城際鐵路單側高層建筑物聲屏障形式設計研究

果 健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

城際鐵路單側高層建筑物聲屏障形式設計研究

果 健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

選擇合理的聲屏障形式與高度，可有效降低噪聲污染、減少搬遷量。設置聲屏障，是控制聲傳播途徑的最有效辦法。以某城際鐵路穿越城市建成區，為保護單側高層聲環境敏感建筑為例，通過對直立式聲屏障、全封閉聲屏障和半封閉聲屏障的比選，確定聲屏障形式選用半封閉式。在滿足接觸網、橋梁等專業要求的基拙上，通過聲學計算、結構檢算，確定半封閉式聲屏障總高度為8m，跨度11.3m。對于列車設計時速250km及以下時速的城際鐵路，設置半封閉式聲屏障，單側降噪效果在8.7～11.2dB，可滿足鐵路邊界噪聲限制要求。

城際鐵路；聲屏障；聲環境；高層建筑；環境保護

1 概述

隨著我國城市群規劃的逐步實施,城際鐵路的建設進入了一個新的發展高峰。有效防治城際鐵路兩側的噪聲污染不僅僅是一個重要的環境問題,也是一個倍受社會關注的熱點問題。城際鐵路,是指在人口稠密的都市圈或者城市帶修建的高速鐵路客運專線系統,特點是相對短距離、公交化。隨著國家城市化進程的發展和城市群規劃的逐步實施,城際鐵路的修建進入了一個新的發展期,其帶來的交通噪聲對居民的影響也越來越明顯,隨之產生的高速鐵路噪聲污染亦將引起鐵路兩側公眾的強烈反應［1]。城際鐵路在設計選線時,已最大限度地繞避了各種環境保護目標,但是城際鐵路必須進入城市的建成區或者規劃區,才能夠實現其公交化的使用功能［2,3]。因此,引入城區路段時,經常會遇到線路單側無法繞避高層建筑聲環境保護目標,須設置不同形式的聲屏障,以保證保護目標的使用功能［2]。目前,僅在我國南方地區某高速鐵路設置一處半封閉式聲屏障,現已開通運營,頂部為平頂結構,造價較高,且頂部雨(雪)水排放及灰塵沉積的問題沒有得到有效地解決。鑒于國內外高速鐵路在封閉式、半封閉式聲屏障的研究較少,因此中鐵工程設計咨詢集團有限公司于2009～2011年開展了“城際鐵路封閉聲屏障專題研究”。2011年10月,中國中鐵股份公司對該課題進行科研評審(中鐵股份技評字［2011]第111號),評審意見為:“……從安全,經濟,降噪效果等方面均滿足要求,具有國內領先水平”。本文結合上述課題研究成果,以某城際鐵路設計為例,介紹線路單側遇無法繞避的高層建筑時,選擇合理的聲屏障設置形式。

2 工程概況

某城際鐵路設計時速250 km,進入城區路段后為橋梁和路基形式,線路左側分別為某既有鐵路、某城市軌道交通高架線路以及高速公路,線路右側為一處聲環境保護目標(以下簡稱保護目標),保護目標距鐵路軌道最近距離為20 m,為2棟23層建筑,共計368戶。若實施工程搬遷,預計搬遷費用高達12.42億元,搬遷受影響人數預計超過1200人。城際鐵路與保護目標位置關系見圖1。

圖1 保護目標與新建城際鐵路位置關系（單位：m)

目前,該處保護目標主要受既有鐵路、軌道交通及公路噪聲影響。經過初步計算,由于新建城際鐵路的開通,既有鐵路列車對數明顯減少,加之對既有鐵路采用無縫鋼軌等降噪措施,既有鐵路對保護目標的聲環境影響較現狀將降低3dB左右；新建城際鐵路設置合理形式的聲屏障,對其他線路有遮擋作用:其中既有鐵路對6層以下住戶的影響可降低5 dB左右,軌道交通及高速公路對4層以下住戶的影響可降低2 dB左右。考慮到實施搬遷難度較大,設計確定,通過合理設置聲屏障,以降低城際鐵路運營對該處聲環境敏感建筑的影響。

3 聲屏障形式選擇

通用的聲屏障形式主要有直立式聲屏障、全封閉聲屏障和半封閉聲屏障3類。

(1)直立式聲屏障為懸臂結構,由于保護目標為高層建筑,直立式聲屏障設置高度需超過20 m,在風荷載及列車氣動力共同作用下引起的彎矩無法接受,且嚴重影響保護目標的采光需要,不應采用。

(2)全封閉聲屏障對于外部兩側敏感建筑降噪效果較好。但是城際鐵路列車快速通過全封閉聲屏障引起的空氣動力效應(壓力波、空氣阻力、列車風、微氣壓波等)對列車運行的安全性及周圍環境均有不良影響。當列車高速進入封閉結構時,類似活塞進入氣缸情況,空氣流動受到聲屏障壁面限制被阻滯,使列車前端靜止的空氣受到激烈擠壓,該壓縮波以音速沿聲屏障封閉空間向前傳播,被列車擠壓的另一部分氣體通過列車和聲屏障所形成的環狀空間向列車后方流動,在入口處形成噴射流噴射出結構,從而引起出口微壓波噪聲污染。由于列車前部壓縮波的壓差比在開闊地時對普通聲屏障的脈動力要強很多,因此全封閉結構單元板所需要的強度要求更高,對鋼結構框架的剛度要求也更高,特別是雙線結構,由于列車行駛在一側,框架結構兩側的壓力不均,框架的側向負荷比半封閉結構要大。經計算,列車速度為250 km/h時,聲屏障壁面壓力達到3.5 kPa,敞開式的聲屏障在列車速度250 km/h時,脈動力基本值只有0.52 kPa,考慮脈動力放大系數后為1.2 kPa,可見同樣速度內壁面的壓力比敞開式聲屏障壓力大3倍左右。

(3)如圖2所示,半封閉聲屏障封閉側噪聲基本被阻隔,噪聲只能從開口側溢出,形成的衍射區域也很難影響到封閉側,因此對封閉側的降噪效果明顯,對于單側敏感建筑降噪效果較好,可很大程度降低鐵路噪聲對高層建筑的影響,同時快速列車運行風壓對結構影響較少,普通聲屏障材料可滿足使用要求。因此設計推薦采用半封閉式聲屏障。

圖2 半封閉聲屏障聲學區域示意

4 聲屏障聲學計算

在噪聲預測及聲屏障降噪效果計算前,對保護目標噪聲現狀進行檢測,分為對既有鐵路的監測、對軌道交通的監測、對現狀及背景噪聲值的監測,因保護目標為高層建筑,對不同樓層的噪聲現狀及背景值進行了監測。

依據《聲學戶外聲傳播的衰減第2部分:一般計算方法》(GB/T17247.2―1998)及《鐵路建設項目環境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見》(鐵計函［2010]44號),根據已獲得的聲源源強的數據和各聲源到預測點的聲波傳播條件資料,計算出噪聲從各聲源傳播到預測點的聲衰減量,由此計算出各聲源單獨作用在預測點時產生的A聲級。選用建設項目聲源在預測點產生的等效聲級貢獻值(Leqg)計算公式

式中 Leqg―――建設項目聲源在預測點的等效聲級貢獻值,dB(A)；

LAi―――聲源在預測點產生的A聲級,dB(A)；

T―――預測計算的時間段,s；

ti―――i聲源在T時段內的運行時間,s。

鐵路噪聲預測等效聲級LAeq,p的基本預測計算式

式中 T―――規定的評價時間,s；

ni―――T時間內通過的第i類列車列數；

teq,i―――第i類列車通過的等效時間,s；

Lp0,t,i―――第i類列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強,為A計權聲壓級或頻帶聲壓級,dB(A)；

Ct,i―――第i類列車的噪聲修正項,為A計權聲壓級或頻帶聲壓級修正項,dB(A)；

tf,i―――固定聲源的作用時間,s；

Lp0,f,i―――固定聲源的噪聲輻射源強,可為A計權聲壓級或頻帶聲壓級,dB(A)；

Cf,i―――固定聲源的噪聲修正項,可為A計權聲壓級或頻帶聲壓級修正項,dB(A)。

其中考慮各項噪聲修正值:(1)等效時間；(2)列車運行噪聲計算速度按設計最高速度的90%確定；(3)列車運行噪聲垂向指向性修正；(4)固定聲源指向性修正；(5)列車運行噪聲幾何發散損失；(6)大氣吸收；(7)地面效應聲衰減。

噪聲源強值確定:因某城際鐵路采用寬度12.2 m的箱形梁,帶0.7 m高防護墻,所以橋梁部分源強值在《鐵路建設項目環境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見》(鐵計函［2010]44號)基礎上增加3 dB。

在不考慮聲屏障的情況下,預測鐵路運行噪聲結果見表1。

表1 無聲屏障措施鐵路運行噪聲預測對照dB

在不考慮聲屏障的情況下,鐵路運營噪聲超標量在2～10 dB,其中夜間超標嚴重。

半封閉式聲屏障聲學計算:半封閉聲屏障設計暫按最高處高度8.5 m,跨度約為12 m。列車運行噪聲按線聲源處理,根據《聲屏障聲學設計和測量規范》(HJ/ T90―2004)中規定的計算方法,對于聲源和聲屏障假定為無限長時,屏障聲繞射衰減Ct,b,i可按下式計算

式中 f―――聲波頻率,Hz；

δ―――聲程差,m；

c―――聲速,c=340 m/s。根據聲屏障遮擋衰減公式,對半封閉聲屏障遮擋衰減進行等效計算,以受聲點(R)與發生源(S)的連線為等效地面進行計算。如圖3所示。

敏感點高23層,按上部遮擋面積不同情況進行預測(圖3中保護目標第23層,頂部全覆蓋聲屏障)。經計算,不同樓層、不同頂部遮蔽面積的衰減量預測結果見表2。

通過表2可知:

(1)隨著頂部封閉面積的增加,對高層建筑降噪效果明顯改觀,對低層建筑降噪效果影響不大；

圖3 保護目標第23層,頂部全覆蓋聲屏障預測示意

(2)聲屏障頂部全遮蔽可降噪聲在8.6～10.4 dB,并且對于遠軌降噪效果明顯；

(3)根據聲衰減以及遮擋計算,安裝半封閉聲屏障后可滿足鐵路邊界噪聲限值要求。

根據聲衰減以及遮擋計算,對不同聲屏障形式進行衰減計算,最終確定采用頂部全覆蓋式半封閉聲屏障可滿足鐵路邊界噪聲限值要求。

為徹底解決了頂部雨(雪)水排放及灰塵沉積的問題,聲屏障的頂部設計為拱形,兩側面設計為直立式,這一構造形式還同時兼顧了景觀和結構安全(風載、雪載)等因素。

表2 衰減量預測結果匯總dB

5 聲屏障最終形式的確定

根據《聲屏障聲學設計和測量規范》(HJ/T90―2004),如圖3所示,可定性認為:半封閉式聲屏障高度越低,降噪效果越好。通過計算,將接觸網懸掛類型由全補償簡單鏈形懸掛修改為:通過吊柱與聲屏障合架,接觸懸掛采用吊柱安裝方式,懸掛點跨距40～50 m,上、下行吊柱順線路向錯開,間隔距離為4 m。采用這種方案可進一步降低聲屏障的整體高度,半封閉式聲屏障總高度可降低為8 m。經計算,當半封閉式聲屏障總高度為8 m時,可降噪聲在8.7～11.2 dB,降噪效果明顯優于8.5 m方案。總高度8 m方案較8.5 m方案每延m造價降低約2 900元。

根據聲學計算結果及箱梁梁寬,最終選定接觸懸掛采用吊柱安裝方式吊于聲屏障頂部,聲屏障總高度為8 m,兩側直立部分鋼立柱高度6.5 m,拱頂高1.5 m,聲屏障跨度11.3 m(圖4)。

隨后,利用三維設計軟件進行三維建模,利用有限元分析軟件進行分析,主要分析計算框架結構的自振頻率以及在不同荷載工況下的應力分布狀況,位移狀況,對截面參數或者結構進行調整,選擇合適的支撐構件,計算半封閉聲屏障系統的自振頻率,避免列車脈動力激振時發生共振,通過反復調整和驗算,直到滿足規定的應力,自振頻率和位移限值,最終得出結論認為半封閉式聲屏障受力具有合理性和可行性。

圖4 建成后效果圖

6 結語

城際鐵路采用半封閉式聲屏障可達到單側有高層建筑物的降噪效果,能滿足鐵路建設及運營、保護環境的要求,具有可實施性。此種形式的聲屏障在城際鐵路上的應用前景廣闊,適用于列車設計時速250 km及以下時速的城際鐵路在單側有高層噪聲敏感建筑的聲屏障設置要求,對以后同類型的聲屏障設計具有較好的借鑒意義和參考價值。

［1] 魏保祥,唐鳳琴.高速鐵路噪聲對人群影響評價問題的探討［J].噪聲與振動控制,1999(4):33-34,36.

［2] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.城際鐵路封閉聲屏障專題研究［R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司,2011.

［3] 郭垂江,王慧晶.城際鐵路對沿線城市住宅價格的影響分析［J].鐵道運輸與經濟,2013(1):92-96.

［3] 國家環境保護總局.HJ/T90―2004聲屏障聲學設計和測量規范［S].北京:中國環境科學出版社,2004.

［4] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 17247.2―2000聲學戶外聲傳播的衰減第2部分:一般計算方法［S].北京:中國標準出版社,2000.

［5] 中華人民共和國鐵道部.鐵計函［2010]44號鐵路建設項目環境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見［S].北京:中華人民共和國鐵道部,2010.

［6] 孫鳳珍.高速鐵路插板式聲屏障結構計算分析［J].鐵道標準設計,2010(2):104-106.

［7] 周曉斌.高速鐵路插板式聲屏障結構動力學性能分析［J].鐵道標準設計,2009(6):138-140.

［8] 胡品.武廣鐵路客運專線列車脈動力對聲屏障的影響研究［J].鐵道標準設計,2010(1):149-152.

［9] 王春敏.城市軌道交通聲屏障用塑料板材的選擇與測試方法［J].鐵道標準設計,2011(1):122-124.

［10]秦建成.高速鐵路聲屏障［J].環境工程,2009(6):31,116-118.

［11]栗健,陳淑連,朱梅,等.聲屏障:中國,ZL 2012 2 0414269.0［P].2013-04-24.

［12]齊楠,栗健,陳淑連,等.一種聲屏障板固定裝置:中國,ZL 2012 2 0414790.4［P].2013-03-13.

［13]朱梅,栗健,陳淑連,等.防感應電流聲屏障:中國,ZL 2012 2 0414820.1［P].2013-03-13.

Design Study on the TyPe of Sound Barrier for Protecting High-rise Buildings along Single Side of Intercity Railway

LI Jian
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Sound barrier is the most effective way to control sound transmission.And selecting reasonable sound barrier type and height can effectively reduce the noise pollution and the relocation quantity.In this paper,a sound barrier project was taken as an example,which was designed to protect the sound-sensitive high-rise buildings located at one side of an intercity railway which passes through an urban built-up area.Through comparison among upright type sound barrier,fully-enclosed type sound barrier and semi-enclosed type sound barrier,this paper decided to use the semi-enclosed type sound barrier.And then on the premise of meeting the requirements of catenary,bridge and other relevant subjects,and by means of acoustic calculation and structural calculation,this paper determined that this semi-closed type sound barrier should be eight meters in height and 11.3 meters in span length.It is concluded in this paper that for the intercity railway with design speed of 250km/h and below,the noise reduction effect at single side of the railway can reach to 8.7 to 11.2 dB by using the semi-closed type sound barrier,meeting the requirement on noise limit nearby railway.

intercityrailway；soundbarrier；acousticenvironment；high-risebuilding；environmental protection

U239.5；X827

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.036

1004-2954(2014)07-0153-05

2014-03-04

中鐵工程設計咨詢集團有限公司科研項目(研2011-22)

栗 健(1972―),男,高級工程師,1995年畢業于蘭州鐵道學院給水排水工程專業,工學學士,E-mail:460672367@qq.com。