城市軌道交通線路噪聲關(guān)鍵影響因素分析

楊洋

文章以廣西某地區(qū)城市軌道中的一段線路作為試驗(yàn)路段，將鋼軌踏面的磨耗值定作實(shí)驗(yàn)變量，采集了整條線路的噪聲聲壓級，對曲線地段鋼軌打磨前和打磨后的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，試圖探究出輪軌噪聲的發(fā)聲機(jī)理，提出一套用以降低輪軌噪聲的具體方案，為廣西乃至西南地區(qū)的城市軌道交通發(fā)展提供理論依據(jù)。

地鐵噪聲;鋼軌磨耗;鋼軌打磨;小半徑曲線

U491.9+1A381345

0 引言

在城市軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，地鐵列車運(yùn)營過程中產(chǎn)生的振動和噪聲問題也不容忽視。廣西某地軌道交通自開通運(yùn)營以來就不斷收到乘客與地鐵司機(jī)對列車客室內(nèi)噪聲過大問題的反饋，這些噪聲不僅在一定程度上對乘車市民出行舒適度造成了影響，還會對長期處于噪聲環(huán)境下工作的地鐵司機(jī)的身心健康造成危害。而目前在我國西南地區(qū)還沒有一套完善的針對噪聲污染的整治措施，因此設(shè)法降低城市軌道的振動和噪聲，讓人類與自然的關(guān)系更加和諧，成為了社會各行業(yè)所重點(diǎn)關(guān)注的問題。

如何對地鐵列車運(yùn)行中的所產(chǎn)生的噪聲問題進(jìn)行整治是國內(nèi)外學(xué)者近年研究的熱點(diǎn)：李克飛等[1]對城市軌道交通輪軌噪聲影響因素進(jìn)行分析，針對性地研究了速度調(diào)整、鋼軌打磨、車輪鏇修、鋼軌阻尼降噪裝置等主動控制措施的降噪效果，并提出輪軌噪聲的防治措施建議;馮陳程[2]提出了通過車內(nèi)噪聲測量結(jié)果反推鋼軌波磨幅值的間接測量方法，針對車內(nèi)異常噪聲，從控制聲源的角度提出了短波長鋼軌波磨的打磨限值，從車輛和軌道的角度提出了改進(jìn)建議;澳大利亞昆士蘭大學(xué)鐵路工程技術(shù)中心學(xué)者R.D.Batten[3]基于使用所測得的接收力和速度數(shù)據(jù)的高效波紋變速發(fā)展模型，分析了現(xiàn)場站點(diǎn)上輪軌相互作用的頻域動力學(xué)，將波紋波長基于模型的預(yù)測與通過對每個站點(diǎn)處測得的軌道輪廓進(jìn)行光譜分析而得出的預(yù)測進(jìn)行比較，提出了一種在測得的軌道輪廓上使用光譜分析的方法，用于分離相對于軌枕位置而變化的兩個主要波狀波長。盡管如此，針對我國西南地區(qū)軌道交通的噪聲整治措施還不夠成熟。

為了解決我國西南地區(qū)地鐵列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲給人們造成的不利影響，本文以廣西某地區(qū)城市軌道中的一段線路作為試驗(yàn)路段，將鋼軌踏面的磨耗值定作實(shí)驗(yàn)變量，采集了整條線路的噪聲聲壓級，對曲線地段鋼軌打磨前和打磨后的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，

試圖探究出輪軌噪聲的發(fā)聲機(jī)理，提出一套用以降低輪軌噪聲的具體方案，為廣西乃至我國西南地區(qū)的城市軌道交通發(fā)展提供理論依據(jù)、夯實(shí)行業(yè)基礎(chǔ)。

1 噪聲產(chǎn)生原因及測試方法

據(jù)乘客反映，乘坐地鐵時經(jīng)常會出現(xiàn)列車行駛到某個別區(qū)間時車內(nèi)噪聲明顯變大的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行速度<60 km/h時，產(chǎn)生噪聲的主要來源是列車輔助設(shè)備以及牽引電機(jī)，當(dāng)列車速度在60～80 km/h范圍內(nèi)時，噪聲主要是由輪軌噪聲以及空氣動力噪聲組成的[4]。經(jīng)調(diào)查，噪聲明顯增大區(qū)段多為鋼軌磨耗嚴(yán)重地段亦或是曲線地段。為此，本試驗(yàn)以鋼軌磨耗狀態(tài)為變量，分別對鋼軌打磨前后進(jìn)行系統(tǒng)地車內(nèi)噪聲及車輛振動數(shù)據(jù)測試。如表1所示為地鐵列車噪聲限值要求。

1.1 地鐵噪聲剖析

通過對上海、深圳、廣州三地軌道交通的噪聲檢測調(diào)查進(jìn)行系統(tǒng)分析，上海地鐵[5]在通過半徑為350 m的小半徑曲線時，現(xiàn)場檢測噪聲聲壓級最大值達(dá)140 dB;深圳地鐵[6]在通過半徑<400 m的曲線段時，噪聲聲壓級最大值達(dá)110 dB;廣州地鐵[7]在通過最小半徑為200 m的曲線時，噪聲聲壓級最大值為136 dB。三地地鐵在通過小半徑曲線時，都普遍存在噪聲超限的問題，由此可以看出，不僅鋼軌磨耗是產(chǎn)生噪聲的主要原因，小半徑曲線也是產(chǎn)生噪聲的重要來源之一。由于小半徑曲線可能存在欠超高和過超高，導(dǎo)致鋼軌外軌產(chǎn)生較大的磨耗，內(nèi)軌軌頭及軌顎容易出現(xiàn)裂紋，而且小半徑曲線路段受力復(fù)雜，易造成鋼軌軌面剝落、鋼軌接頭錯位等問題，不易保持軌道幾何形位。不僅如此，列車在曲線上運(yùn)行時還會產(chǎn)生滑動摩擦，由于曲線半徑過小，離心作用和滑動摩擦力就會增大，使輪軌之間產(chǎn)生更大的噪聲。

1.2 列車車廂內(nèi)噪聲測試

本試驗(yàn)嚴(yán)格按照《聲學(xué)-軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》（GB/T 3449-2011）[8]和《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》（GB/T 14892-2006）[9]進(jìn)行布點(diǎn)及測試。由于噪聲的主要來源是輪軌接觸造成的，考慮到車廂內(nèi)不同位置、不同高度所接受到的噪聲數(shù)值不盡相同，特別是越靠近車廂地面的位置，測得的噪聲聲壓級越高，因此，選擇合適的測試高度與位置變得極為重要。

（1）測試對象：廣西某地鐵車廂。

（2）測試線路：正線全長32.1 km，包含曲線110條，其中R≤450 m的曲線共27條（上行14條，下行13條），其中最小曲線半徑為330 m。道床為鋼彈簧浮置板道床。

（3）測試設(shè)備：HS6288E型多功能噪聲分析儀和由Brüel & Kjr聲學(xué)與振動測量公司生產(chǎn)的4292-L型球型噪聲采集器，該設(shè)備使用12個揚(yáng)聲器在單聲道配置中，通過球形分布均勻地輻射聲音。

（4）測試布點(diǎn)：本試驗(yàn)挑選了幾個極具代表性的位置進(jìn)行噪聲聲壓級測試：司機(jī)駕駛室座位處、駕駛室與客室的連接處、客室乘客座位處、客室車門處及兩車廂的連接處，在這些位置分別架設(shè)噪聲采集裝置，布點(diǎn)圖見圖1。依照上述兩個標(biāo)準(zhǔn)將架設(shè)在駕駛室和客室座位處的設(shè)備高度定為1.2 m，其余位置按照標(biāo)準(zhǔn)中的站立值1.6 m架設(shè)。

2 地鐵列車噪聲數(shù)據(jù)分析

2.1 靜態(tài)列車空調(diào)噪聲分析

為了對地鐵噪聲進(jìn)行全方面的分析，考慮到車廂內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)作時會產(chǎn)生機(jī)械噪聲，為排除其他噪聲因素的影響，在測試車廂內(nèi)空調(diào)噪聲數(shù)據(jù)時列車保持靜止?fàn)顟B(tài)，再測試一組列車靜止時不開空調(diào)的噪聲數(shù)據(jù)與其進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。測試結(jié)果如下頁圖2、圖3所示。

由圖2、圖3數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)列車靜止且空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉時，車廂內(nèi)噪聲值均處于60 dB以內(nèi)，2號車廂內(nèi)的噪聲值略低于1號車廂，其中駕駛室、空調(diào)機(jī)下方和兩車廂的連接處噪聲相對較大，最大噪聲聲壓級為58 dB。當(dāng)列車靜止同時空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)作時，車廂內(nèi)噪聲聲壓級在70 dB左右浮動，1號車廂與2號車廂噪聲值大致相同，空調(diào)機(jī)下方與兩車廂連接處的噪聲值略大，而處于駕駛室內(nèi)的聲壓級最大，達(dá)到了77 dB。因此，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲并不是主要的噪聲污染源，且列車靜止時車內(nèi)噪聲符合規(guī)范要求。

2.2 曲線鋼軌打磨段數(shù)據(jù)測試分析

軌道交通噪聲產(chǎn)生的最主要原因是鋼軌磨耗和小半徑曲線。通過不同區(qū)段的噪聲對比分析發(fā)現(xiàn)，列車行駛在小半徑曲線時產(chǎn)生的噪聲比行駛在其他區(qū)段時的噪聲大，現(xiàn)針對此問題對該市地鐵1號線A—M下行路段進(jìn)行檢測調(diào)查。

利用多功能噪聲分析儀檢測出目前試驗(yàn)路段全線噪聲區(qū)間普遍在78～86 dB之間，僅在部分曲線段噪聲較為突出，當(dāng)曲線半徑R≤400 m時，噪聲峰值可達(dá)到94.3 dB。線路專業(yè)人員對A—M下行路段噪音較大曲線段各部要素參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，通過現(xiàn)場核對、檢算比較，曲線超高、過超高和欠超高符合《鐵路維修規(guī)則》[10]中有關(guān)規(guī)定（未被平衡欠超高≤75 mm，困難情況下≤90 mm;未被平衡過超高≤30 mm，困難情況下≤50 mm）;曲線半徑、長度、列車速度要求等均符合《地鐵設(shè)計規(guī)范》[11]等國家、行業(yè)有關(guān)規(guī)范要求。此路段小半徑曲線要素如表2所示。對該下行曲線段H—J（K12+934～K13+739）鋼軌進(jìn)行調(diào)查，鋼軌類型為TB60 kg，主要存在曲下股軌面部分波磨、曲上股輕微掉塊等病害。

針對以上鋼軌的不良現(xiàn)象，立即對其鋼軌廓形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并制定打磨方案，采用美國HARSCO RGH20C鋼軌打磨車對H、I、J三條路段的上下股鋼軌進(jìn)行8次反復(fù)打磨。下股鋼軌打磨前存在比較明顯的波磨，波磨深度大約為0.02 mm、波長為30 mm，打磨石軌面波磨基本消除，焊縫不平順得到較大幅度緩解。

對鋼軌打磨前后的廓形與設(shè)計廓形進(jìn)行對比，分析指標(biāo)主要為GQI和廓形偏差量。下行K13+700段上股鋼軌打磨后，鋼軌廓形對比GQI指標(biāo)由打磨前的58.6提高到81.6;下股鋼軌打磨后，鋼軌廓形對比GQI指標(biāo)由打磨前的45提高到60.1。打磨前測量點(diǎn)GQI均值為52.7分，打磨后GQI均值為71.4分，提高了35.5%。

根據(jù)表3廓形法向偏差對比分析，本次鋼軌內(nèi)側(cè)、頂面、外側(cè)分別打磨0.3 mm、0.1 mm、0.1 mm，打磨前曲線上股與設(shè)計廓形最大偏差約為0.62 mm，曲線下股與設(shè)計廓形最大偏差約為0.75 mm;打磨后曲線上股與設(shè)計廓形最大偏差約為0.40 mm，曲線下股與設(shè)計廓形最大偏差約為0.68 mm。

2.3 列車噪聲數(shù)據(jù)分析

為測試列車噪聲數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)特選取廣西某城市軌道交通A—M段作為試驗(yàn)路段，分別記錄H、I、J段鋼軌打磨前后車廂內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)變化。圖4為列車在A—M段運(yùn)行時駕駛室內(nèi)噪聲聲壓級變化。由圖4可知，每一段線路的噪聲各不相同，大多數(shù)線路噪聲都超過了限值，噪音平均值最高為92.2 dB，其峰值范圍為90～94.4 dB，曲線半徑為340 m，位于H—J段上行區(qū)間，道床為減振墊浮置板道床。該試驗(yàn)線路只有C、E、M三段線路的噪聲符合規(guī)范要求，噪聲最小聲壓級為78 dB，僅在試驗(yàn)路段中就有77%的區(qū)間線路不滿足規(guī)范要求，而F段和H、I、J段噪聲較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范要求，最大聲壓級達(dá)92.2 dB。

圖5、圖6為列車在A—M段運(yùn)行時，1號和2號車廂客室內(nèi)的噪聲聲壓級數(shù)據(jù)曲線圖。由圖5～6可見，打磨前除H、I、J段的噪聲聲壓級較大外，其余路段的噪聲聲壓級均在規(guī)范限值附近上下波動，波動范圍最大不會超過86 dB;列車在C、E、M三段線路處噪聲較小，1號車廂噪聲聲壓級最小值僅為77.3 dB，2號車廂噪聲聲壓級最小值僅為77.1 dB，基本能與列車靜止且空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)作時駕駛室內(nèi)噪聲數(shù)值持平。在鋼軌打磨段，打磨前1號車廂的最大噪聲聲壓級達(dá)94 dB，2號車廂最大噪聲聲壓級達(dá)94.3 dB，打磨后1號車廂最大噪聲聲壓級降至85.4 dB，2號車廂最大噪聲聲壓級降至84.3 dB，其中J段線路打磨后噪聲聲壓級低至規(guī)范限值以下，最低噪聲聲壓級為82.3 dB。

對噪聲較大區(qū)段進(jìn)行打磨處理后發(fā)現(xiàn)，鋼軌打磨后的輪軌噪聲明顯降低。因?yàn)殇撥壌蚰ツ苁逛撥壍哪ズ臏p小，磨耗越小表明鋼軌踏面平順，列車運(yùn)行時的輪軌噪聲也隨之減小，進(jìn)一步證明了鋼軌磨耗就是產(chǎn)生輪軌噪聲的重要原因之一。

3 線路噪聲整治措施

3.1 鋼軌磨耗整治措施

面對鋼軌磨耗、鋼軌波磨、鋼軌踏面不平順等問題，應(yīng)提高鋼軌材質(zhì)，增加軌條抗磨性能;采用輪軌潤滑，降低輪緣和鋼軌軌距角接觸部位的磨損，減少有害摩擦;適度增加軌底坡，可使輪軌接觸點(diǎn)靠近軌頭中央，減輕軌頭上圓角的應(yīng)力集中，減少鋼軌側(cè)磨;合理設(shè)置曲線超高，加強(qiáng)曲線的綜合養(yǎng)護(hù)，控制線路質(zhì)量使其經(jīng)常處于完好狀態(tài)，使磨耗影響最小化;在每條線路設(shè)置鋼軌廓形檢測點(diǎn)，每3個月進(jìn)行一次廓形檢測，根據(jù)鋼軌廓形的磨耗量推測鋼軌磨耗趨勢，當(dāng)磨耗量變化速率加快時，積極安排打磨車進(jìn)行打磨，使輪軌關(guān)系保持一個較好的狀態(tài);讓鋼軌打磨專家針對不同鋼軌病害進(jìn)行打磨優(yōu)先級的確認(rèn)判斷，指導(dǎo)鋼軌打磨作業(yè)安排及個性化打磨程序的設(shè)計等，以提升鋼軌打磨工作效果;積極與其他地鐵保持聯(lián)系，汲取先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，爭取早日尋求徹底解決鋼軌磨耗導(dǎo)致噪音過大問題的辦法和措施。

3.2 小半徑曲線整治措施

若小半徑曲線段出現(xiàn)行車噪聲超限的問題則需從以下幾個方面做出應(yīng)對措施：提高小半徑曲線線路維修標(biāo)準(zhǔn)，加大路線幾何狀態(tài)的檢查力度，減小圓曲線連續(xù)差差值，保持鋼軌軌頭圓順度;加強(qiáng)對小半徑曲線區(qū)域的涂油養(yǎng)護(hù)管理，結(jié)合鋼軌磨耗數(shù)據(jù)，合理安排涂油周期和涂油量，以達(dá)到減小磨耗量的最佳效果;定期對線路進(jìn)行平穩(wěn)性檢測，了解線路噪聲和行車穩(wěn)定性的變化，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)曲線判定行車狀態(tài);實(shí)時檢測打磨后鋼軌廓形變化，根據(jù)廓形變化趨勢判斷是否需要在緩直點(diǎn)二次打磨;當(dāng)列車經(jīng)過小半徑曲線段時應(yīng)適當(dāng)降低車速;積極與其他地區(qū)城市軌道交通行業(yè)保持聯(lián)系，汲取先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，降低列車通過曲線時的噪聲，爭取早日尋求徹底解決小半徑曲線行車導(dǎo)致噪音過大問題的辦法和措施，提高旅客乘坐的舒適度。

3.3 其他噪聲整治措施

除了上述列舉的針對鋼軌磨耗和小半徑曲線兩種不良因素的整治措施外，還可以通過其他方式對噪聲進(jìn)行有效控制：

（1）車內(nèi)措施：為提高玻璃隔聲性能，窗縫的密封處理可用疊合玻璃和夾層玻璃的方式使噪聲最小化，并將高鐵列車車門的隔音技術(shù)運(yùn)用到地鐵列車上;通過對鋁合金車體進(jìn)行約束阻尼處理或自由阻尼處理，提高車體結(jié)構(gòu)阻尼、抑制共振，達(dá)到減振降噪的目的;將列車內(nèi)部的底板換成隔音材料并對其進(jìn)行加厚處理，以減小車內(nèi)輻射噪聲等。

（2）車外措施：采用無縫長鋼軌消除鋼軌接頭，可以有效減少列車車輪對鋼軌接頭撞擊而產(chǎn)生的振動與噪聲;提高軌道板及軌下基礎(chǔ)的彈性，減少車輛振動帶來的噪聲;在軌道板上鋪設(shè)吸音泡棉，將部分輪軌噪聲吸收，降低附屬建筑產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)物噪聲。

4 結(jié)語

本文對廣西某地城市軌道交通運(yùn)行過程中存在的車內(nèi)噪聲過大的問題進(jìn)行深入探究，經(jīng)現(xiàn)場測試后進(jìn)行分析，包括地鐵噪聲剖析、列車車廂內(nèi)噪聲測試、列車空調(diào)噪聲測試、小半徑曲線及鋼軌磨耗對噪聲的影響等，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)列車靜止且空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉時，車廂內(nèi)噪聲值均處于60 dB以內(nèi)，最大噪聲聲壓級為58 dB;當(dāng)列車靜止同時空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)作時，車廂內(nèi)噪聲聲壓級在70 dB左右浮動，駕駛室內(nèi)的聲壓級最大可達(dá)77 dB，車內(nèi)噪聲均符合規(guī)范要求。因此，空調(diào)系統(tǒng)并不是主要的噪聲污染源。

（2）小半徑曲線主要存在曲下股軌面部分波磨、曲上股輕微掉塊等病害，遂對H—J曲線段進(jìn)行鋼軌打磨。鋼軌內(nèi)側(cè)、頂面、外側(cè)分別打磨0.3 mm、0.1 mm、0.1 mm，打磨后鋼軌GQI指標(biāo)平均為71.4分，較打磨前52.7提高了35.5%。軌面波磨基本消除，焊縫不平順得到較大幅度緩解。

（3）試驗(yàn)路段全線噪聲區(qū)間普遍在78～86 dB之間，僅在部分曲線段噪聲較為突出。當(dāng)曲線半徑R≤400 m時，噪聲峰值可達(dá)到94.3 dB。在鋼軌打磨段，打磨前最大噪聲聲壓級達(dá)94.3 dB，打磨后最大噪聲聲壓級降至84.3 dB，其中J段線路打磨后噪聲聲壓級低至規(guī)范限值以下，最低噪聲聲壓級為82.3 dB。打磨鋼軌后的輪軌噪聲明顯降低，證明了鋼軌磨耗就是產(chǎn)生輪軌噪聲的重要原因之一。

（4）通過對地鐵某線路鋼軌磨耗量和小半徑曲線的實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析，判斷出鋼軌磨耗量和小半徑曲線是產(chǎn)生輪軌噪聲的重要原因。鑒于以上問題，提出了相應(yīng)整治措施，為西南地區(qū)軌道交通后期運(yùn)維及噪聲治理問題提供理論基礎(chǔ)，為整個城市軌道交通行業(yè)更上一層樓打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]李克飛，王 進(jìn)，石 熠，等.城市軌道交通輪軌噪聲主動控制措施應(yīng)用研究[J/OL].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？ doi=10.13238/j.issn.1004-2954.202008030001，2020-11-23.

[2]馮陳程.地鐵列車車內(nèi)異常噪聲原因分析及控制措施研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[3]R.D.Batten et al.Field and theoretical investigation of the mechanism of corrugation wavelength fixation under speed variation[J].Wear，2010，271（1）：278-286.

[4]閆國軍.鐵路沿線居住小區(qū)噪聲現(xiàn)狀測量及治理對策[A].城市化進(jìn)程中的建筑與城市物理環(huán)境：第十屆全國建筑物理學(xué)術(shù)會議論文集[C].中國建筑學(xué)會建筑物理分會，2008.

[5]扈 凱.上海地鐵九號線車內(nèi)噪聲品質(zhì)分析及優(yōu)化[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[6]楊 易，金新陽，王敏遠(yuǎn)，等.深圳地鐵環(huán)境噪聲與聲屏障降噪數(shù)值模擬研究[J].城市軌道交通研究，2010，13（2）：23-27.

[7]劉仁福，熊 亮，魏曉婷，等.廣州地鐵7號線列客室噪聲分析與整治措施[J].城市軌道交通研究，2020，23（4）：19-23.

[8]GB/T 3449-2011，聲學(xué) 軌道車輛內(nèi)部噪聲測量[S].

[9]GB 14892-2006，城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法[S].

[10]吳細(xì)水，劉丙強(qiáng).《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》主要內(nèi)容及特點(diǎn)[J].中國鐵路，2012（5）：15-18.

[11]GB 50157-2003，地鐵設(shè)計規(guī)范[S].