城市轨道交通高架线噪声控制问题分析

高架线在城市轨道工程中的建设费用、工期以及运营维护等方面具有明显的优势,若能适当选用,则具有明显的经济和社会效益。由于高架线直接暴露于环境中,若振动和噪声控制不符合相关标准,势必会影响高架线的应用和推广。几十年来,有令人沮丧的失败,但也有成功的案例,美国约有30%的城市轨道交通是高架线,早期芝加哥和纽约等北美地区的城市轨道高架线桥梁以钢结构居多,由于噪声与振动的控制措施不到位,噪声很大,给人们留下了高架线的负面印象。20 世纪 60年代开始,北美和欧洲对此进行了大量研究。许多减振产品和理论及实验研究就是从降低线路振动和噪声开始的,世界上最安静的铁路———香港西铁线是高架线振动和噪声得到有效控制的成功案例[1]。

我国内地一些城市的高架线也由于振动和噪声问题引发了大量的争议和居民投诉。究其原因,除了与高架线本身振动与噪声的特点有关外,还与相关人员对振动与噪声规律认识不清,研究不深入有关。近年来,随着城市轨道交通的快速发展和环保意识的提高,人们开始重视高架线的振动与噪声问题研究[2-3]。

1 高架线振动与噪声的来源和特点

高架线上噪声的主要来源是车辆动力系统、轮轨系统以及结构系统,如图 1 所示,其中空气声主要由轮轨噪声产生。

车辆动力系统的噪声主要由牵引和辅助设备引起; 轮轨系统噪声是车轮和钢轨接触处产生轮轨力作用,引起其振动而向外辐射的噪声; 结构系统噪声是指由于轨道结构和桥梁结构振动引起的二次辐射噪声。

1. 1 桥梁结构辐射噪声

二次低频噪声是列车在高架结构上行驶时通过轮轨接触将振动传到轨道及基础结构,由桥面结构振动产生的。对混凝土桥梁的相关研究表明,混凝土高架线路系统比地面道床轨道上的噪声级高 5 ~ 10 db; 桥上线路比地面线的总噪声级高出约 20 db。这是因为高架桥段的声源位置较高,桥梁辐射噪声( 桥梁面积大,原理同扬声器) 的传播距离较行驶在地面时要远、影响面广,尤其是穿越城市人口稠密区,影响更大。

辐射噪声的大小与高架线的结构形式及材料有关。钢混桥的结构由于其造价低,在世界城市轨道线路上使用较多,但其噪声也比全混凝土桥的噪声大。一般混凝土桥的噪声频率达 500 hz,箱形梁产生的结构噪声以低于200 hz 的低频噪声为主,而钢桥的结构噪声要高达2 000 hz。伦敦码头区轻轨引起了附近居民的抱怨,研究表明,由于高架结构的尺寸比较大,低频段的噪声会有大量辐射,桥梁的低频( 尤其是63 hz 倍频程) 噪声很大,这一噪声属于低频的轰鸣噪声[4],等效 a 声级强调的是高频噪声,不能很好地评价高架线的低频噪声。低频段的噪声衰减较慢,而高频段的噪声衰减较快,距高架线较远处建筑物的房间内,桥梁辐射的低频噪声比高频噪声的传播对人的影响更大。桥梁结构相对大而复杂,在桥梁二次辐射噪声的频率范围,有很多复杂的振动模态。

桥梁噪声与频率的关联性很强,因此车速和轨道不平顺谱对于桥梁的低频噪声来说至关重要。根据激励频率等于车速除以不平顺波长的原理( f = v/λ) ,从几厘米的短波波磨到 1 m 左右的轨面不平顺都会激起桥梁的辐射噪声。由于枕上和轨枕之间的刚度不同,不可避免地使轨枕间距也在这一不平顺的范围内。目前使用的声屏障,是无法控制结构辐射噪声的。

1. 2 轮轨噪声

值得注意的是,桥梁结构辐射噪声仅仅是高架线噪声大的原因之一。目前,在列车行驶的速度范围内( 一般 50 ~80 km/h) ,轮轨噪声不仅在总声压级上的贡献最大,且作用的频段也是人耳较为敏感的范围。随着列车速度的增加,噪声由低频向高频转变,因此由车轮对轨道系统形成的激励频率随着列车行驶速度的增大也逐步增加,激励频率和列车的速度之间有着对应关系。

轨道结构若直接安装在桥梁上,其噪声比使用有砟和隔振轨道结构的高架桥的噪声更大。在无砟整体轨道上,钢轨直接扣压在与桥体连接的轨道上,由于振动延轨的衰减率比有砟轨道小,钢轨振动要高出 5 ~10 db,因此钢轨的辐射噪声也大。由于高架线上使用一些特殊的钢轨扣件,诱发了钢轨波磨等严重的不平顺病害[5],导致一些高架桥段钢轨辐射的噪声比地面线钢轨的噪声大得多。虽然有砟轨道的混凝土桥梁的噪声最小,但由于有砟道床在稳定性、维修及易于保持几何形位等方面存在不足,因此,无砟轨道仍是目前地铁高架线普遍使用的轨道结构形式,这就给高架线的减振降噪带来挑战。

2 振动与噪声控制的主要措施及问题分析

城市轨道高架线振动与噪声控制是一个非常复杂的问题,必要时应采取综合的振动与噪声控制措施来应对。新建城市轨道高架线在规划过程中,应充分考虑高架线的振动噪声与周边建筑和道路规划的关系,确定出合理的线路走向和友好的城市环境空间。车辆自身噪声也应严格控制,以规范限制车辆的排放噪声。声屏障虽控制不了桥梁结构的辐射噪声,却是控制车辆和轮轨噪声的有效方法,也应该注意声屏障的应用特点。

2. 1 轮轨不平顺的控制及轮轨摩擦管理

轮轨噪声的激励源是轮轨的不平顺。车轮的不圆顺、钢轨存在的短波不平顺或波磨、剥离和焊缝等不良病害会加剧轮轨系统的振动和噪声。钢轨波磨严重时,噪声级有明显的提升,在很远的距离就可以听到。有测试表明: 波磨在还看不见的初期,就会使噪声增加 6 db;当钢轨的波磨深度达0. 03 mm 时,噪声开始增大,根据波磨的程度,列车通过波磨钢轨时噪声可增加10 ~20 db。 钢轨打磨可消除钢轨表面的波磨,这是降低轮轨噪声最有效的方法。一般钢轨打磨可降低噪声达 10 ~12 db,如 果 按 照 欧 洲 的 钢 轨 声 学 打 磨 标 准( preniso3095) ,还可以进一步降低钢轨噪声 3 ~4 db。

钢轨声学打磨是基于精确测量的钢轨打磨,目的是保持轨面的平顺性,降低轮轨噪声。基于数字化的钢轨表面粗糙度测量是声学打磨的基础,并使钢轨的打磨痕迹沿行车方向呈线性分布,以此达到轮轨噪声最小化的目的。德国一些铁路部门建立了噪声敏感地段的打磨规划,6 个月记录一次噪声水平,如果噪声超过标准限制值的 3 db 就会进行钢轨的声学打磨。

此外,轮轨摩擦管理是一个系统性的轮轨摩擦控制方案,可通过有效控制轮轨摩擦实现最优的轮轨接触状态。轮轨全面摩擦管理包括车载和线路旁轨顶摩擦控制系统。这两类系统在轮轨界面的关键位置,精确喷涂一定数量的薄膜摩擦调节剂和润滑剂,可准确安全地实现车轮踏面、轨顶界面的摩擦控制和轮缘与轨距角接触面的润滑,轮轨全面摩擦管理可以使轮轨踏面噪降低约 10 db[6]。

2. 2 轨道结构优化问题

轨道结构是城市轨道高架线上影响振动与噪声的重要环节,其结构和参数影响轮轨振动与噪声,也影响轨道向桥梁结构传递的振动与辐射噪声。目前,城市高架线减振降噪措施集中在轨道结构上的较多,方法主要

有减振扣件、枕下减振和道床下减振。有些线路采用复合减振,如香港西铁线采用了轨下克隆蛋扣件加短橡胶浮置板结构,伦敦线高架桥上使用了弹性短轨枕加橡胶垫浮置板的轨道结构。由于桥梁结构的低阻抗特性,所有类型的轨道结构在桥上的减振性能不如在隧道内。从严格意义上讲,目前所说的减振轨道起的作用是隔振,即降低轨道结构传递到桥梁结构的振动,而在某些频段轨道结构或部件本身的振动却被放大了。

目前,国内大部分城市轨道线路都采用 60 kg/m 钢轨,且铺设无缝线路,个别地段还使用了钢轨动力吸振器。

人们通常会认为减小轨下刚度,即使用钢轨弹性扣件( 如减振器、先锋扣件等) 隔离桥梁和钢轨的振动,可以降低高架线辐射噪声,但实际上很多情况并不像人们想象的那么有效。高架线上的轨下减振是目前国际上争议比较多的问题。在一些使用高弹性扣件的地段出现轮轨振动噪声大以及钢轨波磨,反而使高架线的路边噪声更大了。北美地区城市快轨钢轨波磨最多的轨道结构形式是减振器,如旧金山湾区快轨铺设在巴尔波亚公园段的高弹性克隆蛋扣件,在频率大于25 ~ 35 hz 时,可以减少振动传递 5 ~ 8 db,但这个好的效果却因钢轨波磨蒙上阴影,这一地段列车速度是72 km / h,波磨波长为 38 ~ 50 mm,引起 400 ~ 500 hz 的振动和轮轨力加大[7]。在北京地铁 5 号线、伦敦地铁也曾出现过先锋扣件地段波磨引起轮轨噪声增大的问题[8]。最近欧洲在总结减振产品时,对先锋扣件的评价是: 隔振效果好,但缺点是轮轨振动噪声大。因此,国外一些研究也提出在高架线上应“慎用减振扣件”。

部分减振扣件使轮轨振动和噪声增大的原因是钢轨振动的纵向衰减率( decay rate) 较低。纵向衰减率控制着钢轨振动传播与辐射噪声的长度。比起路基上的有砟轨道,高架线上整体道床的钢轨振动纵向衰减率更小,尤其是在一些为了放散无缝线路应力而使用伸缩调节器和小阻力扣件的地段,轨下扣件阻尼小,使钢轨振动的纵向衰减率变得更小,如图 2 所示[10]。

除了轨下扣件阻尼外,轨下扣件刚度在桥梁上也是一个矛盾点。尽管使用轨下高弹扣件可在一定程度上降低桥梁的辐射噪声,但一些高弹性扣件降低了钢轨的共振频率,扩宽了钢轨的振动频率,钢轨和桥梁振动的耦合效果变差,因此钢轨振动和辐射噪声增大。图 3 中桥上整体道床轨道钢轨扣件刚度与钢轨振动的关系表明,扣件刚度越小,在人耳可听到的频段钢轨的振动传递函数越大,这就增加了钢轨的辐射噪声; 另一方面,轨下扣件刚度大,传递给轨枕及下部结构的振动大,导致下部轨枕、轨道或桥梁产生更大的结构辐射噪声,因此应根据具体情况设计轨下刚度,综合考虑钢轨和桥梁辐射噪声,使总体噪声最小化。

若采用轨下减振,为进一步降低总的噪声,应配合增加钢轨阻尼或声屏障。

增加钢轨阻尼可以减小振动沿钢轨纵向传递的衰减率,从而减小钢轨辐射噪声的长度。增加钢轨阻尼的方法有: 增加扣件系统轨下阻尼; 使用钢轨外部阻尼,如安装钢轨动力吸振器、约束阻尼层等。

桥上矮墙可以有效阻挡轮轨噪声,但矮墙的设计要综合考虑限界与供电系统和信号系统的位置冲突以及养护维修等问题。

如果采用枕下和道床板下的减振措施,轨道结构本身在某些频段的振动也会加大,进而造成轨道结构的二次辐射噪声增大,如果激励频率分布在上述频段,那么减振轨道起到的作用也会受到影响。

2. 3 桥梁结构优化问题

作为桥梁结构本身,影响其振动及二次辐射噪声的主要因素有上部轨道和桥梁结构( 材质、断面形状和阻尼材料) 。低频噪声传播较远,不易被较高的交通噪声掩蔽,影响附近的居民。

桥梁结构的改变会影响噪声辐射,尤其是低频噪声。桥梁结构所采用的断面形式以及同一断面不同部位的尺寸参数,都会改变桥梁结构的噪声辐射水平。此外,桥梁上的轨道结构形式对桥梁结构振动及其结构辐射噪声也有一定的影响。相同轨道结构形式在隧道基础和桥上的振动特性,因基础阻抗的不同,振动特性和隔振性能也有所差别。

从振动与噪声控制的角度,桥梁断面的优化设计可增加桥梁阻抗,降低其结构的二次辐射噪声。

3 香港西铁线案例

世界上最安静的铁路———香港西铁线,其高架路段采用了综合的减振降噪措施[11],如图 4 所示。西铁高架线采用高弹克隆蛋扣件组合橡胶支承短浮置板的隔振轨道结构。减振器竖向静刚度为 12 ~ 15 kn/mm,横向静刚度为7. 5 ~10 kn/mm,在 0 ~600 hz 范围内,刚度动静比最大值为1. 4; 浮置板为双枕不连续短浮置板,尺寸为1 170 mm ×2 635 mm ×390 mm( 长度 × 宽度 × 厚度) 。在浮置板的底部、两侧和两端均安装橡胶支座。

通过进行桥梁阻抗的优化,分析了不同桥梁结构形式的噪声辐射情况,西铁线高架桥最终选择了双箱型截面简支梁结构,即采用桥面沿高架桥中心线拼接在一起,这是抵抗风载作用下的扭转和倾覆的理想结构,尤其是在侧边设置高声屏障的情况下。

西铁线综合考虑降噪效果、成本等因素,采用了多种形式的声屏障,包括道间声屏障、高架桥两侧的隔声屏障、特殊路段加高的高声屏障,全封闭式声屏障。高架桥上声屏障高度一般为 1. 2 ~ 4. 2 m,在特别敏感点和道岔及渡线处采用全封闭声屏障。

西铁线首次采用了多重隔声腔室吸声结构设计,多重隔声腔室包括: 车下底板和车裙围成的带有吸声材料的隔声腔室; 列车疏散通道下有吸声材料的隔声腔; 边墙有吸声材料的隔声腔室。车下底板和车裙围成的带有吸声材料的隔声腔室,在车裙和防脱轨护墙之间形成腔室的出口,出口的大小决定了降噪效果,出口越小,降噪效果越好,但车辆包络线和线路限界决定这一出口的最小尺寸为250 mm。多重隔声腔室设计最大限度地降低了轮轨噪声和减振轨道结构的辐射噪声,避免了采用大力度的复合隔振轨道降低桥梁结构的辐射噪声而增大轮轨噪声的弊病。

正是由于通过精心设计,采取以上综合措施,使得香港西铁线成为世界上最安静的铁路,达到了距西铁线 25 m 的位置,等效声级 leq30不超过 55 dba 的标准。

4 结论

根据上述分析,高架线的振动噪声通过规划和精心设计可以得到有效控制。对于高架线噪声的评价,应充分考虑高架结构桥梁的低频噪声特点。

影响高架线噪声的因素复杂而多样,声源在不同频段有所差别,对整体噪声的贡献也不同。当考虑路边噪声时,应结合列车状态综合考虑这些影响因素。

在城市轨道交通高架桥设计过程中,应充分借鉴国内外成功工程案例的先进经验,从深入研究高架线上钢轨扣件和减振轨道的振动及传递特性、优化轮轨间不平顺控制和桥梁结构等角度出发,充分考虑轮轨噪声和结构辐射噪声的特点,平衡二者间的关系,避免降低了桥梁辐射噪声而增加了钢轨或轨道噪声的“按下葫芦浮起瓢”的做法。此外,高架线设计不应只考虑轨道上的减振措施,桥梁断面形式的设计也应从声学的角度优化。

开通运营的高架线,应提高钢轨的打磨及摩擦管理等维修手段的技术含量,加强这些措施对降低噪声效果的研究,从声学打磨角度制定标准,从维修的角度控制轮轨噪声。

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