武漢市軌道交通隔聲屏研究設(shè)計(jì)及應(yīng)用
摘 要:以既有城市軌道交通噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及森林小火車隔聲屏試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用聲學(xué)相似律,分析了城市軌道交通噪聲源特性及不同類型隔聲屏降噪效果,并將研究成果運(yùn)用于武漢市軌道交通一號(hào)線一期工程的噪聲控制工程設(shè)計(jì),實(shí)際測(cè)量表明,試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)果基本吻合,設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞:軌道交通 隔聲屏 研究 設(shè)計(jì)
1 概述
武漢市軌道交通一號(hào)線一期工程從宗關(guān)至黃浦路,全長(zhǎng)10余公里,采用全高架橋梁形式貫穿武漢市鬧市區(qū),沿線環(huán)境敏感點(diǎn)眾多。軌道交通運(yùn)營(yíng)后,不可避免地對(duì)沿線環(huán)境造成不同程度的影響,沿線高層建筑的部分樓層大多數(shù)將超標(biāo),噪聲控制設(shè)計(jì)是武漢市軌道交通工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
為配合武漢市軌道交通工程設(shè)計(jì),鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院對(duì)本工程列了專題科研項(xiàng)目,研究項(xiàng)目以既有城市軌道交通噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及森林小火車隔聲屏試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),并利用聲學(xué)相似律,研究了武漢市軌道交通列車噪聲源特性及噪聲控制設(shè)防值、軌道交通噪聲環(huán)境影響范圍及程度研究、不同類型隔聲屏的降噪效果試驗(yàn)、提出了武漢市軌道交通噪聲控制工程設(shè)計(jì)方案,并成功地運(yùn)用于武漢市軌道交通的隔聲屏設(shè)計(jì)。
2 城市軌道交通噪聲源特性及環(huán)境影響測(cè)量分析
2.1 城市軌道噪聲源特性
不同車輛在國(guó)內(nèi)既有軌道交通上運(yùn)行的噪聲源特性測(cè)量結(jié)果見表1。
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天津地鐵以及上海明珠線的噪聲頻譜特性見圖1。
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根據(jù)CJ/T5021~1995《輕軌交通車輛通用技術(shù)條件》中的規(guī)定,車輛以70km/h速度運(yùn)行時(shí),距軌道中心線7.5m處,車輛噪聲不得超過82dBA。但從上述資料可以看出,車輛以70km/h速度運(yùn)行時(shí),距離軌道中心線7.5m處,車輛噪聲均超過或接近90dBA,峰值出現(xiàn)在500HZ~600HZ處,63~4000HZ頻譜范圍內(nèi)聲級(jí)均超過75dBA,所以武漢市城市軌道交通噪聲控制工程的設(shè)防值選擇為90dBA。
2.2 城市軌道交通噪聲環(huán)境影響測(cè)量分析
為了分析武漢市城市軌道交通噪聲環(huán)境影響的范圍和程度,對(duì)既有的城市高架軌道交通線進(jìn)行了噪聲測(cè)量,測(cè)量區(qū)段的橋高約8~10m,距橋梁中心線為20m處,列車運(yùn)行噪聲瞬時(shí)值測(cè)量結(jié)果見表2。
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從表2可以看出,城市高架軌道交通的噪聲隨高度的變化明顯變化,在6層以下及16層以上相對(duì)于中間樓層小,呈明顯的蝶形分布。在距橋梁中心線為20m的建筑處,列車運(yùn)行噪聲的瞬時(shí)值基本都超過90dBA,8-12層甚至超過95dBA,預(yù)計(jì)隨著車速的提高環(huán)境噪聲會(huì)進(jìn)一步提高。
2.3 輪軌噪聲與橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲測(cè)量分析
測(cè)量點(diǎn)距橋梁中心線為10m處,列車運(yùn)行噪聲瞬時(shí)值測(cè)量結(jié)果見表3,在測(cè)點(diǎn)與軌道之間設(shè)置了約4m高直立式隔聲屏。
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從表3看出,列車在遠(yuǎn)軌離測(cè)量點(diǎn)的軌道上運(yùn)行時(shí)的噪聲超過90dBA,但在靠近測(cè)量點(diǎn)的軌道上運(yùn)行時(shí)的噪聲卻小于90dBA,這說明聲屏障對(duì)近軌的降噪效果好于遠(yuǎn)軌。
同時(shí)從表3還可以看出,對(duì)于在靠近測(cè)量點(diǎn)的軌道上運(yùn)行的列車噪聲,在高于橋面的5樓窗外測(cè)量值為86.3dBA,而在3樓窗外卻達(dá)到89.2dBA,測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在此測(cè)點(diǎn)處,聲屏障對(duì)5樓窗的降噪效果好于3樓,這顯然與聲屏障在低處的降噪效果好于高處的理論不一致,造成這種不一致的原因在于:高架軌道交通噪聲主要由輪軌噪聲和橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲兩部分組成,而聲屏障只能降低輪軌噪聲,而對(duì)橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲并無作用。由于3樓測(cè)點(diǎn)距橋梁更近,受橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲的影響大于5樓,由此造成聲屏障在3樓處的降噪效果差于5樓。
由此可以推斷,城市軌道交通噪聲在橋面以上部分,輪軌噪聲是最主要的噪聲源,而在橋面以下部分,橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲的貢獻(xiàn)則不可忽視,由于它的影響隔聲屏的降噪效果而大幅度下降了。
3 隔聲屏降噪效果模型試驗(yàn)研究
隔聲屏在實(shí)際軌道線路上進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果不僅直觀,而且可靠,但1∶1的屏障試件制作和實(shí)際車輛運(yùn)行費(fèi)用的投資較大,很難進(jìn)行多種形式的隔聲屏降噪效果比較試驗(yàn)。經(jīng)多次研討和比較,最后選擇森林公園游覽小火車線路作為試驗(yàn)路軌,其火車外尺寸、軌道寬度和實(shí)際軌道近似為1∶2,所以隔聲屏試驗(yàn)采用1∶2縮比模型試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,利用聲學(xué)相似律推測(cè)實(shí)際隔聲屏的降噪效果。
3.1 隔聲屏模型試驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)
聲學(xué)縮比模型試驗(yàn)是建立在聲學(xué)相似性法則基礎(chǔ)上的,即當(dāng)ka相同時(shí),表現(xiàn)出相同的聲學(xué)規(guī)律。其中:k=f/ck為聲波數(shù)、f為聲波頻率、c為聲波速度、a為環(huán)境的幾何尺寸。
根據(jù)k0a0=k1a1的要求,結(jié)合城市軌道交通實(shí)際寸尺與森林公園小火車的尺寸基本為2∶1的實(shí)際情況,本次試驗(yàn)采用2∶1縮比試驗(yàn),即所有的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图碍h(huán)境參數(shù)均按2∶1縮比制作及布置。即時(shí)模型試驗(yàn)在頻率為f、幾何尺寸為a處的降噪效果,相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境中在頻率為f/2、幾何尺寸為2×a處的降噪效果。
3.2 隔聲屏模型試驗(yàn)
隔聲屏模型試驗(yàn)共進(jìn)行了設(shè)置T型隔聲屏、直立式隔聲屏,倒L式隔聲屏、大型折板式隔聲屏等二十余種隔聲屏降噪效果模型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,城市軌道交通采用不同類型的隔聲屏的降噪效果詳見表4。
4 武漢市軌道交通隔聲屏設(shè)計(jì)
由于武漢市軌道交通全線噪聲敏感點(diǎn)均較為集中,并且設(shè)計(jì)階段列車噪聲指標(biāo)尚不明確,為了能在軌道交通運(yùn)營(yíng)后,既能當(dāng)列車噪聲較高時(shí)能設(shè)置降噪效果較好的大型折板式隔聲屏,又能防止因噪聲防治措施過當(dāng),而造成的不必要的浪費(fèi),本次隔聲屏設(shè)計(jì)采取了如下工程措施:
(1)按照要求選擇低噪聲車輛,噪聲控制工程車輛噪聲設(shè)防值為:在距軌道中心線7.5m處為90dBA;
(2)對(duì)環(huán)境敏感點(diǎn)相對(duì)集中的區(qū)段初期設(shè)置雙側(cè)或單側(cè)大型折板式隔聲屏,對(duì)環(huán)境敏感點(diǎn)比較集中的區(qū)段初期設(shè)置直立式隔聲屏,其余區(qū)段結(jié)合電纜支架設(shè)置高度為1.7m的倒L式隔聲屏,并預(yù)留設(shè)置大型折板式隔聲屏條件;
(3)全線未設(shè)置大型折板式隔聲屏、且為直線的區(qū)段,線路中間設(shè)置高度為1.6m的T型隔聲屏;
(4)運(yùn)營(yíng)后,根據(jù)噪聲環(huán)境影響情況,確定何時(shí)安裝預(yù)留部分的隔聲屏;
(5)環(huán)境敏感點(diǎn)相對(duì)集中的區(qū)段采取了設(shè)置減振道床及無縫線路等工程措施。
5 武漢市軌道交通隔聲屏實(shí)際效果測(cè)量分析
武漢市軌道交通隔聲屏于2003年底完成并投入運(yùn)營(yíng),全線共設(shè)置倒L式8011延米、直立式隔聲屏1624延米、雙側(cè)或單側(cè)大型折板式隔聲屏1392延米、T型隔聲屏5048延米,工程總投資約4千萬元,不同形式隔聲屏見下面照片。
為了考察武漢市軌道交通一號(hào)線一期工程的噪聲控制工程的降噪效果,對(duì)武漢市軌道交通列車運(yùn)行噪聲進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量,測(cè)量包括綜合降噪效果測(cè)量及大型折板式隔聲屏插入損失測(cè)量。
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5.1 綜合降噪效果測(cè)量結(jié)果分析
在設(shè)置了大型折板式隔聲屏的輕軌高架橋旁的市二中教工宿舍的1、3、5樓設(shè)置噪聲測(cè)量點(diǎn),測(cè)量布點(diǎn)見圖2。
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在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),輕軌列車的噪聲小于道路上公交車的噪聲,無法直接測(cè)量出輕軌運(yùn)行噪聲的等效聲級(jí),為了排除背景噪聲的干擾,決定在各測(cè)量點(diǎn)同時(shí)測(cè)量列車通過時(shí)的瞬時(shí)噪聲,再根據(jù)輕軌的車流量、車速及列車通過時(shí)間計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的等效聲級(jí)。根據(jù)市二中教工宿舍處輕軌列車運(yùn)行瞬時(shí)噪聲的測(cè)量結(jié)果,結(jié)合武漢軌道交通的車長(zhǎng)、車速、車流及運(yùn)行時(shí)間,測(cè)量的瞬時(shí)聲級(jí)及計(jì)算出的輕軌運(yùn)行噪聲等效聲級(jí)見表5。
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5.2 大型折板式隔聲屏插入損失測(cè)量結(jié)果分析
在設(shè)置及不設(shè)置大型折板式隔聲屏的輕軌高架橋旁的銀河小區(qū)的5樓設(shè)置噪聲測(cè)量點(diǎn),同時(shí)測(cè)量列車通過時(shí)的瞬時(shí)噪聲,得出在設(shè)置及不設(shè)置大型折板式隔聲屏?xí)r列車運(yùn)行瞬時(shí)噪聲的差值,由此得出大型折板式隔聲屏插入損失,測(cè)量布點(diǎn)見圖3。
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根據(jù)銀河小區(qū)處輕軌列車運(yùn)行瞬時(shí)噪聲的測(cè)量結(jié)果,結(jié)合軌道交通的車長(zhǎng)、車速、車流及運(yùn)行時(shí)間,測(cè)量的瞬時(shí)聲級(jí)及計(jì)算出銀河小區(qū)的輕軌運(yùn)行噪聲等效聲級(jí)見表6。
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5.3 輕軌降噪效果測(cè)量分析結(jié)論
根據(jù)輕軌運(yùn)行噪聲測(cè)量及分析,可得出如下結(jié)論:
(1)在設(shè)置了大型折板式隔聲屏的區(qū)段,輕軌交通列車運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境噪聲晝夜均可達(dá)到國(guó)家規(guī)定的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn);
(2)大型折板式隔聲屏的實(shí)際插入損失為12.3dBA,與研究報(bào)告的預(yù)測(cè)結(jié)果完全符合。
(3)采取了本次研究提出的降噪措施,沿線有10余所學(xué)校、兩家大型醫(yī)院,以及數(shù)個(gè)受噪聲影響較為嚴(yán)重的居民集中區(qū)晝間基本達(dá)標(biāo)、夜間也接近環(huán)境標(biāo)準(zhǔn);其它區(qū)段由于噪聲環(huán)境影響下降了2-8dBA,軌道交通噪聲對(duì)環(huán)境影響的程度已經(jīng)大為緩解。而這些噪聲控制工程措施的投資約為4000多萬元,其環(huán)境效益是非常顯著的。
6 其它問題說明
城市高架軌道交通噪聲由兩大部分組成,輪軌噪聲及列車運(yùn)行引起的橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲,隔聲屏只能降低輪軌噪聲發(fā)生作用,而對(duì)橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲不起作用,對(duì)于列車運(yùn)行引起的橋梁振動(dòng)二次輻射噪聲,本次設(shè)計(jì)在環(huán)境敏感點(diǎn)相對(duì)集中的區(qū)段采取了設(shè)置減振道床及無縫線路等工程措施。
參考文獻(xiàn)
[1]《武漢市軌道交通噪聲控制工程研究-研究報(bào)告》.鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院技術(shù)文件,2001年
[2]趙松齡.噪聲的降低與隔離.同濟(jì)大學(xué)出版社
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