱鋼彈簧浮置板。在目前的減振措施中，浮置板軌道減振效果最好，可達20dB～40dB，與其他同類型隔振方案的比較如表3所示。圖6為浮置板軌道結構的安裝示意圖。
　　(7)采用梯形軌枕。彈性支撐的梯形減振軌枕軌道系統，以鋼管連接連接縱向混凝土軌枕，并與道床結構以橡膠減振墊相隔，形狀如梯子，故稱“梯形軌枕”，它可以稱之為板式整體道床的第二代產品。梯形軌枕采用預制，其與底座間的緩沖調整等原理與板式軌道基本相同。它具有既能夠發揮軌枕本來的特性，大幅度提高荷載的分散能力，又可補充鋼軌本身的剛性和質量的性能特點，是一種能提高彎曲剛度和剪切剛度，實現了相當于減少車輛簧下質量的較理想的整體減振系統。梯形軌枕結構如圖7所示。
　　3.3高架線路和橋梁的減振降噪措施
　　目前，國內外城市軌道交通的高架橋結構大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內存在聲學模態，腔內的聲場共振可能使橋梁的上下兩個面的輻射聲增加，而且，箱形梁橋的底面是大面積的平面，聲輻射效率比較高，因此，有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類技術。
　　(1)在箱形梁腔內設置隔聲板，將箱形梁腔內的聲學共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外，則可有效降低橋梁振動噪聲。
　　(2)在箱形梁腔內安裝動力吸振器，這是控制橋梁振動噪聲最有效的方法。
　　(3)選用橋梁隔振支座。橋梁隔振支座(主要有普通橡膠支座、疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等)是高架橋中減少振動的有效措施。通過調整減振支座的剛度，從而控制結構的振動頻率和周期，避開列車運行引起的豎向振動頻率，達到減振和降噪的效果。
　　(4)鋪設輕質吸聲橋面和路面。高架軌道交通線的橋面是聲反射面，降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過時的噪聲。近年發展起來的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射。即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土，既不影響檢修者行走。又有一定的吸聲效果。但是，多孔混凝土對1kHz以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想，而高架軌道交通噪聲中以500Hz為中心的中低頻噪聲占主要成分，因此對這類噪聲可以使用發泡混凝土。
　　(5)在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結構，可以大大降低橋梁振動的輻射噪聲。高架軌道交通噪聲的各個聲源中，橋梁振動的輻射噪聲對周邊環境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養是設計這類吸聲結構的要點。
　　(6)設置聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施。現有的吸聲型聲屏障均為板式結構，所用的吸聲材料分別有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纖維類吸聲材料、微穿孔板等；但其頻帶窄，尤其是低頻段吸聲系數小，通常只有0.5左右，這是現有吸聲型聲屏障的共同缺點。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結構對低頻噪聲比較有效，但在中高頻段的吸聲系數往往很低。總之，由于交通噪聲主要分布在100kHz～5kHz，單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內達到滿意的吸聲效果。因此，國內外都把研究阻抗復合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。
　　(7)挖減振溝和設隔振墻。可以在建筑物和軌道之間通過挖減振溝和設隔振墻等設置隔振屏障。只要溝的深度和墻的板質、厚度、深度合適，就可以獲得理想的減振效果。
　　4　結語和建議
　　西安作為世界四大文明古都之一，建設地鐵過程中更應充分考慮環境振動和噪聲的影響，采取較為成熟的減振降噪措施的同時，建議進行創新性的減振降噪措施研究，應用在西安地鐵的敏感地段，更加有效地減小振動和噪聲的影響，提升西安地鐵的建設水平，擴大西安地鐵在減振降噪方面的影