城市轨道交通振动与噪声控制技术的研究*

于秀娟 李广影

随着城市的发展,人口日益增多,我国大多数城市目前的交通状况已不能满足要求,在大中城市发展轨道交通已成为人们的共识。安全、正点、快捷、舒适的城市轨道交通受到广大市民的青睐,成为出行者首选的交通工具,但城市轨道交通不可避免的给城市带来诸多如振动、噪声等超标污染。振动及噪声影响了人们的正常工作和生活,危害人体健康,是影响面最为广泛的一种公害。

1 轨道交通振动与噪声的控制技术现状与分析

1.1 从振源及声源控制的防振降噪措施

1.1.1 车辆的防振与降噪措施

1)进行车辆轻量化设计。减小车辆自重,从而减小轮轨间的相互作用力,降低噪声。2)采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等。在车轮上加设橡胶件能有效吸收和衰减一部分由车轮产生的噪声,改善噪声的频谱特性。采用这些经过特殊处理的车轮,可减振降噪 2 dB(A)～10 dB(A)。3)用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能,降低轮轨噪声。国外的一些国家把制动盘放在轮辐上来减少噪声的发射。如德国的一些车辆就采用这种方法,试验证明对1 000 Hz以上的噪声有明显的改善,大约减少噪声5 dB。4)运用线性电机驱动及径向转向架。温哥华、多伦多、底特律、大阪等城市在20世纪80年代的轨道交通系统中,采用了线性电机车辆。该车型采用线性电机牵引、径向转向架及自动控制三项新技术。由于采用线性电机牵引,动力系统不需要从旋转运动转换成直线运动,省去了齿轮箱等一系列传动机构,减轻了轮轨间磨损,减少了许多噪声源,因而噪声比一般车辆降低了10 dB(A)之多。此外,由于采用径向转向架,车辆能顺利地通过曲线,消除列车在曲线上运行时产生蠕滑,减少轮轨磨耗和消除常规固定轴距转向架通过曲线时刺耳的尖叫声,因而噪声比一般车辆降低近20 dB(A),特别适用于高架轨道交通系统。5)采用磁悬浮技术。由法国、德国、日本、加拿大等国家研制成功磁悬浮列车,改变了原来轮轨粘着作用,使车体悬浮在导轨上面行驶,其振动小、噪声低。

1.1.2 轨道结构振动与噪声控制措施

1)优化轨道结构。a.无缝线路。将标准轨焊接成长钢轨,减少钢轨接头数量,从而减少接头冲击引起的振动噪声。测试结果表明:在钢轨接头处,轮轨噪声比非接头部位增加5 dB(A)～7 dB(A)。b.减振型钢轨。在钢轨腰部粘贴防振吸音材料,如橡胶,其降噪效果显著。测试表明,采用弹性钢轨可降低噪声 4 dB(A)～8 dB(A),特别适用于高架铁道需特殊降噪地段。c.减振型扣件。一般扣件,其竖向刚度在20 kN/mm～60 kN/mm之间,有一定减振降噪效果;减振型扣件,其竖向刚度在 10 kN/mm～25 kN/mm之间,最低为6 kN/mm,能有效地减少对周围环境的干扰。d.减振型轨下基础。为了适用于不同减振要求,各国都对传统的碎石道床与整体道床作了大量改进研究工作,开发了各种减振型轨下基础。主要有:在碎石道床的基础上,研制了弹性轨枕道床和道碴垫道床,增加道床弹性,有效降低道碴振动,与一般碎石道床相比,减振5 dB～15 dB。在整体道床基础上,开发了短轨枕包套式和弹性长轨枕整体道床。e.进行轨道不平顺管理。控制轨道不平顺是降低轮轨之间振动与噪声的有效措施。为此应加强轨道不平顺管理,制定严格的养护维修计划,确保轨道处于平顺状态,从而减少振动与噪声对周围环境的影响。

2)改变轨道结构的振动参数。根据振动理论,隔振系统的三个基本体系包括:M(质量)、K(刚度)、C(阻尼),以此三要素可以来估算不同轨道隔振系统的振动频率。a.在涉及到曲线时,尽量少用小半径曲线。由于小半径曲线会增大轮轨作用力,加速钢轨磨耗,也因此产生较大的噪声。b.铺设无缝线路。采用无缝线路,即将标准轨焊接成长钢轨,减少钢轨接头数量,从而减少接头处轮轨冲击引起的振动与噪声。c.采用重型钢轨。采用重型钢轨的垂向刚度可以有效降低列车冲击而引起的钢轨垂向振动,从而减少噪声。将50 kg/m钢轨改成60 kg/m钢轨后,钢轨的垂向刚度增加,可以把列车冲击而产生的振动降低10%。

1.2 传播过程中控制振动噪声的方法

1.2.1 桥梁防振降噪措施

1)选择低噪声桥梁形式,采用箱形梁比较合理。2)采用橡胶支座。3)高架桥宜采用混凝土梁,尽量少用钢梁。

1.2.2 设置声屏障

1)在线路两侧设置声屏障。2)线路两侧大密度种植树木,形成树障,绿化减噪。3)设置车轮隔音罩和在车辆两侧设置下裙边。4)采用密封车体设计,减小噪声进入车内。5)在隧道内、车内以及声屏障靠近声源一侧采用吸音涂层,以减少声反射。

1.3 建筑物振动噪声控制措施

1)建筑物材料与结构的减振措施。建筑物本身可采用宽基础,加固地板,隔振垫等,也可对建筑物表面贴附吸声、隔声材料。高架轨道沿线的建筑物在选材及结构选型方面应加以重视。特别应选择隔声性能好,抗振性能好,质量轻的建筑材料或结构形式。如陶粒混凝土材料具有良好的吸音隔声能力和良好的动力性能,可以作为轨道沿线大跨建筑物的合理选型加以考虑。2)设置隔声窗。将面向噪声源的敏感建筑,如学校、医院、居民住宅、幼儿园等的窗户改造成隔声窗并加设通风及空调装置。隔声窗与普通窗的最大区别在于它必须有一定的隔声量,即最低级别隔声窗的隔声量也要保证在5 dB(A)以上。隔声窗由各种材质构成,通常使用的有钢结构、木质结构、钢塑结构和铝合金结构的隔声窗等。

2 轨道交通振动与噪声控制的应用建议

2.1 技术措施

1)通过线路选线、桥隧结构形式、轨道结构等综合技术措施来进行振动和噪声控制。2)采用高弹性扣件或高弹性轨下垫层,是降低轨道振动噪声经济而有效的措施,可适用于一般减振降噪要求的新建或旧线改造。3)采用减振型轨下基础,可以更有效地降低振动的传播,同时也降低了桥梁的二次噪声,可适用于新建线路减振降噪要求较高地段。4)应采用减振降噪性能优良的桥隧结构。5)高架线路上的车辆应增设裙板及车底设置吸声结构。6)高架线路声屏障的设置和形式要进一步优化,提高其降噪效果。7)地铁运营管理中,加强轨道结构状态管理,减小轮轨冲击作用,从而降低振动噪声对环境的影响。

2.2 噪声敏感区防噪技术

诸如学校、幼儿园、医院、住宅、站台等沿线建筑往往构成噪声敏感区域,对于防噪的要求较一般性路段更高。由于受到安装空间、线路设备限界以及市容、路容美观性要求等一系列限制,声屏障的降噪效果受到一定的制约。

鉴于此,本文提出声屏障的优化措施,示意图见图1。

1)设置低矮声屏障,降噪装置应当尽量地小型化。2)轨道挡墙内侧安装吸声屏体,上、下行线路之间安装道间声屏障。3)吸声屏体采用微孔泡沫的轻结构。

本优化方案的特点是双面吸声,可以很好地降低轨道交通的噪声;采用泡沫类无纤维材料,防止了纤维类(如天然棉、人造棉、玻璃棉、海绵、岩棉和矿棉等)吸声材料造成二次污染,影响噪声敏感区域人群和乘客的健康,同时具有寿命长、可再生等优点;安装方便,成本低。

[1]Chua K.H,LK.W.,Koh C.G.Performance of Urban Rail Transit System:Vibration and Noise System[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,1997(2):67-75.

[2]U.S.Department of Transportation,Federal Transit Administ ration Transit Noise and Vibration Impact Assessment Report DDT-T-95-16,April,1995.

[3]温玉君.城市轨道交通系统的减振降噪措施[J].城市轨道交通,2005(6):77.

[4]蒋伟康.道间吸声屏障:中国专利,ZL00216248.2[P].2000.