地鐵工程典型車站消聲措施現(xiàn)狀分析

陳雁濤

中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518000

對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的環(huán)境污染影響表現(xiàn)為以能量損耗型(噪聲、振動(dòng))為主，以物質(zhì)消耗型(污水、廢氣、固體廢物)為輔；對(duì)生態(tài)影響表現(xiàn)為以城市景觀的影響為主，以城市自然生態(tài)環(huán)境影響(城市綠地等)為輔。長期在噪聲環(huán)境中生活和工作，尤其是在強(qiáng)噪聲環(huán)境中, 會(huì)影響人體健康, 直接導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率下降。由于強(qiáng)烈的噪聲危害嚴(yán)重、污染范圍廣, 因此降低排氣噪聲是一個(gè)迫切的任務(wù)。

1 城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)噪聲源種類

典型車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由公共區(qū)通風(fēng)、空調(diào)和防排煙系統(tǒng)，車站設(shè)備管理用房通風(fēng)、空調(diào)和防排煙系統(tǒng)，區(qū)間隧道正常活塞通風(fēng)系統(tǒng)、事故(阻塞、火災(zāi))通風(fēng)系統(tǒng)、車站全封閉站臺(tái)門外車行道頂部排熱系統(tǒng)系統(tǒng)以及車站空調(diào)水系統(tǒng)組成[1]。

列車正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)開啟車站公共區(qū)及設(shè)備區(qū)與通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備，排除余熱和余濕，為乘客在地下車站內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)往返于地面至地下列車內(nèi)的過渡性舒適環(huán)境，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生噪聲；列車在區(qū)間及車站連續(xù)運(yùn)行，會(huì)對(duì)區(qū)間空氣進(jìn)行擠壓，當(dāng)區(qū)間或車站范圍內(nèi)壓力高于室外壓力時(shí)，空氣向車站外產(chǎn)生流動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。列車阻塞或火災(zāi)在區(qū)間隧道內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)，向阻塞區(qū)間提供一定的送、排風(fēng)量，籍以保證列車空調(diào)冷凝器的繼續(xù)運(yùn)作，從而維持列車內(nèi)部乘客能接受的熱環(huán)境條件[2]，區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)通風(fēng)模式，此種工況下也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

地鐵列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲是一種非穩(wěn)態(tài)噪聲，包含列車高速運(yùn)行拖拽和推動(dòng)隧道內(nèi)空氣而產(chǎn)生的氣流噪聲；因車輪略微偏心、軌行區(qū)存在坡度等原因會(huì)引起列車車廂振動(dòng)，列車加速、減速及直行段的滑行，均會(huì)與軌面摩擦產(chǎn)生噪聲。列車進(jìn)出站時(shí)，隧道內(nèi)噪聲以上述為主。列車停靠站臺(tái)時(shí)，車站的噪聲主要為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備噪聲，其中包括公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(大系統(tǒng))及設(shè)備區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(小系統(tǒng))及空調(diào)季的水系統(tǒng)噪聲。典型站均設(shè)置有4個(gè)活塞風(fēng)亭、2個(gè)排風(fēng)亭、2個(gè)新風(fēng)亭，車站范圍內(nèi)的噪聲通過這些風(fēng)井會(huì)傳至地面風(fēng)亭，對(duì)風(fēng)亭周邊會(huì)形成噪聲影響。

2 城市軌道交通噪聲要求

《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-2008)對(duì)車站噪聲要求如下[3]：環(huán)控設(shè)備正常運(yùn)作時(shí)，環(huán)控機(jī)房內(nèi)噪聲值≤90dB(A)；傳至站廳、站臺(tái)公共區(qū)噪聲≤70dB(A)；環(huán)控設(shè)備傳至工作、休息室噪聲≤60dB(A)；環(huán)控設(shè)備傳至區(qū)間噪聲≤88dB(A)。

3 城市軌道交通消聲措施

3.1 消聲器常規(guī)類型

消聲器是指在空氣動(dòng)力管道系統(tǒng)中，控制氣流沿管道傳播噪聲或從開口向外部輻射噪聲，同時(shí)不影響或很少影響氣流通過的裝置。按照消聲器聲學(xué)性質(zhì)的不同，具體可分為阻性消聲器，抗性消聲器，阻抗復(fù)合式消聲器，微穿孔板消聲器，小孔擴(kuò)散消聲器及干涉消聲器。其中阻性消聲器是利用敷設(shè)在氣流管道內(nèi)的吸聲材料吸收聲能而起到消聲作用，對(duì)消除中高頻噪聲比較有效。

對(duì)于典型車站風(fēng)機(jī)噪聲目前多采用阻性消聲器(如玻璃棉為聲阻材料)、阻抗復(fù)合消聲器及折板式抗性消聲器。本文結(jié)合深圳地鐵工程典型車站的特點(diǎn)，在一般正常工作條件下，設(shè)置在室內(nèi)的消聲器能在環(huán)境溫度≤45℃范圍內(nèi)、相對(duì)濕度≤95%條件下正常工作。設(shè)置在交通干道附近風(fēng)井內(nèi)的消聲器以及敞口風(fēng)井內(nèi)安裝的消聲器，亦應(yīng)在深圳市的氣候條件下，承受日曬雨淋及交通干道附近惡劣空氣污染，保證使用壽命期內(nèi)能長期正常工作。

目前深圳地鐵工程普遍采用阻性消聲器，阻性消聲器的構(gòu)造為金屬外殼內(nèi)填玻璃棉的形式。目前普遍應(yīng)用在地鐵工程中的阻性消聲器常見的為片式消聲器及陣列式消聲器。

圖1 片式消聲器

圖2 陣列式消聲器

在典型車站工程中，結(jié)構(gòu)式消聲器放置于車站兩端的活塞機(jī)械風(fēng)道、車站排風(fēng)道、新風(fēng)道的風(fēng)井內(nèi)，有立式垂直安裝和水平臥式安裝兩種方式。在地鐵線路正常運(yùn)行工況下，結(jié)構(gòu)式消聲器用以消除區(qū)間活塞風(fēng)泄壓過程中對(duì)周邊風(fēng)亭的噪聲影響；結(jié)構(gòu)式消聲器設(shè)置在排風(fēng)亭及新風(fēng)亭中，用以消除車站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備正常運(yùn)行工況下對(duì)外界造成的噪聲影響；金屬外殼式消聲器用于大型隧道風(fēng)機(jī)前后，與風(fēng)管連接，就是在結(jié)構(gòu)式消聲器的基礎(chǔ)上增加一圈鋼板包覆，一般為水平臥式安裝，用于降低區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)早晚通風(fēng)換氣開啟時(shí)對(duì)風(fēng)亭外所產(chǎn)生的噪聲；管道式消聲器與風(fēng)管連接，一般為吊式安裝，用以消除設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下所產(chǎn)生的噪聲。各種消聲器承擔(dān)不同工況時(shí)系統(tǒng)的降噪功能，能夠滿足規(guī)范對(duì)于不同類別環(huán)境區(qū)域的噪聲控制要求。

3.2 消聲器技術(shù)要求

3.2.1 耐溫要求

結(jié)合規(guī)范要求，設(shè)置在隧道通風(fēng)系統(tǒng)和地鐵車站防排煙系統(tǒng)的消聲器，因需要滿足防排煙功能，應(yīng)能滿足耐溫250℃，持續(xù)有效工作1h的要求。設(shè)置在高架站及車輛段防排煙系統(tǒng)的消聲器，應(yīng)能滿足耐溫280℃，持續(xù)有效工作0.5h的要求。

3.2.2 消聲性能要求

在車站的兩端設(shè)有與外界空氣相連通的風(fēng)道、風(fēng)井，為了降低地鐵車站內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲傳至地面噪聲值，故在風(fēng)道內(nèi)設(shè)置結(jié)構(gòu)式消聲器或在風(fēng)機(jī)前后設(shè)置金屬外殼式消聲器，使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲通過消聲器后，對(duì)內(nèi)符合(車站公共區(qū)和車站設(shè)備管理用房)噪聲要求，對(duì)外界符合《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-2008)[3]及《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 12348-2008的噪聲要求[4]。

4 片式及陣列式消聲器性能對(duì)比分析

由圖3 不同消聲器設(shè)備類型可以看出，多個(gè)消聲器管道并聯(lián)后，可以組合為片式消聲器和陣列式消聲器，由于出入口斷面變化，組合并聯(lián)后的消聲量計(jì)算公式如下：

圖3 片式消聲器及陣列式消聲器組成

其中：TL-消聲量；

P-紅色虛線總長度；

S-無填充空白區(qū)域面積之和；

DS-消聲器入/出口或斷面突變引起的不連續(xù)衰減。頻率越高，其衰減越明顯。

由計(jì)算公式可以得出結(jié)論：

1.周長(P)越大、吸聲長度(L)越長、吸聲系數(shù)Φ(a)越高，消聲效果越好。

2.流通面積(S)越大，消聲效果越低。

3.在同樣安裝條件下，當(dāng)DS及Φ(a)相等前提下，當(dāng)流通面積(S)相同，陣列結(jié)構(gòu)的P(紅色虛線總長度)大于片式的，因此得出矩陣式消聲器的消聲量大于片式消聲器的消聲量，消聲量比對(duì)結(jié)果詳見圖4:

圖4 流通面積相等時(shí)，片式和陣列式消聲器消聲量與壓力損失對(duì)比圖

在軌道交通工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置消聲器，會(huì)增加通風(fēng)阻力，這會(huì)引起通風(fēng)或制冷效果降低，通常采用提升通風(fēng)設(shè)備的壓頭來穩(wěn)定通風(fēng)效果，但這會(huì)引起用電負(fù)荷的增加。因此在保證設(shè)備消聲量的前提下，消聲器的通風(fēng)阻力越小，通風(fēng)效果的下降率越低，同時(shí)增加的耗電量也越低。

通過對(duì)比得出，與片式消聲器相比，陣列式消聲器的吸聲體寬度增加，低頻吸聲系數(shù)提高，低頻消聲效果也相應(yīng)增加，總吸聲面積增加，整體消聲量提高；陣列式消聲器流通面積更大，風(fēng)速、壓力損失都更低，同時(shí)由于陣列式消聲器的排列方式，氣流通過陣列式消聲器時(shí)氣流分布均勻。由于陣列式消聲器整體消聲效果優(yōu)于片式消聲器，在軌道交通工程中逐漸成為主流。

5 新型材質(zhì)消聲器與常規(guī)材質(zhì)消聲器性能分析

目前軌道交通工程常用的阻性消聲器為金屬外殼內(nèi)填玻璃棉的形式，具體要求為：保溫材料具有耐腐蝕性、無化學(xué)反應(yīng)、具抗霉性；保溫材料吸濕性在環(huán)境條件 t＝45℃ ψ＝98%條件下24小時(shí)吸水率低于其重量5%，保溫材料含水率≤1.0%。

結(jié)合軌道交通工程運(yùn)營案例發(fā)現(xiàn)玻璃棉在風(fēng)壓較大環(huán)境下，玻璃棉由于自身特性，較易被吹散；因玻璃棉具有一定的吸濕性，若果常年工作環(huán)境含濕量較大時(shí)，玻璃棉吸濕后容易板結(jié)，會(huì)影響消聲器的工作效率；因玻璃棉消聲器無法用水進(jìn)行沖洗，消聲器設(shè)備覆塵后也會(huì)在一定程度上影響消聲效果。

在上述背景下，陶瓷結(jié)構(gòu)消聲器成為消聲材料的新方向。

5.1 多孔陶瓷結(jié)構(gòu)分析

多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)桑w內(nèi)具有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料。多孔陶瓷材料具有相對(duì)密度小、比表面積大、熱導(dǎo)率低、比強(qiáng)度高?及吸附性能好等特點(diǎn)，陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕、透水性好，多孔陶瓷這一綠色材料可以用于氣體和液體中過濾、凈化分離、化工催化載體，吸化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性聲減震材料、高級(jí)保溫材料、生物植入材料、特種墻體材料和傳感器材料[5]。

5.2 多孔陶瓷消聲器與玻璃棉消聲器性能對(duì)比

天津堿廠與中國科學(xué)院聲學(xué)所合作，針對(duì)上述問題，對(duì)兩種消聲器性能進(jìn)行了研究分析：用多孔陶瓷管消聲器(見圖5)代替原來的阻抗復(fù)合消聲用在鼓風(fēng)機(jī)上試驗(yàn)，結(jié)果顯示陶瓷消聲器材質(zhì)比離心玻璃棉材質(zhì)具有更好的消聲效果。其中A 聲級(jí)減噪量為24分貝, 低頻段(63~500赫) 減噪量為15~25分貝。

1.微孔陶瓷管 2.擴(kuò)張室 3.殼體圖5 風(fēng)機(jī)消聲器

綜上所述，多孔陶瓷瓷為多孔性吸聲材料與微穿界板吸聲結(jié)構(gòu)兩種吸聲特性的結(jié)合, 吸聲材料具有寬頻帶的吸聲效果。

6 結(jié)束語

(1) 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)消聲設(shè)計(jì)通用方案對(duì)各類噪聲源進(jìn)行了有針對(duì)性的治理，噪音降低效果顯著，滿足規(guī)范要求，但細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)仍存在優(yōu)化的可能。在工程建造過程中，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備有風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、空調(diào)設(shè)備、水泵等，可在前期設(shè)計(jì)選型過程中應(yīng)優(yōu)先考慮噪聲小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的設(shè)備，從源頭降低設(shè)備噪聲。

(2) 在設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的設(shè)備考慮消聲與減振措施。風(fēng)機(jī)前后設(shè)置消聲器；隧道排熱通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)機(jī)前后設(shè)消聲器，車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送、排風(fēng)管上根據(jù)噪聲情況設(shè)置消聲器；空調(diào)設(shè)備與其基礎(chǔ)之間設(shè)減振墊或減振器；風(fēng)管和水管設(shè)減振支、吊架；設(shè)備與管道連結(jié)處采用軟管；空調(diào)通風(fēng)機(jī)房設(shè)置隔聲密閉門等。以上措施均能降低設(shè)備因震動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

(3) 在地鐵工程中陣列式消聲器比片式消聲器具有更好的消聲量、壓力損失小、運(yùn)輸安裝靈活方便，逐漸被軌道交通工程大范圍推廣使用。

(4) 通過上文論述，陣列式消聲器中離心玻璃棉若替換為多孔陶瓷消聲器，整體消聲效果會(huì)更好，陶瓷顆粒消聲器材質(zhì)具有廣闊的市場前景。