振動和噪聲對環(huán)境的影響及其對策

城市軌道交通的振動和噪聲對環(huán)境的影響及其對策

　　摘　要　分析了通過現(xiàn)場測試的上海軌道交通振動與噪聲的影響程度,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,噪聲控制
軌道交通由于輪軌接觸、車輛設(shè)備(受電弓、電機、空調(diào)等) 等產(chǎn)生的振動和噪聲對周圍環(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也要確保良好的生活環(huán)境。本文通過對上海既有軌道交通線路的振動和噪聲進行測試,收集了國內(nèi)外有關(guān)資料,分析其對環(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 　軌道交通的振動測試結(jié)果及分析
1. 1 　振動的產(chǎn)生與傳播機理
城市軌道交通在運營過程中,列車車輪與鋼軌之間產(chǎn)生撞擊振動,經(jīng)過軌枕、道床,傳遞至隧道或橋梁基礎(chǔ),再傳遞給地面,從而對周圍區(qū)域產(chǎn)生振動,并進一步傳播到周圍建筑物。這種振動干擾不僅對地鐵沿線民宅、學校、醫(yī)院等環(huán)境產(chǎn)生不良影響,而且可能對沿線基礎(chǔ)較差的建筑物造成損害。
振動波在土介質(zhì)中的傳遞過程,其作用機理及傳播特性與地震基本相同。這些振動波遇到自由界面時,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,同時傳播速度、衰減率也為距離的函數(shù)。根據(jù)振動傳播理論,振動從地面進入建筑物,不同結(jié)構(gòu)建筑物其振動衰減也不同。
1. 2 　振動測試結(jié)果
表1 上海地鐵1 號線的振動測試結(jié)果。
1. 3 　測試結(jié)果分析
結(jié)合振動的產(chǎn)生和傳播機理來分析上述振動測試結(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在75～80 dB

表1 　北京地鐵沿線地面建筑物的振動測試資料[ 1 ]

(2) 矩形隧道結(jié)構(gòu)DT Ⅲ 扣件道床振動加速度水平(94. 96 dB) 遠小于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)DT Ⅲ 扣件道床振動加速度水平(105. 11 dB)
(3) 扣件類型對地面建筑物振動影響明顯,減振型鋼軌扣件的減振效果比較明顯。
(4) 建筑物的振級(地面垂向Z 振級( 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),其振級與土壤接近,振動衰減小。

將上述測試結(jié)果與現(xiàn)行環(huán)保標準對照可以看出:在上海飽和軟土地層中,對于一般埋深(10 m 左右) 的地下線,其中心線處地表振動超標5～10 dB ; 當線路埋深超過30 m 時,混凝土基礎(chǔ)的建筑物的振動大大降低。
2 　軌道交通的噪聲測試結(jié)果及分析
2. 1 　噪聲的產(chǎn)生與傳播機理
軌道交通噪聲主要來源于高架線路列車運行時輪軌的接觸噪聲、車輛非動力系統(tǒng)噪聲(車輛的空壓機、空調(diào)機、電動機等),以及橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動引起的輻射噪聲、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 　噪聲測試結(jié)果
在測試高架線路噪聲時,橋面以上部分的噪聲峰值大于橋面以下的噪聲峰值。當列車以60～80 km/ h 速度行駛在高架線路上時,其噪聲連續(xù)等效聲級可達85～90 dB(A) ( 單列車通過) 。其噪聲特點是聲級高,作用時間長,且以中低頻為主。
2. 3 　測試結(jié)果分析
結(jié)合噪聲的產(chǎn)生和傳播機理分析上述噪聲測試結(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 　城市軌道交通振動控制對策
城市軌道交通的振動控制是一項綜合性工作, 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近程度等。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗,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振動影響較大,應(yīng)選用動力性能優(yōu)良的軌道車輛,盡量降低車體重量和軸重,減小輪軌動力沖擊,采用先進技術(shù)如徑向轉(zhuǎn)向架或直線電機車輛等。
3. 2 　橋隧結(jié)構(gòu)的選擇
為了降低振動在沿線傳播,針對橋、隧結(jié)構(gòu)本身的減振措施,國外進行過大量的研究與實踐,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)相對裝配式襯砌結(jié)構(gòu)其換算振動加速度可降低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)振動控制措施
城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計有別于干線鐵路,其自身特點決定了軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則“ 少維修,高彈性,減振降噪”。國內(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營對沿線建筑物的振動影響。上海地鐵1 號線的測試結(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、新加坡、德國科隆、法國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,減小了振動向橋梁和沿線建筑物傳遞,同時降低了輪軌噪聲和梁體的二次噪聲。在國外,高架線路廣泛采用了減振型鋼軌扣件。日本高架線路測試結(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、動力傳遞和振動能量吸收諸方面更接近堅實基礎(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6 圖5) 被瑞士國營鐵路首次采用。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家所采用,如丹麥、英國、法國、葡萄牙等。當線路穿越居民區(qū)及一些對振動很敏感的單位( 如醫(yī)院、學校、居住區(qū)等) 時采用[ 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。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)生的振動降低10 % 。
采用無縫線路,即將標準軌焊接成長鋼軌,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與噪聲。
(4) 加強軌道不平順管理
在列車運行過程中,軌道不平順引起動荷載明顯增大。動荷載的變化加速了軌道狀態(tài)的惡化,導(dǎo)致輪軌之間振動與噪聲增大。測試結(jié)果表明:鋼軌打磨后,在振動頻率為8～100 Hz 范圍內(nèi),振動水平下降4 ～ 8 dB , 站臺上的振動水平下降5 ～ 15 dB[ 5 ] 。控制軌道不平順是降低輪軌之間振動與噪聲的有效措施。為此應(yīng)加強軌道不平順管理,制定嚴格的養(yǎng)護維修計劃,確保軌道處于平順狀態(tài),從而減少振動與噪聲對周圍環(huán)境的影響。
4 　噪聲控制措施
城市軌道交通噪聲控制的對策除采用上述各項減振措施外,還需在噪聲源(輪軌動力作用) 、噪聲傳播途徑的阻截(聲屏障設(shè)置) 及振動噪聲敏感目標的防護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
高架軌道交通車輛應(yīng)進行特殊設(shè)計,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、減小鋼軌的振動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力作用的根本因素,沒有激擾就不會產(chǎn)生振動和沖擊, 也不會輻射出噪聲。因此,必須嚴格控制輪軌系統(tǒng)的振動激擾源。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,從而引起滾動噪聲。鋼軌頂面的粗糙度是產(chǎn)生滾動噪聲的主要聲源。
(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,以減小輪緣對鋼軌內(nèi)側(cè)的沖擊,降低輪軌接觸中的尖叫噪聲。同時還可結(jié)合巖土地質(zhì)特性,采用不同的線路型式。如德國柏林的一條地鐵在穿越高檔別墅區(qū)時就采用了穿越深路塹的方式來降低噪聲對周圍環(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,增加振動沿鋼軌的衰減率。當裝上吸振材料后,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
1 　王毅. 北京地下鐵道振動對環(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:中國鐵道出版社,1982