深圳地铁环境噪声与声屏障降噪数值模拟研究

杨 易 金新阳 王敏远 余保红

(1.中国建筑科学研究院,100013,北京;2.深圳市地铁集团有限公司,518026,深圳∥第一作者,副研究员)

城市轨道交通在离开城市中心区后一般都采用高架形式,以降低施工成本,加快建设周期。但在高架上快速行驶的城市轨道交通列车将不可避免地会给沿线居民住宅、办公楼等带来环境噪声滋扰问题。噪声超标,将造成环境噪声污染。随着经济和社会的发展,公众对居住环境品质的要求日益提高,对环保问题日益关注,因此研究城市轨道交通环境噪声问题,从环境保护,建设和谐、宜居的人居环境的角度,是非常有必要。

本文以深圳地铁1号线续建工程为例,采用先进的计算机数值模拟方法,建立整条高架线路的大型噪声模拟预测数值模型,进行环境噪声与声屏障降噪数值模拟研究,为深圳地铁主管部门和设计、建设单位做好地铁高架沿线的噪声防护,以减少地铁列车噪声的影响提供科学参考。

深圳地铁1号线(罗宝线)续建工程是深圳地铁一期工程1号线的延伸线,起于一期工程的终点站世界之窗站,终至机场东站(原深圳机场站);线路全长约23.6 km,其中地下线 19.8 km,地面线 0.4 km,高架线 3.4 km,共设车站15座。深圳地铁列车采用铝合金A型车,设计速度为80 km/h,相应的主噪声源为轮轨噪声。列车为标准的6辆编组,4动2拖,总长约140 m,每3辆车组成一个控制单元。整列车定员为1 860人。

1 轨道交通噪声评价指标和引用标准

在轨道交通噪声预测评估中,通常采用等效连续A声级LAeq作为衡量噪声大小的指标。等效连续A声级是指随时间变化的噪声级在测量时间 T内与其能量相等的连续稳定噪声级,其定义为：

式中：

T——等效声级的计算时间;

Pref——参考声压 ,Pref=20 μ Pa;

由于我国目前尚无专门的城市轨道交通环境噪声标准,在城市轨道交通工程噪声环境影响评价中,可以参照我国相关的国家标准,例如《GB 3096—93城市区域环境噪声标准》[1]等。《GB 3096—93城市区域环境噪声标准》规定了城市五类区域的环境噪声最高限值。其中,4类标准(昼间70 dB,夜间55 dB)适用于城市中的道路交通干线道路的两侧区域和穿越城区的内河航道两侧区域。穿越城区的铁路主、次干线两侧区域的背景噪声(指不通过列车时的噪声水平)限值也执行该类标准。此外,我国在1990年颁布了《GB 12525—90铁路边界噪声限值及其测量方法》[2],其中明确规定了铁路边界的噪声限值为70 dB(A)。国外也有一些铁路噪声标准可供参考,例如日本新干线沿线噪声控制在70 dB,法国高速铁路沿线控制在75 dB以下。部分国家的铁路噪声法规和噪声标准见文献[3]。

2 环境噪声模拟数值建模

通常,轨道交通环境噪声的评价范围一般可设定为高架段两侧距外轨中心线各150 m的区域。深圳地铁1号线续建工程的高架线路总长为3.4 km,使本工程的环境噪声模拟与评估具有线路长、影响范围广、建筑环境复杂及计算量庞大等特点。针对这一大型复杂工程,国内外目前尚无类似参考案例可循。为此,通过翔实的资料查阅和调研,制定了合理的研究方案,利用国际先进的噪声模拟与评估软件SoundPLAN,建立整个地铁高架线路的环境噪声数值模拟仿真计算模型。SoundPLAN软件使用基于几何声学模拟的扇形模型方法进行声场计算。该方法可以覆盖接受点周围所有的区域,相对射线追踪法更为准确。

首先,依据设计单位提供的深圳地铁1号线续建工程高架桥以及沿线的地形和建筑环境规划图,建立本工程的三维环境噪声数值模型(见图1)。对于高架桥,参考桥梁专业设计图纸,按照每一跨的设计参数(包括地势高度、桥墩高度、桥梁宽度和厚度等)逐一取值建模,以求准确;对于沿线建筑,以规划图为蓝本,建立沿线受影响区域150 m或更大范围的几乎所有建筑模型,总数达百余栋。这样,数值模型中包括了整个工程所在地的地形地势、高架桥梁、沿线两侧影响范围内的建筑、人行天桥等详细的工程环境,整个面积约3 km2。由于工程所在地的地形和建筑环境较繁杂,为准确起见,建模除参考本工程的线路规划和设计图纸资料外,同时参考了Google Earth提供的工程所在地的卫星地图,力求尽量准确模拟工程所在地的地形地貌和建筑环境。

图1 深圳地铁1号线续建工程高架区间环境噪声预测数值模型

其次,建立地铁列车噪声源模型和合理设定噪声源参数。依据地铁列车噪声源的特点,在数值模型中,可以合理地将整条高架线路模拟成线声源,所产生的噪声按照线声源的规律在空气中传播。由于本工程的线路尚在建设中,无列车噪声源实测数据可用。在此情况下,利用经过筛选和验证过的有关资料确定噪声源的噪声级。在本项目中,根据车辆特性,参考类似轨道交通工程如上海轨道交通2号线和3号线列车[4]、大连轨道交通等工程实测等效连续A声级实测数据,通过设定列车的类型、白天运营车次、制动百分比、运营速度、列车长度等参数,以及考虑高架桥梁二次振动噪声等修正因素,合理确定本项目列车噪声源的噪声级。设定噪声源的噪声级为92 dB(A)(单列车轨道,同时在噪声源模型中,不考虑环境背景噪声的影响)。

3 数值模拟计算工况

进行了如下不同工况下环境噪声的数值模拟：

1)高架桥轨道两侧未设置任何声屏障;

2)高架桥轨道两侧设置高度为2 m的直立式声屏障(声屏障靠轨道内侧材料的表面吸声系数为0.8,外侧材料的表面吸声系数为0)。

4 数值模拟结果与分析

4.1 数值计算结果

数值计算结果分为三部分给出：

1)分别计算离地高度为2 m(行人高度)和12 m(高架桥大致高度)的平面上环境噪声的整体分布。每一高度又分有、无声屏障两种不同工况,这样共计有4种不同计算工况,来从整体上比较有无声屏障的影响。作为示例,图2给出了2 m高平面环境噪声整体分布云图计算结果比较。图2中的指标“”表示是昼间6：00～22：00的等效连续 A 声级dB(A),此时段基本涵盖了深圳地铁1号线运营的绝大部分时间(约从6：30～23：00)。可以看出,设置声屏障后,整体上降噪效果非常明显,行人高度接收到的噪声水平明显降低。

图2 离地2 m高的平面噪声分布云图

2)选取高架沿线垂直于线路走向的6个典型横截面(编号为Ⅰ～Ⅵ,截面位置选择在沿线建筑较集中、比较靠近高架处,并具有代表性),计算这些位置平面上的噪声分布,以显示在垂直方向上环境噪声的整体空间分布。每个截面同时考虑有、无声屏障的影响,这样共计有12个计算工况。横截面的垂直高度取为离地50 m高。作为示例,图3给出了横截面Ⅳ上有、无声屏障的噪声分布图比较结果。从图3可以看出,设置声屏障后,由于声屏障的反射作用,高分贝的噪声向两侧扩散的范围显著减小,这对改善两侧建筑物接收到的噪声水平有利。

3)选取深圳地铁1号续建工程高架段沿线两侧105栋典型建筑(这基本涵盖了高架沿线两侧第一排的绝大部分建筑),计算未设置声屏障和设置声屏障后这两种不同工况下这些建筑立面的噪声等级,以定量评估深圳地铁1号线续建工程高架线路对沿线建筑噪声环境的影响。这也是进行环境噪声评估和降噪设计所最关心的问题。

图3 典型横截面Ⅳ的噪声分布图

为方便说明,首先将选取的105栋建筑物进行编号,轨道右侧建筑物用 R1、R2、R3、……编号,轨道左侧建筑物用L1、L2、L3……编号;又在选取的每栋建筑物的每一立面上,沿高度方向在每层中间位置布置一个监测点,共计 2 276个检测点(如图4所示)。将计算得到的设置声屏障前后每栋建筑物每一监测点上的,分别和昼间噪声标准进行比较(Ld,lim=70 dB(A));并对设置声屏障前后每一监测点上噪声差值进行统计(表1给出了部分计算结果)。

图4 噪声监测点示意图

4.2 计算结果分析

1)由于深圳地铁1号线续建工程高架段轨道交通本身的噪声源强较高,导致高架沿线的昼间噪声水平整体上处在较高水平。数值计算结果显示,建筑物立面监测点接收到的噪声水平基本和靠近高架的距离成正比;在未设置声屏障工况下,高架沿线临街第一排建筑物立面(朝向高架方向)的噪声水平基本都达到或超过了我国《GB 3096—93城市区域环境噪声标准》中规定的第4类标准(适用于城市中的道路交通干线道路两侧区域)昼间70 dB(A)的上限值。统计表明,高架沿线第一排建筑物正立面上所有监测点的昼间噪声均值达到约75 dB(A)。因此,有必要采取降噪措施降低地铁列车噪声对周围环境的不利影响。

2)在高架轨道两侧设置声屏障是降低城市轨道交通噪声的有效方法。本研究计算表明,若设置2 m高的声屏障(内侧吸声系数为 0.8),高架沿线两侧建筑物正立面监测点的平均噪声水平降低约为4 dB(A),其中最大降噪达到10.6 dB(A)。设置声屏障,将使得高架沿线临街第一排建筑物监测点接收到的噪声水平显著降低。

表1 建筑立面噪声计算结果dB(A)

5 声屏障降噪优化设计数值模拟研究

5.1 优化设计目标

声屏障的高度将直接影响到降噪效果。理论上声屏障越高,声程差越大,则噪声的衰减量越大,降噪效果越好[6]。但声屏障也不是越高越好,太高会带来一些实际问题。

现采用数值模拟方法,进一步研究声屏障设置的优化设计方案,以供设计参考。需要说明的是,本研究中的“优化设计”指的是：在设定的计算参数和条件下,以高架桥沿线已建建筑物立面接收点上接收到的噪声水平不高于《GB 3096—93城市区域环境噪声标准》中第4类标准昼间70 dB(A)的限值为优化目标,对深圳地铁1号线续建工程高架段轨道两侧拟设置的直立式声屏障的分段设计高度进行优化,从而使其噪声水平达到标准。

进行声屏障降噪优化设计数值模拟研究的数值模型与上述相同。

5.2 优化设计计算方法

在选取的每栋建筑物每一立面上,沿高度方向在每层中间布置一个监测点(如图4所示),考察和比较这些监测点上在有、无声屏障的工况下接收到的噪声水平。声屏障的优化设计计算步骤如下：

1)首先通过数值模拟,计算所有监测点上在没有声屏障的工况下接收到的昼间等效A声级Ld;

2)然后以高架桥的每一跨为自然分段,逐步增加高架桥两侧每一跨声屏障的高度,每段声屏障的初始高度从0开始,以0.5 m为一档阶梯状连续增加,直至高架桥沿线两侧所考察的建筑物立面上监测点接收到的昼间等效A声级Ld不高于我国《GB 3096—93城市区域环境噪声标准》中规定的第4类标准昼间70 dB(A)的限值。

5.3 优化设计计算结果

图5给出了经过优化设计后,高架桥两侧的声屏障的分段高度示意图。图中的横坐标表示高架桥桩号位置,纵坐标为声屏障的高度。

图5 声屏障优化设计结果示意图

从图5中可以看出,由于高架桥沿线散布的建筑物距轨道中心线的间距不等,其空间分布方位、体型、层数等参数也不同,因此对沿线这些分散的目标进行噪声防护的声屏障也随着高架桥的走向而变化,故经优化设计的声屏障在外观形态上呈现出高低错落的分段阶梯状。

5.4 结果分析

本研究提供了在设定的计算参数条件和优化目标下,高架桥两侧直立式声屏障理论上的优化设置方案。计算结果显示,声屏障的高度经过优化后,高架桥沿线两侧所考察的建筑物立面监测点的噪声水平基本上都达到了GB 3096—93中规定的第4类标准70 dB(A)的限值。

在实际工程设计中,声屏障的设计是一项很复杂的系统工程,涉及到声学设计、结构设计和景观设计等多学科知识。声屏障设计时应遵循一些原则[7],并结合工程实际要求来进行[8]。

6 结语

城市轨道交通产生的环境噪声问题,已随着公众环保意识的增强而日益引起关注。城市轨道交通建设的工程规模庞大,线路长,影响范围广,地理和建筑环境复杂,数值模拟的计算量庞大。如何采用恰当的技术手段对大型的城市轨道交通工程的环境噪声影响进行适当的评估,是一个具有一定挑战性的技术问题。目前国内外可供参考的案例尚不多见。本文在此方面做了探索,以深圳地铁1号线续建工程为例,采用先进的计算机数值模拟仿真方法,建立了整条高架线路的大型环境噪声数值模拟仿真计算模型;在数值建模中,参考设计单位提供的高架桥、沿线地形和建筑环境规划图,以及Google Earth提供的卫星地图,力求准确模拟工程所在地的地形地貌和建筑环境;给出了受影响区域水平面、横剖面,以及沿线建筑物接收到的噪声水平等详尽的研究结果;对设置声屏障前后的降噪效果进行了仔细分析比较,并给出了声屏障的优化设计方案。本文研究将对深圳地铁1号线续建工程科学合理地进行环境噪声影响的防护,以及类似大型轨道交通工程的环境噪声研究具有一定的参考价值。

[1]GB 3096—93 城市区域环境噪声标准[S].

[2]GB 12525—90 铁路边界噪声限值及其测量方法[S].

[3]刘加华,练松良.城市轨道交通振动与噪声[J].交通运输工程学报,2002,2(1)：29.

[4]葛世平.城市轨道交通的振动和噪声对环境的影响及其对策[J].城市轨道交通研究,2003(3)：30.

[5]雷晓燕.城市轨道交通环境振动预测与评价[J].城市轨道交通研究,2008(11)：12.

[6]佟丽华.城市轨道交通噪声控制方法及其对策研究[J].城市公共交通,2005(9)：27.

[7]刘岩,张晓排.声屏障—降低城市轨道交通噪声的重要途径[J].建筑学报,2002(11)：48.

[8]朱立鹏,马申易.高架轨道交通声屏障设计简述[J].地下工程与隧道,2005(2)：14.