城市軌道交通的振動(dòng)和噪聲對(duì)環(huán)境的影響及其對(duì)策

　　摘　要　分析了通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的上海軌道交通振動(dòng)與噪聲的影響程度,以及不同軌道結(jié)構(gòu)與橋梁及聲屏障的減振降噪效果。從車輛、橋梁結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)與管理、聲屏障等方面,提出了城市軌道交通減振降噪的綜合技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞　城市軌道交通,環(huán)境影響,振動(dòng),噪聲控制
軌道交通由于輪軌接觸、車輛設(shè)備(受電弓、電機(jī)、空調(diào)等) 等產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。隨著人們生活水平的提高,對(duì)環(huán)境要求也越來越高。城市軌道交通要走可持續(xù)發(fā)展的道路,在解決好交通的同時(shí)也要確保良好的生活環(huán)境。本文通過對(duì)上海既有軌道交通線路的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試,收集了國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料,分析其對(duì)環(huán)境的影響程度,提出了車輛、橋梁、軌道結(jié)構(gòu)、聲屏障及軌道管理等方面的減振降噪措施。
1 　軌道交通的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果及分析
1. 1 　振動(dòng)的產(chǎn)生與傳播機(jī)理
城市軌道交通在運(yùn)營(yíng)過程中,列車車輪與鋼軌之間產(chǎn)生撞擊振動(dòng),經(jīng)過軌枕、道床,傳遞至隧道或橋梁基礎(chǔ),再傳遞給地面,從而對(duì)周圍區(qū)域產(chǎn)生振動(dòng),并進(jìn)一步傳播到周圍建筑物。這種振動(dòng)干擾不僅對(duì)地鐵沿線民宅、學(xué)校、醫(yī)院等環(huán)境產(chǎn)生不良影響,而且可能對(duì)沿線基礎(chǔ)較差的建筑物造成損害。
振動(dòng)波在土介質(zhì)中的傳遞過程,其作用機(jī)理及傳播特性與地震基本相同。這些振動(dòng)波遇到自由界面時(shí),在一定條件下重新組合,形成一種彈性表面波,隨著離振源距離的不同,它們之間的能量也在改變,同時(shí)傳播速度、衰減率也為距離的函數(shù)。根據(jù)振動(dòng)傳播理論,振動(dòng)從地面進(jìn)入建筑物,不同結(jié)構(gòu)建筑物其振動(dòng)衰減也不同。
1. 2 　振動(dòng)測(cè)試結(jié)果
表1 上海地鐵1 號(hào)線的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。
1. 3 　測(cè)試結(jié)果分析
結(jié)合振動(dòng)的產(chǎn)生和傳播機(jī)理來分析上述振動(dòng)測(cè)試結(jié)果,可以看出:
(1) 上海軟粘土埋深10 m 左右地下線路中心處最大振級(jí)在75～80 dB

表1 　北京地鐵沿線地面建筑物的振動(dòng)測(cè)試資料[ 1 ]

(2) 矩形隧道結(jié)構(gòu)DT Ⅲ 扣件道床振動(dòng)加速度水平(94. 96 dB) 遠(yuǎn)小于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)DT Ⅲ 扣件道床振動(dòng)加速度水平(105. 11 dB)
(3) 扣件類型對(duì)地面建筑物振動(dòng)影響明顯,減振型鋼軌扣件的減振效果比較明顯。
(4) 建筑物的振級(jí)(地面垂向Z 振級(jí)( VLZ) ) 大小與建筑的基礎(chǔ)類型、構(gòu)造型式及其與地鐵線路的距離有密切關(guān)系。基礎(chǔ)較差的磚木結(jié)構(gòu)或輕質(zhì)結(jié)構(gòu),其振級(jí)與土壤接近,振動(dòng)衰減小。

將上述測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照可以看出:在上海飽和軟土地層中,對(duì)于一般埋深(10 m 左右) 的地下線,其中心線處地表振動(dòng)超標(biāo)5～10 dB ; 當(dāng)線路埋深超過30 m 時(shí),混凝土基礎(chǔ)的建筑物的振動(dòng)大大降低。
2 　軌道交通的噪聲測(cè)試結(jié)果及分析
2. 1 　噪聲的產(chǎn)生與傳播機(jī)理
軌道交通噪聲主要來源于高架線路列車運(yùn)行時(shí)輪軌的接觸噪聲、車輛非動(dòng)力系統(tǒng)噪聲(車輛的空壓機(jī)、空調(diào)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等),以及橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動(dòng)引起的輻射噪聲、小半徑曲線路段上車輛輪緣與鋼軌間的摩擦聲。噪聲的大小與車輛型式、曲線半徑、橋梁與軌道結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。
2. 2 　噪聲測(cè)試結(jié)果
在測(cè)試高架線路噪聲時(shí),橋面以上部分的噪聲峰值大于橋面以下的噪聲峰值。當(dāng)列車以60～80 km/ h 速度行駛在高架線路上時(shí),其噪聲連續(xù)等效聲級(jí)可達(dá)85～90 dB(A) ( 單列車通過) 。其噪聲特點(diǎn)是聲級(jí)高,作用時(shí)間長(zhǎng),且以中低頻為主。
2. 3 　測(cè)試結(jié)果分析
結(jié)合噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)理分析上述噪聲測(cè)試結(jié)果,可以看出:
(1) 高架線箱梁下的噪聲峰值為80 ～ 85 dB (A) ;
(2) 高架線路的噪聲峰值一般超標(biāo)量為10～ 15 dB(A) ;
(3) 隨著建筑物距線路中心距離的增大,噪聲峰值也有所衰減。建筑物距離線路中心30 m 處, 噪聲可衰減5 dB (A) 左右。箱梁下的噪聲高達(dá)80 dB (A) 以上,說明鋼軌扣件和軌下基礎(chǔ)減振效果差,輪軌動(dòng)力作用直接傳遞到梁體,引起較大的二次噪聲。
3 　城市軌道交通振動(dòng)控制對(duì)策
城市軌道交通的振動(dòng)控制是一項(xiàng)綜合性工作, 它牽涉到車輛、軌道、橋梁與隧道的結(jié)構(gòu)型式、巖土特性、沿線建筑物結(jié)構(gòu)型式及建筑物距離線路的遠(yuǎn)近程度等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn),只有根據(jù)具體線路情況,采用綜合性減振措施,才能取得顯著效果。
3. 1 　車輛選型
軌道交通車輛的性能對(duì)振動(dòng)影響較大,應(yīng)選用動(dòng)力性能優(yōu)良的軌道車輛,盡量降低車體重量和軸重,減小輪軌動(dòng)力沖擊,采用先進(jìn)技術(shù)如徑向轉(zhuǎn)向架或直線電機(jī)車輛等。
3. 2 　橋隧結(jié)構(gòu)的選擇
為了降低振動(dòng)在沿線傳播,針對(duì)橋、隧結(jié)構(gòu)本身的減振措施,國(guó)外進(jìn)行過大量的研究與實(shí)踐,主要有: (1) 采用框架式防振隧道結(jié)構(gòu),質(zhì)量大、剛度大、整體性好的矩形隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)裝配式襯砌結(jié)構(gòu)其換算振動(dòng)加速度可降低8～15 dB 。(2) 暗挖工法施工隧道結(jié)構(gòu)在隧道襯砌內(nèi)側(cè)設(shè)置隔振層,避免軌道與隧道的直接接觸,降低振動(dòng)波的傳播。(3) 采用雙箱梁或多箱梁等。
3. 3 　軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制措施
城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有別于干線鐵路,其自身特點(diǎn)決定了軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則“ 少維修,高彈性,減振降噪”。國(guó)內(nèi)外大量研究表明,地鐵軌道結(jié)構(gòu)按其減振效果可分成三大類:第一類為一般扣件,其豎向剛度在20～60 kN/ mm 之間,有一定減振降噪效果; 第二類為柔性扣件,其豎向剛度在10～25 kN/ mm 之間,用于減振要求相對(duì)較高區(qū)域;第三類為特殊要求的減振軌道結(jié)構(gòu)(減振型軌下基礎(chǔ)),用于對(duì)減振降噪有特殊要求的地段。
(1) 柔性扣件
在地下段采用柔性扣件可降低地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)沿線建筑物的振動(dòng)影響。上海地鐵1 號(hào)線的測(cè)試結(jié)果表明:Lord 扣件以及地鐵軌道減振器的減振效果明顯優(yōu)于DT Ⅲ 型扣件。在減振要求較高地段,美國(guó)、新加坡、德國(guó)科隆、法國(guó)等均采用了減振型鋼軌扣件[ 2 ] 。
在高架線路采用柔性鋼軌扣件,減小了振動(dòng)向橋梁和沿線建筑物傳遞,同時(shí)降低了輪軌噪聲和梁體的二次噪聲。在國(guó)外,高架線路廣泛采用了減振型鋼軌扣件。日本高架線路測(cè)試結(jié)果表明,采用柔性鋼軌扣件,噪聲可降低3 dB (A) 。
(2) 減振型軌下基礎(chǔ)( 浮置板式軌道結(jié)構(gòu)及LVT 無碴軌道結(jié)構(gòu))
浮置板軌道結(jié)構(gòu)降低振動(dòng)水平20 dB 。在需要特殊減振的區(qū)間和綜合性多層車站等地段采用,如高架線路穿越整幢建筑物,地下線路經(jīng)過對(duì)防振要求非常高的區(qū)域如音樂廳等。
LVT 無碴軌道(彈性支承塊式),即在支承塊下加一層彈性橡膠套,軌道的垂向剛度約為10～30 kN/ mm ; 垂向彈性由軌下和塊下雙層彈性橡膠墊板提供,最大程度地模擬了彈性點(diǎn)支承傳統(tǒng)碎石道床結(jié)構(gòu)和受荷響應(yīng),并使軌道縱向彈性點(diǎn)支承剛度趨于一致。此外,在支承塊外設(shè)橡膠靴套提供了軌道的縱、橫向彈性變形,使這種無碴軌道在承載、動(dòng)力傳遞和振動(dòng)能量吸收諸方面更接近堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上的碎石道床軌道,從而使這種軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲減少到最低程度。LVT 無碴軌道結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)圖見文獻(xiàn)6 圖5) 被瑞士國(guó)營(yíng)鐵路首次采用。由于其特有的減振、降噪、減磨等優(yōu)越性能,后來被世界上許多國(guó)家所采用,如丹麥、英國(guó)、法國(guó)、葡萄牙等。當(dāng)線路穿越居民區(qū)及一些對(duì)振動(dòng)很敏感的單位( 如醫(yī)院、學(xué)校、居住區(qū)等) 時(shí)采用[ 4 ] 。
(3) 采用重型鋼軌、無縫線路
采用重型鋼軌可有效抑制鋼軌的垂向振動(dòng)。將50 kg/m 鋼軌改成60 kg/m 鋼軌后,鋼軌的垂向剛度增加, 可以把列車沖擊而產(chǎn)生的振動(dòng)降低10 % 。
采用無縫線路,即將標(biāo)準(zhǔn)軌焊接成長(zhǎng)鋼軌,減少鋼軌接頭數(shù)量,從而減少接頭處輪軌沖擊引起的振動(dòng)與噪聲。
(4) 加強(qiáng)軌道不平順管理
在列車運(yùn)行過程中,軌道不平順引起動(dòng)荷載明顯增大。動(dòng)荷載的變化加速了軌道狀態(tài)的惡化,導(dǎo)致輪軌之間振動(dòng)與噪聲增大。測(cè)試結(jié)果表明:鋼軌打磨后,在振動(dòng)頻率為8～100 Hz 范圍內(nèi),振動(dòng)水平下降4 ～ 8 dB , 站臺(tái)上的振動(dòng)水平下降5 ～ 15 dB[ 5 ] 。控制軌道不平順是降低輪軌之間振動(dòng)與噪聲的有效措施。為此應(yīng)加強(qiáng)軌道不平順管理,制定嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃,確保軌道處于平順狀態(tài),從而減少振動(dòng)與噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響。
4 　噪聲控制措施
城市軌道交通噪聲控制的對(duì)策除采用上述各項(xiàng)減振措施外,還需在噪聲源(輪軌動(dòng)力作用) 、噪聲傳播途徑的阻截(聲屏障設(shè)置) 及振動(dòng)噪聲敏感目標(biāo)的防護(hù)等方面采取有效措施,才能取得理想效果。
(1) 車輛的特殊設(shè)計(jì)
高架軌道交通車輛應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),如增加車輛裙板及車底設(shè)置吸聲結(jié)構(gòu)等。香港西鐵就采用這種形式的車輛。
(2) 打磨輪軌表面,使輪軌表面平滑化
輪軌噪聲是軌道交通噪聲的主要來源。由于噪聲和振動(dòng)在500～2 500 Hz 頻率范圍內(nèi)線性相關(guān),且鋼軌在此范圍內(nèi)是主要的輻射體,因此,有效抑制鋼軌振動(dòng)、減小鋼軌的振動(dòng)加速度和頻率是降噪的關(guān)鍵。輪軌系統(tǒng)激擾是引起輪軌相互動(dòng)力作用的根本因素,沒有激擾就不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊, 也不會(huì)輻射出噪聲。因此,必須嚴(yán)格控制輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)激擾源。早期一些研究表明,由于輪軌作用面的局部不平順(粗造度) 而產(chǎn)生振動(dòng),從而引起滾動(dòng)噪聲。鋼軌頂面的粗糙度是產(chǎn)生滾動(dòng)噪聲的主要聲源。
(3) 線路選線及高架結(jié)構(gòu)型式的選擇
在環(huán)境敏感地段,線路選線應(yīng)盡量避免采用小半徑曲線,以減小輪緣對(duì)鋼軌內(nèi)側(cè)的沖擊,降低輪軌接觸中的尖叫噪聲。同時(shí)還可結(jié)合巖土地質(zhì)特性,采用不同的線路型式。如德國(guó)柏林的一條地鐵在穿越高檔別墅區(qū)時(shí)就采用了穿越深路塹的方式來降低噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響。高架橋梁結(jié)構(gòu)采用槽型梁也可有利于降低噪聲。
(4) 采用彈性鋼軌
在振動(dòng)和噪聲敏感地段,可在軌腰兩側(cè)粘貼防振材料,即采用彈性鋼軌,增加振動(dòng)沿鋼軌的衰減率。當(dāng)裝上吸振材料后,鋼軌的聲功率可降低12 dB 。日本的高架鐵道采用了這種形式,測(cè)試結(jié)果表明,可降低噪聲3～5 dB(A) [ 7 ] 。
(5) 設(shè)置聲屏障聲屏障是降低軌道交通運(yùn)行噪聲的一種有效措施。在地面和高架城市軌道交通采用聲屏障可

參　考　文　獻(xiàn)
1 　王毅. 北京地下鐵道振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的調(diào)查與研究. 地鐵與輕軌,1992 ,21～24
2 　Esveld C. Railway -induced ground vibration. Rail Engng Intern , 1991 ,(2)
3 　Walker J G. Metros should be silent servants. Develop metros , 1992
4 　VADILLO E G. Subjective reaction to structurally radiated sound from underground railway : Field results.J Sound &Vibr , 1996 , 193 (1)
5 　Moehren H H. The dynamics of low vibration track. RT&S , 1991 , 87(9)
6 　焦金紅,張?zhí)K,耿傳智等. 軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪措施. 城市軌道交通研究,2002 , (1) :61～65
7 　戶源春彥. 防震橡膠及其應(yīng)用. 牟傳文譯. 北京:中國(guó)鐵道出版社,1982