武汉市轨道交通隔声屏研究与设计[摘 要] 以既有城市轨道交通噪声实测数据及森林小火车隔声屏试验数据为基础,利用声学相似律,分析了城市轨道交通噪声源特性及不同类型隔声屏降噪效果,并将研究成果运用于武汉市轨道交通一号线一期工程的噪声控制工程设计,实际测量表明,试验结果与实际工程结果基本吻合,设计达到了预期目标。[关键词] 轨道交通 隔声屏 研究 设计1 概述 武汉市轨道交通一号线一期工程从宗关至黄浦路,全长10余公里,采用全高架桥梁形式贯穿武汉市闹市区,沿线环境敏感点众多。轨道交通运营后,不可避免地对沿线环境造成不同程度的影响,沿线高层建筑的部分楼层大多数将超标,噪声控制设计是武汉市轨道交通工程设计的重点和难点。 为配合武汉市轨道交通工程设计,铁道第四勘察设计院对本工程列了专题科研项目,研究项目以既有城市轨道交通噪声实测数据及森林小火车隔声屏试验数据为基础,并利用声学相似律,研究了武汉市轨道交通列车噪声源特性及噪声控制设防值、轨道交通噪声环境影响范围及程度研究、不同类型隔声屏的降噪效果试验、提出了武汉市轨道交通噪声控制工程设计方案,并成功地运用于武汉市轨道交通的隔声屏设计。2 城市轨道交通噪声源特性及环境影响测量分析2.1 城市轨道噪声源特性 不同车辆在国内既有轨道交通上运行的噪声源特性测量结果见表1。
天津地铁以及上海明珠线的噪声频谱特性见图1。 根据CJ/T5021~1995《轻轨交通车辆通用技术条件》中的规定,车辆以70km/h速度运行时,距轨道中心线7.5m处,车辆噪声不得超过82dBA。但从上述资料可以看出,车辆以70km/h速度运行时,距离轨道中心线7.5m处,车辆噪声均超过或接近90dBA,峰值出现在500HZ~600HZ处,63~4000HZ频谱范围内声级均超过75dBA,所以武汉市城市轨道交通噪声控制工程的设防值选择为90dBA。2.2 城市轨道交通噪声环境影响测量分析 为了分析武汉市城市轨道交通噪声环境影响的范围和程度,对既有的城市高架轨道交通线进行了噪声测量,测量区段的桥高约8~10m,距桥梁中心线为20m处,列车运行噪声瞬时值测量结果见表2。 从表2可以看出,城市高架轨道交通的噪声随高度的变化明显变化,在6层以下及16层以上相对于中间楼层小,呈明显的蝶形分布。在距桥梁中心线为20m的建筑处,列车运行噪声的瞬时值基本都超过90dBA,8-12层甚至超过95dBA,预计随着车速的提高环境噪声会进一步提高。2.3 轮轨噪声与桥梁振动二次辐射噪声测量分析 测量点距桥梁中心线为10m处,列车运行噪声瞬时值测量结果见表3,在测点与轨道之间设置了约4m高直立式隔声屏。 从表3看出,列车在远轨离测量点的轨道上运行时的噪声超过90dBA,但在靠近测量点的轨道上运行时的噪声却小于90dBA,这说明声屏障对近轨的降噪效果好于远轨。 同时从表3还可以看出,对于在靠近测量点的轨道上运行的列车噪声,在高于桥面的5楼窗外测量值为86.3dBA,而在3楼窗外却达到89.2dBA,测量数据显示在此测点处,声屏障对5楼窗的降噪效果好于3楼,这显然与声屏障在低处的降噪效果好于高处的理论不一致,造成这种不一致的原因在于:高架轨道交通噪声主要由轮轨噪声和桥梁振动二次辐射噪声两部分组成,而声屏障只能降低轮轨噪声,而对桥梁振动二次辐射噪声并无作用。由于3楼测点距桥梁更近,受桥梁振动二次辐射噪声的影响大于5楼,由此造成声屏障在3楼处的降噪效果差于5楼。 由此可以推断,城市轨道交通噪声在桥面以上部分,轮轨噪声是最主要的噪声源,而在桥面以下部分,桥梁振动二次辐射噪声的贡献则不可忽视,由于它的影响隔声屏的降噪效果而大幅度下降了。3 隔声屏降噪效果模型试验研究 隔声屏在实际轨道线路上进行试验,其结果不仅直观,而且可靠,但1∶1的屏障试件制作和实际车辆运行费用的投资较大,很难进行多种形式的隔声屏降噪效果比较试验。经多次研讨和比较,最后选择森林公园游览小火车线路作为试验路轨,其火车外尺寸、轨道宽度和实际轨道近似为1∶2,所以隔声屏试验采用1∶2缩比模型试验。根据试验结果,利用声学相似律推测实际隔声屏的降噪效果。3.1 隔声屏模型试验研究的理论基础 声学缩比模型试验是建立在声学相似性法则基础上的,即当ka相同时,表现出相同的声学规律。其中:k=f/ck为声波数、f为声波频率、c为声波速度、a为环境的几何尺寸。 根据k0a0=k1a1的要求,结合城市轨道交通实际寸尺与森林公园小火车的尺寸基本为2∶1的实际情况,本次试验采用2∶1缩比试验,即所有的试验模型及环境参数均按2∶1缩比制作及布置。即时模型试验在频率为f、几何尺寸为a处的降噪效果,相当于实际环境中在频率为f/2、几何尺寸为2×a处的降噪效果。3.2 隔声屏模型试验 隔声屏模型试验共进行了设置T型隔声屏、直立式隔声屏,倒L式隔声屏、大型折板式隔声屏等二十余种隔声屏降噪效果模型试验,根据试验结果,城市轨道交通采用不同类型的隔声屏的降噪效果详见表4。4 武汉市轨道交通隔声屏设计 由于武汉市轨道交通全线噪声敏感点均较为集中,并且设计阶段列车噪声指标尚不明确,为了能在轨道交通运营后,既能当列车噪声较高时能设置降噪效果较好的大型折板式隔声屏,又能防止因噪声防治措施过当,而造成的不必要的浪费,本次隔声屏设计采取了如下工程措施: (1)按照要求选择低噪声车辆,噪声控制工程车辆噪声设防值为:在距轨道中心线7.5m处为90dBA; (2)对环境敏感点相对集中的区段初期设置双侧或单侧大型折板式隔声屏,对环境敏感点比较集中的区段初期设置直立式隔声屏,其余区段结合电缆支架设置高度为1.7m的倒L式隔声屏,并预留设置大型折板式隔声屏条件; (3)全线未设置大型折板式隔声屏、且为直线的区段,线路中间设置高度为1.6m的T型隔声屏; (4)运营后,根据噪声环境影响情况,确定何时安装预留部分的隔声屏; (5)环境敏感点相对集中的区段采取了设置减振道床及无缝线路等工程措施。5 武汉市轨道交通隔声屏实际效果测量分析 武汉市轨道交通隔声屏于2003年底完成并投入运营,全线共设置倒L式8011延米、直立式隔声屏1624延米、双侧或单侧大型折板式隔声屏1392延米、T型隔声屏5048延米,工程总投资约4千万元,不同形式隔声屏见下面照片。 为了考察武汉市轨道交通一号线一期工程的噪声控制工程的降噪效果,对武汉市轨道交通列车运行噪声进行了实际测量,测量包括综合降噪效果测量及大型折板式隔声屏插入损失测量。5.1 综合降噪效果测量结果分析 在设置了大型折板式隔声屏的轻轨高架桥旁的市二中教工宿舍的1、3、5楼设置噪声测量点,测量布点见图2。 在测量现场发现,轻轨列车的噪声小于道路上公交车的噪声,无法直接测量出轻轨运行噪声的等效声级,为了排除背景噪声的干扰,决定在各测量点同时测量列车通过时的瞬时噪声,再根据轻轨的车流量、车速及列车通过时间计算出各测点的等效声级。根据市二中教工宿舍处轻轨列车运行瞬时噪声的测量结果,结合武汉轨道交通的车长、车速、车流及运行时间,测量的瞬时声级及计算出的轻轨运行噪声等效声级见表5。5.2大型折板式隔声屏插入损失测量结果分析 在设置及不设置大型折板式隔声屏的轻轨高架桥旁的银河小区的5楼设置噪声测量点,同时测量列车通过时的瞬时噪声,得出在设置及不设置大型折板式隔声屏时列车运行瞬时噪声的差值,由此得出大型折板式隔声屏插入损失,测量布点见图3。 根据银河小区处轻轨列车运行瞬时噪声的测量结果,结合轨道交通的车长、车速、车流及运行时间,测量的瞬时声级及计算出银河小区的轻轨运行噪声等效声级见表6。5.3 轻轨降噪效果测量分析结论 根据轻轨运行噪声测量及分析,可得出如下结论: (1)在设置了大型折板式隔声屏的区段,轻轨交通列车运行产生的环境噪声昼夜均可达到国家规定的环境标准; (2)大型折板式隔声屏的实际插入损失为12.3dBA,与研究报告的预测结果完全符合。 (3)采取了本次研究提出的降噪措施,沿线有10余所学校、两家大型医院,以及数个受噪声影响较为严重的居民集中区昼间基本达标、夜间也接近环境标准;其它区段由于噪声环境影响下降了2-8dBA,轨道交通噪声对环境影响的程度已经大为缓解。而这些噪声控制工程措施的投资约为4000多万元,其环境效益是非常显著的。6 其它问题说明 城市高架轨道交通噪声由两大部分组成,轮轨噪声及列车运行引起的桥梁振动二次辐射噪声,隔声屏只能降低轮轨噪声发生作用,而对桥梁振动二次辐射噪声不起作用,对于列车运行引起的桥梁振动二次辐射噪声,本次设计在环境敏感点相对集中的区段采取了设置减振道床及无缝线路等工程措施。参考文献[1]武汉市轨道交通噪声控制工程研究-研究报告》.铁道第四勘察设计院技术文件,2001年[2]赵松龄.噪声的降低与隔离.同济大学出版社
天津地铁以及上海明珠线的噪声频谱特性见图1。 根据CJ/T5021~1995《轻轨交通车辆通用技术条件》中的规定,车辆以70km/h速度运行时,距轨道中心线7.5m处,车辆噪声不得超过82dBA。但从上述资料可以看出,车辆以70km/h速度运行时,距离轨道中心线7.5m处,车辆噪声均超过或接近90dBA,峰值出现在500HZ~600HZ处,63~4000HZ频谱范围内声级均超过75dBA,所以武汉市城市轨道交通噪声控制工程的设防值选择为90dBA。2.2 城市轨道交通噪声环境影响测量分析 为了分析武汉市城市轨道交通噪声环境影响的范围和程度,对既有的城市高架轨道交通线进行了噪声测量,测量区段的桥高约8~10m,距桥梁中心线为20m处,列车运行噪声瞬时值测量结果见表2。 从表2可以看出,城市高架轨道交通的噪声随高度的变化明显变化,在6层以下及16层以上相对于中间楼层小,呈明显的蝶形分布。在距桥梁中心线为20m的建筑处,列车运行噪声的瞬时值基本都超过90dBA,8-12层甚至超过95dBA,预计随着车速的提高环境噪声会进一步提高。2.3 轮轨噪声与桥梁振动二次辐射噪声测量分析 测量点距桥梁中心线为10m处,列车运行噪声瞬时值测量结果见表3,在测点与轨道之间设置了约4m高直立式隔声屏。 从表3看出,列车在远轨离测量点的轨道上运行时的噪声超过90dBA,但在靠近测量点的轨道上运行时的噪声却小于90dBA,这说明声屏障对近轨的降噪效果好于远轨。 同时从表3还可以看出,对于在靠近测量点的轨道上运行的列车噪声,在高于桥面的5楼窗外测量值为86.3dBA,而在3楼窗外却达到89.2dBA,测量数据显示在此测点处,声屏障对5楼窗的降噪效果好于3楼,这显然与声屏障在低处的降噪效果好于高处的理论不一致,造成这种不一致的原因在于:高架轨道交通噪声主要由轮轨噪声和桥梁振动二次辐射噪声两部分组成,而声屏障只能降低轮轨噪声,而对桥梁振动二次辐射噪声并无作用。由于3楼测点距桥梁更近,受桥梁振动二次辐射噪声的影响大于5楼,由此造成声屏障在3楼处的降噪效果差于5楼。 由此可以推断,城市轨道交通噪声在桥面以上部分,轮轨噪声是最主要的噪声源,而在桥面以下部分,桥梁振动二次辐射噪声的贡献则不可忽视,由于它的影响隔声屏的降噪效果而大幅度下降了。3 隔声屏降噪效果模型试验研究 隔声屏在实际轨道线路上进行试验,其结果不仅直观,而且可靠,但1∶1的屏障试件制作和实际车辆运行费用的投资较大,很难进行多种形式的隔声屏降噪效果比较试验。经多次研讨和比较,最后选择森林公园游览小火车线路作为试验路轨,其火车外尺寸、轨道宽度和实际轨道近似为1∶2,所以隔声屏试验采用1∶2缩比模型试验。根据试验结果,利用声学相似律推测实际隔声屏的降噪效果。3.1 隔声屏模型试验研究的理论基础 声学缩比模型试验是建立在声学相似性法则基础上的,即当ka相同时,表现出相同的声学规律。其中:k=f/ck为声波数、f为声波频率、c为声波速度、a为环境的几何尺寸。 根据k0a0=k1a1的要求,结合城市轨道交通实际寸尺与森林公园小火车的尺寸基本为2∶1的实际情况,本次试验采用2∶1缩比试验,即所有的试验模型及环境参数均按2∶1缩比制作及布置。即时模型试验在频率为f、几何尺寸为a处的降噪效果,相当于实际环境中在频率为f/2、几何尺寸为2×a处的降噪效果。3.2 隔声屏模型试验 隔声屏模型试验共进行了设置T型隔声屏、直立式隔声屏,倒L式隔声屏、大型折板式隔声屏等二十余种隔声屏降噪效果模型试验,根据试验结果,城市轨道交通采用不同类型的隔声屏的降噪效果详见表4。4 武汉市轨道交通隔声屏设计 由于武汉市轨道交通全线噪声敏感点均较为集中,并且设计阶段列车噪声指标尚不明确,为了能在轨道交通运营后,既能当列车噪声较高时能设置降噪效果较好的大型折板式隔声屏,又能防止因噪声防治措施过当,而造成的不必要的浪费,本次隔声屏设计采取了如下工程措施: (1)按照要求选择低噪声车辆,噪声控制工程车辆噪声设防值为:在距轨道中心线7.5m处为90dBA; (2)对环境敏感点相对集中的区段初期设置双侧或单侧大型折板式隔声屏,对环境敏感点比较集中的区段初期设置直立式隔声屏,其余区段结合电缆支架设置高度为1.7m的倒L式隔声屏,并预留设置大型折板式隔声屏条件; (3)全线未设置大型折板式隔声屏、且为直线的区段,线路中间设置高度为1.6m的T型隔声屏; (4)运营后,根据噪声环境影响情况,确定何时安装预留部分的隔声屏; (5)环境敏感点相对集中的区段采取了设置减振道床及无缝线路等工程措施。5 武汉市轨道交通隔声屏实际效果测量分析 武汉市轨道交通隔声屏于2003年底完成并投入运营,全线共设置倒L式8011延米、直立式隔声屏1624延米、双侧或单侧大型折板式隔声屏1392延米、T型隔声屏5048延米,工程总投资约4千万元,不同形式隔声屏见下面照片。 为了考察武汉市轨道交通一号线一期工程的噪声控制工程的降噪效果,对武汉市轨道交通列车运行噪声进行了实际测量,测量包括综合降噪效果测量及大型折板式隔声屏插入损失测量。5.1 综合降噪效果测量结果分析 在设置了大型折板式隔声屏的轻轨高架桥旁的市二中教工宿舍的1、3、5楼设置噪声测量点,测量布点见图2。 在测量现场发现,轻轨列车的噪声小于道路上公交车的噪声,无法直接测量出轻轨运行噪声的等效声级,为了排除背景噪声的干扰,决定在各测量点同时测量列车通过时的瞬时噪声,再根据轻轨的车流量、车速及列车通过时间计算出各测点的等效声级。根据市二中教工宿舍处轻轨列车运行瞬时噪声的测量结果,结合武汉轨道交通的车长、车速、车流及运行时间,测量的瞬时声级及计算出的轻轨运行噪声等效声级见表5。5.2大型折板式隔声屏插入损失测量结果分析 在设置及不设置大型折板式隔声屏的轻轨高架桥旁的银河小区的5楼设置噪声测量点,同时测量列车通过时的瞬时噪声,得出在设置及不设置大型折板式隔声屏时列车运行瞬时噪声的差值,由此得出大型折板式隔声屏插入损失,测量布点见图3。 根据银河小区处轻轨列车运行瞬时噪声的测量结果,结合轨道交通的车长、车速、车流及运行时间,测量的瞬时声级及计算出银河小区的轻轨运行噪声等效声级见表6。5.3 轻轨降噪效果测量分析结论 根据轻轨运行噪声测量及分析,可得出如下结论: (1)在设置了大型折板式隔声屏的区段,轻轨交通列车运行产生的环境噪声昼夜均可达到国家规定的环境标准; (2)大型折板式隔声屏的实际插入损失为12.3dBA,与研究报告的预测结果完全符合。 (3)采取了本次研究提出的降噪措施,沿线有10余所学校、两家大型医院,以及数个受噪声影响较为严重的居民集中区昼间基本达标、夜间也接近环境标准;其它区段由于噪声环境影响下降了2-8dBA,轨道交通噪声对环境影响的程度已经大为缓解。而这些噪声控制工程措施的投资约为4000多万元,其环境效益是非常显著的。6 其它问题说明 城市高架轨道交通噪声由两大部分组成,轮轨噪声及列车运行引起的桥梁振动二次辐射噪声,隔声屏只能降低轮轨噪声发生作用,而对桥梁振动二次辐射噪声不起作用,对于列车运行引起的桥梁振动二次辐射噪声,本次设计在环境敏感点相对集中的区段采取了设置减振道床及无缝线路等工程措施。参考文献[1]武汉市轨道交通噪声控制工程研究-研究报告》.铁道第四勘察设计院技术文件,2001年[2]赵松龄.噪声的降低与隔离.同济大学出版社
