基于Cadna/A的高速鐵路單側高層住宅聲屏障降噪效果研究

楊忠平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著中長期鐵路網規劃不斷實施與推進，我國高速鐵路里程逐年增長，運營列車數量不斷增多，高速鐵路噪聲影響范圍擴大，因鐵路噪聲干擾引起的投訴事件次數也呈上升勢頭[1-4]。高速鐵路噪聲對沿線居民區、學校、醫院等聲環境敏感點的噪聲影響已為各方關注，特別是，高速鐵路引入城區路段時，往往無法繞避高層住宅區，噪聲傳播過程中，因高層建筑與普通的低層建筑的垂直指向性差異，在軌面以上，噪聲傳播規律有所不同，直立式聲屏障受高度所限，降噪效果有限[5-8]，開展高速鐵路對高層住宅噪聲影響的降噪措施研究工作顯得尤為必要。

1 工程背景

新建鐵路西安至延安高速鐵路(以下簡稱“西延高鐵”)位于陜西關中及陜北地區，線路于西安東站北端引出，向北經西安市灞橋區、臨潼區、高陵區，咸陽市三原縣，渭南市富平縣，銅川市耀州區、王益區、印臺區、宜君縣，延安市黃陵縣、洛川縣、富縣、甘泉縣和寶塔區，引入既有包西線延安站，正線全長約287 km。西延高鐵沿線分布有村莊、學校、醫院等聲環境敏感點140余處，在延安市甘泉縣境內，分布有1處高層住宅小區(以下簡稱“環境敏感點”)，距離西延高鐵外軌中心線最近距離約20 m，該環境敏感點地理位置示意見圖1。

圖1 環境敏感點地理位置示意

受既有甘泉站站位和曲線半徑制約，西延高鐵線路無進一步遠離該敏感點的條件，若實施工程搬遷，搬遷成本高昂，受影響人數眾多，為有效保護該環境敏感點的聲環境質量，采取工程降噪措施成為唯一選擇。本文基于Cadna/A軟件建立西延高鐵與敏感點的噪聲影響預測模型，預測西延高鐵運營的噪聲影響，結合工程應用實例，模擬不同聲屏障的降噪效果，推薦合理可行的聲屏障措施。

2 環境敏感點噪聲影響分析

2.1 Cadna/A軟件概述

Cadna/A軟件是一套基于ISO9613標準方法的噪聲模擬預測和控制軟件，于2001年獲得原國家環保總局環境工程評估中心的環境影響評價軟件認證證書[9]。Cadna/A軟件用分段的思路計算鐵路噪聲輻射聲級，該方法先將鐵路線劃分為若干小段，每一段簡化為點聲源，形成有限長的系列點聲源，然后分別計算每個點聲源對環境敏感點作用的聲級后，按能量疊加原理合成得到敏感點處總的計權等效A聲級，疊加背景值得到預測值，判斷是否超標。以此作為依據，進行達標分析，確定是否在新建鐵路、既有鐵路、或擴建鐵路線路兩側上，采取適當的鐵路噪聲防治措施[10-12]。利用Cadna/A軟件進行鐵路環境噪聲的預測、評價及降噪方案研究，方法具有合理性[13]。

2.2 利用Cadna/A建立西延高鐵噪聲預測模型

(1)預測參數

根據西延高鐵設計文件，主要噪聲預測參數詳見表1。

表1 噪聲預測參數

(2)模型建立

根據列車對數、列車種類、運行速度、位置關系等參數，利用Cadna/A軟件建立西延高鐵與聲環境敏感點的噪聲預測模型，利用我國建立在測試基礎上的鐵路噪聲源強數據及噪聲預測模式，對Cadna/A預測模型進行驗證與修正[10-14]。運行軟件，預測西延高鐵對該敏感點的噪聲影響，水平聲場如圖2所示。

圖2 西延高鐵噪聲影響水平聲場示意

2.3 環境敏感點影響分析

以該環境敏感點距離西延高鐵20 m處的高層住宅為主要的研究對象，西延高鐵運營近期對各樓層的噪聲影響預測值見表2，垂向聲場分布如圖3所示。

表2 噪聲影響預測值 dB(A)

圖3 無降噪措施垂向聲場分布示意

根據預測結果，鐵路軌面以下鐵路噪聲影響隨著樓層降低而遞減，而軌面以上，隨著樓層升高，噪聲影響增大，在第4層達到最大(軌面以上5.5 m處)，從第5層開始，隨著樓層升高，噪聲影響逐層衰減，每層衰減約0.3 dB(A)。西延高鐵對高層住宅的噪聲影響晝間預測值為65.8～73.1 dB(A)，夜間為59.3～66.6 dB(A)，對照GB3096—2008《聲環境質量標準》中4b類區標準，晝間超標0.3～3.1 dB(A)，夜間超標2.1～6.6 dB(A)。

3 降噪措施及效果

設置聲屏障是防治鐵路運行噪聲對環境污染的主要措施之一，已經在國內外廣泛使用[15-17]。目前，高速鐵路路基段普遍使用3 m高直立式聲屏障，部分降噪要求較高的路段或者高層住宅，設置了封閉式聲屏障。

3.1 直立式聲屏障

根據京秦、秦沈客運專線地面以上1.5 m處實測結果，2.5 m高聲屏障插入損失4～11 dB(A)[18-20]。基于西延高鐵與環境敏感點的噪聲預測模型，設置3 m高聲屏障，模擬聲屏障降噪效果，采取聲屏障措施后高層住宅的垂向等效聲級如圖4所示。

圖4 3 m高聲屏障措施后垂向聲場分布示意

采取3 m高直立式聲屏障對該敏感點5層及以下有降噪效果，降噪量為1.7～9.2 dB(A)，1～3層降噪效果明顯，降噪量為4.7～9.2 dB(A)，受聲屏障高度所限，對6層以上無降噪效果。增加聲屏障高度，聲程差相應增加，降噪量隨之增加[21]。通過調研，銀西高鐵銀川站南咽喉區采用10 m高直立式聲屏障，聲環境敏感點4b類區滿足70 dB(A)，夜間60 dB(A)標準要求，2類區維持現狀[22]。采取10 m高聲屏障，西延高鐵對高層住宅的噪聲影響垂向聲場分布如圖5所示。

圖5 10 m高聲屏障措施后垂向聲場分布示意

采取10 m高直立式聲屏障，降噪效果及范圍均提高，對各層均有降噪效果，其中，在11層及以下降噪量為6.2～18.5 dB(A)，晝、夜間均可達標；受高度所限，對12～16層降噪效果較小，降噪量為1.8～2.7 dB(A)，夜間仍超標，超標量1.1～1.6 dB(A)。

3.2 半封閉聲屏障

提高直立式聲屏障高度，降噪效果明顯提升，但仍存在超標樓層，受結構荷載、運營安全、景觀等因素影響，直立式聲屏障的高度不可能持續升高。為有效防治位于高速鐵路單側、距離較近的高層住宅的噪聲影響，半封閉聲屏障在滬杭高鐵、京張高鐵、杭長高鐵的橋梁段得到了應用，針對杭長高鐵半封閉聲屏障的監測結果顯示，軌面以上0～6 m，距軌道中心線7.5，25 m處的降噪量分別為15～18 dB(A)、15～16 dB(A)[23-25]。采取高度11.1 m，頂部遮蔽寬度7 m，跨度15 m的半封閉聲屏障，西延高鐵對高層住宅的噪聲影響垂向聲場分布如圖6所示。

圖6 半封閉聲屏障措施后垂向聲場分布示意

采取半封閉聲屏障，聲影區覆蓋整個居民樓，降噪效果好，降噪量為13.5～21.9 dB(A)，軌面以上隨著樓層增加，降噪量降低，降噪規律與杭長高鐵半封閉聲屏障的實際監測結果一致，各層晝、夜間均可達標。為有效控制西延高鐵對該敏感點的噪聲影響，確保第一排高層住宅噪聲影響達標，推薦該處敏感點采取半封閉聲屏障措施。

4 結論與建議

4.1 結論

結合西延高鐵與某處環境敏感點的相對位置關系，以距離鐵路20 m處的高層住宅為重點研究對象，基于Cadna/A軟件預測西延高鐵對該敏感點的噪聲影響，結合工程應用情況，模擬不同聲屏障的降噪效果。主要得到以下結論。

(1)在路基軌面以上5.5 m處，鐵路噪聲影響達到最大，隨著樓層升高，噪聲影響逐層衰減，每層衰減0.3 dB(A)。

(2)3 m高直立式聲屏障對5層及以下(敏感點地面至軌面以上約8.5 m)有降噪效果；對1～3層(敏感點地面至軌面以上2.5 m)降噪效果明顯，降噪量為4.7～9.2 dB(A)。

(3)10 m高聲屏障對各層均有降噪效果，受高度所限，對12～16層(軌面以上29.5～41.5 m)降噪效果較小，降噪量為1.8～2.7 dB(A)。

(4)半封閉聲屏障對各層降噪效果明顯，降噪量為13.5～21.9 dB(A)，可應用于該環境敏感點的噪聲防治。

4.2 建議

鐵路噪聲防治盡可能從源頭開展，新建鐵路選線時應遠離高層住宅區或者規劃的居民文教區。西延高鐵開通運營后，應開展該環境敏感點噪聲影響及降噪效果現場監測，將現場監測獲得的降噪效果數據和模擬的降噪效果進行分析對比，修正相關參數，有助于提高預測結果的準確性，更好地指導以后的鐵路設計工作。