城区铁路桥梁半封闭声屏障工程实践与技术探讨

朱正清

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津300308）

1 概述

综观国内外，铁路作为便捷的大众化公共交通方式引入城区不可避免，在做好铁路选线选址与城市总体规划衔接协调的同时，做好铁路噪声的防治是适应公众对宁静生活、安静社区、提高生活质量的美好需求的基本条件，也是建设生态文明、建造绿色和谐铁路的必由之路。

城区铁路因线路形式、两侧噪声敏感建筑特征及其与铁路之间位置关系、环境背景特征的不同，噪声防护措施的选择也相应不同。本文以某铁路为例分析其声屏障工程方案。

该铁路位于北方严寒地区，冬季寒冷漫长、夏季炎热短促、春季干旱少雨、寒暑温差大，极端最低气温-37.5℃、极端最高气温36.7℃，历年最大风速为17.3 m/s，土壤最大冻深2.05 m，土壤冻结初终期为10月至翌年4月，年最大降水量826.3 mm，最大积雪深度为41 cm。铁路一侧噪声保护目标为紧邻铁路约17 m的临江多栋33层高层住宅，另一侧为距离铁路约90 m的7层住宅。在敏感建筑保护目标路段为2座并行的各12 m宽箱梁双线桥、轨面高度约19.5 m，两桥间仅有200 mm施工缝；靠近高层建筑侧为新建客运专线、运行速度约140 km/h，远离高层侧为改建普速铁路(客运)、列车运行速度约110 km/h。

2 声屏障工艺方案的确定

由于线路一侧约90 m外的7层住宅可通过设置常规直立式声屏障防治铁路噪声，在此不再赘述。本文仅探讨邻近高层建筑的铁路噪声防治设计。

2.1 声屏障设计目标值的确定

声屏障设计目标值(插入损失或降噪目标)的确定与受声点处铁路噪声值、背景噪声值及环境噪声标准值大小有关。由于该项目既有普速铁路同期改造停运，临路高层建筑1～33层现状背景噪声值昼间约46～48.6 dB(A)、夜间约45～47.6 dB(A)，运营期环境噪声预 测 值 昼 间 约52.8～66.3 dB(A)、夜 间 约47.7～58.4 dB(A)(其中铁路噪声贡献值昼间约51.8～66.2 dB(A)、夜间约44.3～58 dB(A))，执行《声环境质量标准》(GB 3096—2008)4b类区标准，对照5.3条规定[1]，即穿越城区既有铁路干线改、扩建项目铁路干线两侧区域不通过列车时的环境背景噪声限值按昼间70 dB(A)、夜间55 dB(A)执行，昼夜噪声均不超标。

结合项目改建情况、周边环境特征和声环境功能区划，为避免铁路噪声影响居民生活环境，对照2类区标准确定声屏障设计目标值，取最不利楼层夜间铁路噪声超标量为8 dB(A)，同时满足高层建筑各楼层均位于声屏障声影区内、不受铁路噪声直达声影响[2]。

2.2 声屏障工艺设计

为满足上述声学设计目标，需设置半封闭式声屏障，结合工程特点提出2个声屏障工艺方案[2]：2个独立框架半封闭声屏障(两侧两顶与一侧两顶敷设吸隔声材料)(见图1)，单个框架半封闭声屏障(见图2)。

通过比选，2个独立框架声屏障方案的优点在于分别位于2座桥上，不会受到桥梁不均匀沉降给声屏障结构安全带来的影响，缺点在于顶部吸声材料边缘存在积雪、融冰坠落轨道或桥间而引发的运营安全风险，并且两侧两顶方案由于桥间距狭小、中间直立部分声屏障单元板安装及维护检修困难。单个框架半封闭声屏障可以避免积雪、融冰坠落轨道或桥间的运营安全隐患，以及桥间声屏障单元板的安装及检修维护难题，受2座桥梁不均匀沉降带来的声屏障结构影响也可以通过立柱与桥梁遮板的连接方式解决。因此，最终确定采用单个框架半封闭声屏障。

图1 2个独立框架半封闭声屏障（左为两侧两顶、右为一侧两顶）

图2单个框架半封闭声屏障

类比实测沪杭城际高速铁路上海南站附近桥梁半封闭声屏障降噪效果，距离线路外轨中心30 m、地面以上1.5 m处的降噪效果为9.5～13.0 dB，均值为11.4 dB，轨面等高处(未在桥梁遮板声影区内)降噪效果高于地面测点(通过有限元分析降噪效果可达15 dB以上)[3]，由此可见，单个框架半封闭声屏障可以满足设计降噪目标值。

2.2.1 断面尺寸确定

断面工艺尺寸的确定主要受接触网限界影响，根据《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》[4]及《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[5]要求，高速铁路线路上方接触网导线高度为5 300 mm、结构高度为1 400 mm、非绝缘关节非支抬高高度为300 mm，正馈线与接触网绝缘距离为540 mm，由于正馈线悬挂点与接触网顺线路方向存在位移，考虑正馈线在腕臂处驰度及安装情况，正馈线与接触网绝缘距离为740 mm；正馈线距接地体间隙为300 mm，考虑垂直线路方向安装距离，股道中心线上方轨面以上净空高度一般不小于8.1 m[2,6]。

该项目设计过程中考虑工期等影响，采取接触网立柱与声屏障框架柱分建，按照接触网限界控制，确定框架直立部分边立柱高7.9 m、中间立柱高8.4 m、挑檐钢桁梁轴线高8.8 m。结合声学防护范围，确定顶部总宽度17.35 m，其中门洞部分12.55 m、外檐部分4.8 m。

2.2.2 安装方式选择

传统的铁路声屏障通常采用柱板插入式安装，考虑到该项目列车运行速度较低、北方严寒地区存在顶面积雪情况，参照站台雨棚等对比分析了整体外敷吸(隔)声材料安装方式的可行性。2种安装方式对比分析如表1所示。

通过比选，综合考虑工点处列车运行速度低、严寒地区积雪影响等环境适应性，以及施工工期、运营维修等因素，确定采用整体外敷式安装工艺。

3 声屏障结构设计和施工安装关键技术

3.1 结构设计关键技术

声屏障主体结构设计使用年限50年，单元板等材料设计使用年限25年。

3.1.1 荷载因素及取值

（1）恒荷载需考虑结构和单元板自重。

（2）活荷载按照不上人屋面取值，针对高寒地区雪荷载按百年一遇基本雪压取值，活荷载和雪荷载不同时组合、取活荷载与雪荷载两者对比较大值，雪荷载组合时考虑不均匀分布。

（3）风荷载一般按百年一遇基本风压、《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[7]风载体型系数取值。无车时按台风地区、非台风地区百年一遇基本风压取值，有车时按列车运行限制风速对应基本风压确定。

（4）列车运行气动力荷载通过列车脉动风压及结构动态响应仿真计算得出，与列车运行速度、声屏障距线路中心线距离、声屏障型式及高度等密切相关。研究表明，半封闭声屏障列车脉动风压时程与直立式声屏障趋势相同，均有头波和尾波效应、背板风压值远小于面板，脉动风压沿竖直方向减小，列车产生的正压峰值和负压峰值在沿列车运行方向中部位置较大且稳定、出入口附近整体较小、极值出现在距入口5 m左右且存在第二峰值。

（5）接触网与声屏障结构合建时，应考虑运行状态下的接触网荷载。

（6）考虑地震和温度作用。

3.1.2 荷载组合

（1）组合工况。需考虑恒荷载、活荷载、风荷载、列车气动力、接触网荷载不同工况下的荷载组合，其中风荷载与气动力组合时按照《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》[4]要求，不同最高运行速度对应不同的限制风速。风荷载、列车气动力、接触网均为2个方向，荷载组合时，荷载的方向均以同向最不利方式考虑。

（2）荷载组合系数。①分项系数：永久荷载分项系数取1.2，可变荷载分项系数取1.4，接触网荷载竖向力按照恒荷载考虑，分项系数取1.2。②组合值系数：活荷载、雪荷载组合值系数取0.7(活荷载与雪荷载不同时组合)，风荷载组合值系数为0.6，温度荷载组合值系数0.6，列车气动力组合值系数取1.0，接触网水平力与列车气动力同时存在、组合值系数取1.0。③结构重要性系数：建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1。

表1安装方式比选

3.1.3 结构计算

（1）主要设计指标。①结构水平位移控制：接触网立柱与声屏障钢架立柱结构分建时，声屏障结构顶部水平位移按H/200控制；合建时，按《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009—2016)[8]规定计算得出。②结构顶部挠度控制：主梁竖向挠度按L/400控制、檩条挠度按L/200控制[9]。③结构强度、稳定性、疲劳等验算指标按《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[9]规定执行。

（2）结构材料。需要选定梁、柱主体钢结构，以及檩条、支撑、系杆材质，焊接材料，螺栓连接材料等。

（3）结构验算内容。包括钢架立柱强度、立柱稳定性、立柱疲劳，螺栓连接及疲劳等检算，并计算柱底反力(水平力、竖向力、弯矩)，提供桥梁接口设计资料。

封闭式声屏障还需考虑控制温度作用的伸缩缝设置与连接处理，以及明确焊缝形式和质量要求、防腐与防火措施。需要说明的是，该项目在柱脚设计时采用了外侧刚接、内侧铰接的柱脚连接方案，既控制好结构顶部位移、又优化了传递给桥梁的作用力。

3.2 施工安装关键技术

3.2.1 吸声材料敷设

吸声材料系统安装主要包含吊顶孔板、无碱憎水玻璃布、吸声玻璃棉、防水透气膜、屋面板、装饰铝板等安装。

（1）吊顶孔板。利用移动式平台进行安装，安装前先放出第一列板的安装基准线，以板宽为间距，放出每一块板的安装位置。第一块吊顶孔板固定就位后，在板端与板顶各拉1根连续的准线并与第一块板为引导线，便于后续铝镁合金穿孔底板的快速固定。吊顶孔板通过自攻螺钉与檩条连接，安装顺序为由低至高、由两边缘至中间。

（2）无碱憎水玻璃布。安装方向应平行于屋面板方向，且水平与纵向搭接，铺设后外观应平整、干净。遇到屋面板咬合固定支座位置，将无碱憎水玻璃布进行裁剪、下拉。

（3）吸声玻璃棉。与无碱憎水玻璃布同步快速跟进安装，安装方向与无碱憎水玻璃布方向一致。安装时注意上下层间错缝搭接，必须满铺，不得漏铺或少铺，边角部位需铺设严密。

（4）防水透气膜。安装方向平行于吸声玻璃棉方向，缓慢铺设且水平与纵向搭接。

（5）屋面板。第一块板的安装非常重要，应严格校正，以避免屋面板安装到最后时出现较大偏差；之后继续安装后续屋面板，后一片板的目肋搭接边用力压入前一块板的搭接边，锁边时每条缝通常锁紧2次。

（6）装饰铝板。首先需要安装龙骨，在主结构上弹出龙骨安装点，就位后进行龙骨焊接。龙骨安装完成后，装饰铝板通过四周铝角码与龙骨连接，固定角码与主龙骨、次龙骨，采用不锈钢自攻紧固螺钉紧固。

3.2.2 防雷、防坠落、防融冰

（1）防雷技术。根据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)[10]金属板下无易燃物，并且铝板厚度不应小于0.65 mm，金属板无绝缘被覆层，可作为接闪器。该项目将3 mm厚装饰铝板作为接闪器，通过连接件作为引下线，将电流引至主钢结构，形成避雷体系。电流传递方式：雷电→装饰铝板→装饰铝板龙骨→屋面板→固定支座→连接螺钉→屋面檩条→主钢结构→接地点。

（2）防坠落技术。防坠落系统主要为了减少高空坠落造成的伤亡。金属屋面在大面积和大跨度的高空作业情况下，容易发生坠落风险，水平防坠落体系是最佳的防坠落保护装置。该项目的防坠落采用铝方管，小立柱焊接固定在主结构上，小立柱与纵向方管采用焊接与螺栓固定的方式相连接，作业人员可将安全带挂在纵向方管上，起到安全防护作用。

（3）防融冰技术。北方地区雪季时会在屋顶形成积雪，经太阳照射后会凝结成冰加雪的大型雪块，结实而沉重，积攒到一定重量后会从屋面滑落，可能对行人安全构成威胁、对建筑物和财产造成不同程度的影响。为了保证屋面的积雪不至于大量滑落地面，屋面需设置挡雪系统。该项目在声屏障屋面弯弧处与底部设置挡雪系统，屋面弯弧处在防坠落纵向方管上设2道挡雪片，一方面增加防坠落系统的强度，另一方面在大型雪块出现时可有效挡住屋面的冰雪块，防止向下滑落。声屏障底部的天沟处进行特别处理，增加了挡雪片和雨水导流片，可有效遮挡冰雪块，融化雪水可以顺着天沟流到桥梁雨水管系统及时排出。

4 启示与建议

该铁路桥梁半封闭声屏障建成运营近5年来，取得较好的社会、环境效益，通过类比实测降噪效果达11 dB(A)以上，也很好地融入了当地的自然风景。城区铁路噪声防治是今后铁路建设中遇到的普遍而难以处理的问题之一，封闭式声屏障建设是较为有效的解决途径，但由于城区既有噪声源复杂、施工限制因素众多，特别是涉及既有铁路、市政道路等，结合该铁路项目的工程实践，建议在城区铁路封闭式声屏障设计和施工中应关注以下问题。

一是应科学合理确定降噪目标。铁路建设应贯彻生态文明理念，综合考虑城区既有噪声源的复杂性、居民美好生活的现实需求，以及铁路工程的社会效应和建设条件，以改善环境为核心，科学合理确定降噪目标。

二是应因地制宜的选择声屏障型式及工艺设计。城区铁路声屏障的设计应结合工程与敏感点的平面高差位置关系、工程实施条件、当地的气象气候特征等，在满足降噪目标的前提下，选择适宜的声屏障型式和安装工艺。

三是应保证结构设计的安全可靠。安全是铁路建设运营的根本，特殊结构声屏障设计尤其要充分重视结构主体、单元板、连接构件的安全可靠，满足最不利荷载组合条件下变形、刚度、疲劳等控制要求。

四是应考虑施工安装和运营维护的便利性。在满足声屏障安全性、功能性的前提下，封闭式声屏障的设计还应建立全寿命周期效益的理念，采用施工简便、运营简单的结构和工艺，降低工程投资和运营成本，最大限度发挥其经济效益。