高速铁路噪声影响评价研究

苏卫青

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

高速铁路噪声环境影响评价的目的,是通过正确的预测方法,准确预测铁路沿线声环境保护目标受噪声影响的程度,将预测结果与沿线敏感目标应执行的噪声标准对照,根据受影响程度及超标情况,提出合理可行的治理措施。目前我国已有6 920 km高速铁路投入运营,其中,京津城际、武广客运专线、郑西客运专线、沪宁城际、沪杭高铁等线路列车运行速度达到350 km/h,通过测试分析研究,高速铁路噪声存在以下两个特点：第一,噪声源组成复杂、声能量水平高、声源呈宽频特性；第二,由于列车运行速度快、列车运营密度高,造成昼、夜等效声级高。因此,高速铁路噪声环境影响评价预测、措施应针对高速铁路的声源特性,执行的评价标准应具有可达性。鉴于此况,本文提出中国高速铁路噪声环境影响评价的几点建议。

1 高速铁路环境影响评价声源位置确定

目前铁路噪声环境影响评价均采用铁道部铁计[2010]44号文推荐的预测方法,将声源位置等效至一点进行预测,常规的做法是将声源位置简化为位于轨面以上0.5～1.0 m处,对于一般线路而言,预测结果基本与实际情况相吻合,预测精度满足环境影响评价要求。但高速铁路噪声源由轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声、结构物噪声四部分组成[1],声源位置较普通铁路发生较大变化,现就高速铁路噪声源位置进行探讨。

1.1 高速铁路噪声源组成

高速铁路不同速度下噪声辐射水平测试结果表明,第一,高速铁路噪声源,现场高速列车车外声源识别测试结果如图1所示。每部分噪声对总噪声水平的贡献量因列车运行速度不同而不同,随着列车速度的提高,空气动力噪声及集电系统噪声的贡献随之增大。第二,中国高速铁路桥梁区段的噪声辐射水平较路基区段低,差值在6 dB左右,分析其原因,主要与桥梁、路基的结构形式,动车组车辆、弓网结构形式和列车/线路系统匹配特性等有关。

图1 高速铁路噪声源识别测试结果

1.2 高速铁路声场分布特性

为确定高速铁路空间声场分布特性,测试了距离高速铁路外轨中心线15 m、不同高度处动车通过时段的平均等效声级空间分布情况。图2给出了350 km/h运行速度下，CRH2型高速列车在不同线路区段下的车外运行噪声的垂直分布特性。

由图2可见,不管是线性计权还是A计权,路堤区段的车外运行噪声都要比桥梁区段的高,不同位置处,两者之间的差值不同。整体上,在高速列车下部和对应弓网位置处,两者之间的差值更大些。

为了进一步了解同一线路区段上两种类型高速列车的声辐射差异,图3分别给出了260、300和350 km/h列车运行速度下,CRH2型和CRH3型高速列车在桥梁区段的A计权声压级垂直分布特性测试结果。

由图3可知,CRH3型高速列车车外运行噪声要比CRH2型的略高,且两者之间的垂直分布特性差异较大,主要区别在列车下部位置,但总体上,列车上部的声辐射要比下部的大,从测试数据看,上部要比下部大6 dB左右。随着列车速度的提高,车外噪声辐射的垂向分布特性会发生一定的变化,列车速度越高,上部噪声越来越凸显。

对比图2和图3相关测试结果可知,线路区段对高速列车车外声辐射的垂向分布特性影响也较显著,CRH2在路堤区段运行时其在列车下部有局部峰值,但该峰值在桥梁区段没有再呈现。

图2 高速列车车外运行噪声垂直分布(速度350 km/h)

图3 高速列车车外运行噪声垂直分布统计特性

1.3 声源位置建议

由中国高速铁路声场分布特性测试结果看可知,无论是CRH2还是CRH3型动车组列车,无论是桥梁区段还是路堤区段,列车上部的声辐射水平均较列车下部高,对应弓网位置处均出现峰值,且列车运行速度越高,上部噪声越突显,已运营的京津城际铁路、武广客运专线等时速300 km以上的高速铁路声场分布特性测试结果均表明,由于高速铁路各部分声源贡献量的变化,对应的声源位置有所提高,若仍按照轨面以上0.5～1.0 m进行简化则在措施前后声级水平的预测中将存在较大的误差；根据测试结果,当列车运行速度达到300 km以上时,辐射声级峰值出现轨面以上3.5～5 m位置处,建议对时速达到300 km高速铁路进行噪声预测时将等效声源的位置适当予以提高,初步建议轨面以上3.5 m处。

2 高速铁路桥梁段噪声预测探讨

京津城际、武广客运专线高速铁路声场分布特性测试结果表明,路堤区段的车外运行噪声均比桥梁区段的高,路堤区段列车下部辐射噪声有局部峰值,而桥梁区段未出现,30 m处噪声等效声级测试结果表明,桥梁区段较路堤区段声级低；沪宁、沪杭高铁30 m处噪声等效声级测试结果表明,桥梁区段噪声较路堤区段高,详见表1。

表1 已运营高速铁路桥梁、路堤等效声级测试结果

由表1可知,京津城际、武广客运专线桥梁、路堤等效声级测试结果与沪宁、沪杭高铁不同,分析其原因,4条高速铁路桥梁段均采用箱梁、盆式橡胶支座、CRTSⅡ型无砟轨道板,不同的是,京津城际和武广客运专线设置了1.0 m高的防护墙、防护墙距线路外轨中心2.2 m,而沪宁、沪杭高铁防护墙高度为0.7 m、防护墙距线路外轨中心1.9 m,说明防护墙对降低噪声起到一定作用,并且防护墙高度、位置不同,对降低噪声的效果不同。

铁道科学研究院在京津高速铁路、武广客运专线等高速线路噪声实测的基础上,对《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见》(铁计[2006]44号)文[4]中的噪声源强进行了修改,修改后无砟轨道、动车组列车的源强值较“原44号文”建议的取值有所降低,并且明确参考源强的边界条件为桥梁、设置防撞墙工况。但多条已运营高速铁路噪声级测试结果表明,桥梁上设置的防护墙对降低噪声起到一定作用,为使预测结果更接近实际,建议根据工程设计中确定的防护墙高度、位置考虑防护墙对桥梁段噪声预测的影响。

3 高速铁路噪声衰减特性探讨

3.1 高速铁路噪声衰减分析

京津高速联调联试测试结果表明,动车组通过时段的平均等效声级Leq与距铁路外轨中心线距离衰减公式为：Leq=k× lg(r/r0),其中k的取值范围在10～15,即高速列车在路堤区段和桥梁区段辐射声级与距线路距离的变化关系基本相同,距线路距离加倍,辐射声级衰减3～4 dB,符合有限长线声源随距离衰减规律。

京津高速铁路竣工环境保护验收调查报告,对京津高速铁路与普速铁路噪声水平衰减情况进行了对照,结果如表2、表3所示。

表2 京津高速铁路噪声水平衰减断面数据 dB

表3 朔黄铁路重载运煤列车噪声水平衰减断面数据 dB

由表2可见,高速铁路噪声昼、夜1 h等效连续声压级的距离衰减特性与普速铁路噪声的存在较大的差异,高速铁路噪声的距离衰减很慢,随着距离的加倍,昼、夜1 h等效连续声压级的衰减量小于2 dB。从30 m到120 m,距离增加4倍,而噪声级减小仅为4 dB,相同情况下,普速的则可高达11.0 dB,两者差异非常大。因此,对高速铁路噪声特性的认识,必须依据高速铁路自身的测试结果或分析结论,已有普速下的规律可能不再适用。

3.2 频率特性分析

图4给出了350 km/h速度下高速铁路桥梁区段和路堤区段距铁路外轨中心线15 m远,距钢轨顶面1.2 m和3.5 m高处的运行噪声频谱分布。

图4 高速列车车外运行噪声频谱

由图4可见,高速列车车外运行噪声具有较显著的低频特性,线性计权声压级的显著频段主要体现在31.5～63 Hz的低频区段。整体上,路堤区段各频段的声压级都要比桥梁的略大尤其在1 250～4 000 Hz频率区段,两者差值更显著。对1.2 m测点,A计权声压级的峰值频率出现在1 600 Hz频率区段,且显著频率区段为800～2 500 Hz；对3.5 m测点,桥梁区段的峰值频率出现在800 Hz,显著频率区段为500～2 500 Hz,路堤区段的峰值频率出现在2 000 Hz频率区段,显著频率区段为800～4 000 Hz。

3.3 距离衰减建议

高速列车运行噪声频谱测试结果表明：高速列车运行噪声具有较显著的低频特性,京津高速铁路竣工环境保护验收调查报告中提出的“高速铁路桥梁路段的噪声级距离加倍,衰减量小于2dB”[5],与普速噪声的衰减规律有很大差异,这一结论与高速铁路车外运行噪声频谱测试结果相吻合,因为低频噪声随距离的衰减较慢。建议进一步测试研究高速铁路在不同线路区段的噪声距离衰减特性,为高速铁路噪声影响预测及评价标准的确定提供依据。

4 中国高速铁路噪声执行标准的建议

尽管中国高速铁路已采取无缝线路、7 000 m曲线半径、无砟轨道、合理路基填筑、桥梁自重加大等技术,车头、车体、车辆连接部、转向架、受电弓等部位进行了优化,上述措施均可起到从源头降低高速铁路噪声的作用,但由于中国高速铁路列车运营速度高、列车流密度大,导致了高速铁路沿线的昼、夜等效声级仍然很高。

目前高速铁路噪声环境影响评价中,环境管理部门仍要求执行功能区标准[7]。根据京津城际铁路竣工环境保护验收调查结论,京津城际铁路已经采取了现阶段所能采取的几乎全部的降噪措施,昼夜等效声级仍不能满足2类区标准限制要求。已开通运营的武广、郑西、沪杭等其他时速300 km以上的高速铁路噪声等效声级测试结果亦表明,在采取了声屏障等降噪措施后,昼、夜等效声级仍不满足2类区标准限值要求,测试结果详见表4。

中国高速铁路的特点是：高架桥所占比例大,占线路总长度的60%以上,声屏障设置在桥梁遮板上、距线路外轨中心3.4 m,受列车运行脉动力影响,要求连接声屏障的基础预埋件能承受脉动力的影响,而桥梁宽度12 m,声屏障基础预埋件规格受到限制,导致高速铁路桥梁段声屏障高度及形式不能完全按照降噪要求设置。高速铁路桥梁区段由于二次结构噪声影响,

表4 已运营高速铁路噪声等效声级测试结果

具有显著的低频特性,声屏障对该部分噪声几乎起不到作用,这部分噪声衰减慢、难治理,建议给予进一步的重视,开展相关研究,寻求有效抑制噪声的措施。

综上所述,建议高速铁路评价范围内执行的标准不再按功能区划分,根据已运营线路噪声测试结果,铁路边界外执行70、65dB(A)的标准限值要求,这样符合我国高速铁路特点,采取适当的治理措施后,高速铁路沿线的环境噪声才可能满足标准限值的要求[6],亦便于环境保护行政主管部门对高速铁路沿线声环境的管理。

5 结论

中国高速铁路列车运行时速达到350 km,噪声源由轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声、结构物噪声4部分组成,每部分噪声的频谱特性不同,不同位置处各部分噪声的声级水平不同。本文结合工程实践,在对现场测试结果分析的基础上,提出高速铁路噪声环境影响评价预测、措施、执行标准等方面的建议,供高速铁路噪声环境影响评价参考,具体如下。

(1)高速列车车外运行噪声具有较显著的低频特性,线性计权声压级的显著频段主要体现在31.5～63 Hz的低频区段,A计权声压级的显著频率主要体现在800～2 500 Hz。

(2)路堤区段的车外运行噪声都要比桥梁区段的高,不同位置处,两者之间的差值不同,平均为6 dB。总体上,列车上部的声辐射要比下部的大,从测试数据看来,上部要比下部大6 dB左右。随着列车速度的提高,车外噪声辐射的垂向分布特性会发生一定的变化,列车速度越高,上部噪声越来越凸显。

(3)高速铁路噪声昼、夜1 h等效连续声压级的距离衰减特性与普速铁路噪声的存在较大的差异,高速铁路噪声的距离衰减很慢,随着距离的加倍,昼、夜1 h等效连续声压级的衰减量小于2 dB。从30 m到120 m,距离增加4倍,而噪声级减小仅为4 dB,相同情况下,普速的则可高达11.0 dB,两者差异非常大。因此,对高速铁路噪声特性的认识,必须依据高速铁路自身的测试结果或分析结论,已有普速下的规律可能不再适用。

(4)高速铁路噪声声源组成、衰减特性和频谱特征都有别于普速铁路,建议对其作进一步针对性的研究；在噪声环境影响预测中,建议等效声源位置根据实测结果适当提高。

(5)由于声源位置高、声级水平高、噪声随距离衰减慢,声屏障对高速铁路的降噪效果有限,从声源、传播途径等方面采取措施后,高速铁路沿线噪声水平仍不能满足功能标准限值要求,建议高速噪声执行标准不再按功能区划分,铁路边界外、评价范围内执行标准为昼间70 dB、夜间65 dB。

[1] 铁道科学研究院.京津城际无砟轨道线路噪声、振动特性及控制措施的研究[R].北京：铁道科学研究院,2008.

[2] 铁道科学研究院. 铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见(2010年修订稿)[Z].北京：铁道科学研究院,2010.

[3] 环境保护部环境工程评估中心. 新建铁路北京至天津城际铁路客运专线竣工环境保护验收调查报告[R].北京：环境保护部环境工程评估中心,2009.

[4] 中华人民共和国环境保护部.GB12525—90 铁路边界噪声限值及其测量方法修改方案[S].北京：中国环境科学出版社，2008.

[5] 中华人民共和国环境保护部.GB3096—2008 声环境质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2008.

[6] 中华人民共和国铁道部.TB/T3122—2005 铁路声屏障声学构件技术要求和测试方法[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10501—98 铁路工程环境保护设计规范[S].北京：中国铁道出版社，1998.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S]．北京：中国铁道出版社，2009.