城际铁路单侧高层建筑物声屏障形式设计研究

果 健

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

城际铁路单侧高层建筑物声屏障形式设计研究

果 健

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

选择合理的声屏障形式与高度，可有效降低噪声污染、减少搬迁量。设置声屏障，是控制声传播途径的最有效办法。以某城际铁路穿越城市建成区，为保护单侧高层声环境敏感建筑为例，通过对直立式声屏障、全封闭声屏障和半封闭声屏障的比选，确定声屏障形式选用半封闭式。在满足接触网、桥梁等专业要求的基拙上，通过声学计算、结构检算，确定半封闭式声屏障总高度为8m，跨度11.3m。对于列车设计时速250km及以下时速的城际铁路，设置半封闭式声屏障，单侧降噪效果在8.7～11.2dB，可满足铁路边界噪声限制要求。

城际铁路；声屏障；声环境；高层建筑；环境保护

1 概述

随着我国城市群规划的逐步实施,城际铁路的建设进入了一个新的发展高峰。有效防治城际铁路两侧的噪声污染不仅仅是一个重要的环境问题,也是一个倍受社会关注的热点问题。城际铁路,是指在人口稠密的都市圈或者城市带修建的高速铁路客运专线系统,特点是相对短距离、公交化。随着国家城市化进程的发展和城市群规划的逐步实施,城际铁路的修建进入了一个新的发展期,其带来的交通噪声对居民的影响也越来越明显,随之产生的高速铁路噪声污染亦将引起铁路两侧公众的强烈反应［1]。城际铁路在设计选线时,已最大限度地绕避了各种环境保护目标,但是城际铁路必须进入城市的建成区或者规划区,才能够实现其公交化的使用功能［2,3]。因此,引入城区路段时,经常会遇到线路单侧无法绕避高层建筑声环境保护目标,须设置不同形式的声屏障,以保证保护目标的使用功能［2]。目前,仅在我国南方地区某高速铁路设置一处半封闭式声屏障,现已开通运营,顶部为平顶结构,造价较高,且顶部雨(雪)水排放及灰尘沉积的问题没有得到有效地解决。鉴于国内外高速铁路在封闭式、半封闭式声屏障的研究较少,因此中铁工程设计咨询集团有限公司于2009～2011年开展了“城际铁路封闭声屏障专题研究”。2011年10月,中国中铁股份公司对该课题进行科研评审(中铁股份技评字［2011]第111号),评审意见为:“……从安全,经济,降噪效果等方面均满足要求,具有国内领先水平”。本文结合上述课题研究成果,以某城际铁路设计为例,介绍线路单侧遇无法绕避的高层建筑时,选择合理的声屏障设置形式。

2 工程概况

某城际铁路设计时速250 km,进入城区路段后为桥梁和路基形式,线路左侧分别为某既有铁路、某城市轨道交通高架线路以及高速公路,线路右侧为一处声环境保护目标(以下简称保护目标),保护目标距铁路轨道最近距离为20 m,为2栋23层建筑,共计368户。若实施工程搬迁,预计搬迁费用高达12.42亿元,搬迁受影响人数预计超过1200人。城际铁路与保护目标位置关系见图1。

图1 保护目标与新建城际铁路位置关系（单位：m)

目前,该处保护目标主要受既有铁路、轨道交通及公路噪声影响。经过初步计算,由于新建城际铁路的开通,既有铁路列车对数明显减少,加之对既有铁路采用无缝钢轨等降噪措施,既有铁路对保护目标的声环境影响较现状将降低3dB左右；新建城际铁路设置合理形式的声屏障,对其他线路有遮挡作用:其中既有铁路对6层以下住户的影响可降低5 dB左右,轨道交通及高速公路对4层以下住户的影响可降低2 dB左右。考虑到实施搬迁难度较大,设计确定,通过合理设置声屏障,以降低城际铁路运营对该处声环境敏感建筑的影响。

3 声屏障形式选择

通用的声屏障形式主要有直立式声屏障、全封闭声屏障和半封闭声屏障3类。

(1)直立式声屏障为悬臂结构,由于保护目标为高层建筑,直立式声屏障设置高度需超过20 m,在风荷载及列车气动力共同作用下引起的弯矩无法接受,且严重影响保护目标的采光需要,不应采用。

(2)全封闭声屏障对于外部两侧敏感建筑降噪效果较好。但是城际铁路列车快速通过全封闭声屏障引起的空气动力效应(压力波、空气阻力、列车风、微气压波等)对列车运行的安全性及周围环境均有不良影响。当列车高速进入封闭结构时,类似活塞进入气缸情况,空气流动受到声屏障壁面限制被阻滞,使列车前端静止的空气受到激烈挤压,该压缩波以音速沿声屏障封闭空间向前传播,被列车挤压的另一部分气体通过列车和声屏障所形成的环状空间向列车后方流动,在入口处形成喷射流喷射出结构,从而引起出口微压波噪声污染。由于列车前部压缩波的压差比在开阔地时对普通声屏障的脉动力要强很多,因此全封闭结构单元板所需要的强度要求更高,对钢结构框架的刚度要求也更高,特别是双线结构,由于列车行驶在一侧,框架结构两侧的压力不均,框架的侧向负荷比半封闭结构要大。经计算,列车速度为250 km/h时,声屏障壁面压力达到3.5 kPa,敞开式的声屏障在列车速度250 km/h时,脉动力基本值只有0.52 kPa,考虑脉动力放大系数后为1.2 kPa,可见同样速度内壁面的压力比敞开式声屏障压力大3倍左右。

(3)如图2所示,半封闭声屏障封闭侧噪声基本被阻隔,噪声只能从开口侧溢出,形成的衍射区域也很难影响到封闭侧,因此对封闭侧的降噪效果明显,对于单侧敏感建筑降噪效果较好,可很大程度降低铁路噪声对高层建筑的影响,同时快速列车运行风压对结构影响较少,普通声屏障材料可满足使用要求。因此设计推荐采用半封闭式声屏障。

图2 半封闭声屏障声学区域示意

4 声屏障声学计算

在噪声预测及声屏障降噪效果计算前,对保护目标噪声现状进行检测,分为对既有铁路的监测、对轨道交通的监测、对现状及背景噪声值的监测,因保护目标为高层建筑,对不同楼层的噪声现状及背景值进行了监测。

依据《声学户外声传播的衰减第2部分:一般计算方法》(GB/T17247.2―1998)及《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》(铁计函［2010]44号),根据已获得的声源源强的数据和各声源到预测点的声波传播条件资料,计算出噪声从各声源传播到预测点的声衰减量,由此计算出各声源单独作用在预测点时产生的A声级。选用建设项目声源在预测点产生的等效声级贡献值(Leqg)计算公式

式中 Leqg―――建设项目声源在预测点的等效声级贡献值,dB(A)；

LAi―――声源在预测点产生的A声级,dB(A)；

T―――预测计算的时间段,s；

ti―――i声源在T时段内的运行时间,s。

铁路噪声预测等效声级LAeq,p的基本预测计算式

式中 T―――规定的评价时间,s；

ni―――T时间内通过的第i类列车列数；

teq,i―――第i类列车通过的等效时间,s；

Lp0,t,i―――第i类列车最大垂向指向性方向上的噪声辐射源强,为A计权声压级或频带声压级,dB(A)；

Ct,i―――第i类列车的噪声修正项,为A计权声压级或频带声压级修正项,dB(A)；

tf,i―――固定声源的作用时间,s；

Lp0,f,i―――固定声源的噪声辐射源强,可为A计权声压级或频带声压级,dB(A)；

Cf,i―――固定声源的噪声修正项,可为A计权声压级或频带声压级修正项,dB(A)。

其中考虑各项噪声修正值:(1)等效时间；(2)列车运行噪声计算速度按设计最高速度的90%确定；(3)列车运行噪声垂向指向性修正；(4)固定声源指向性修正；(5)列车运行噪声几何发散损失；(6)大气吸收；(7)地面效应声衰减。

噪声源强值确定:因某城际铁路采用宽度12.2 m的箱形梁,带0.7 m高防护墙,所以桥梁部分源强值在《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》(铁计函［2010]44号)基础上增加3 dB。

在不考虑声屏障的情况下,预测铁路运行噪声结果见表1。

表1 无声屏障措施铁路运行噪声预测对照dB

在不考虑声屏障的情况下,铁路运营噪声超标量在2～10 dB,其中夜间超标严重。

半封闭式声屏障声学计算:半封闭声屏障设计暂按最高处高度8.5 m,跨度约为12 m。列车运行噪声按线声源处理,根据《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/ T90―2004)中规定的计算方法,对于声源和声屏障假定为无限长时,屏障声绕射衰减Ct,b,i可按下式计算

式中 f―――声波频率,Hz；

δ―――声程差,m；

c―――声速,c=340 m/s。根据声屏障遮挡衰减公式,对半封闭声屏障遮挡衰减进行等效计算,以受声点(R)与发生源(S)的连线为等效地面进行计算。如图3所示。

敏感点高23层,按上部遮挡面积不同情况进行预测(图3中保护目标第23层,顶部全覆盖声屏障)。经计算,不同楼层、不同顶部遮蔽面积的衰减量预测结果见表2。

通过表2可知:

(1)随着顶部封闭面积的增加,对高层建筑降噪效果明显改观,对低层建筑降噪效果影响不大；

图3 保护目标第23层,顶部全覆盖声屏障预测示意

(2)声屏障顶部全遮蔽可降噪声在8.6～10.4 dB,并且对于远轨降噪效果明显；

(3)根据声衰减以及遮挡计算,安装半封闭声屏障后可满足铁路边界噪声限值要求。

根据声衰减以及遮挡计算,对不同声屏障形式进行衰减计算,最终确定采用顶部全覆盖式半封闭声屏障可满足铁路边界噪声限值要求。

为彻底解决了顶部雨(雪)水排放及灰尘沉积的问题,声屏障的顶部设计为拱形,两侧面设计为直立式,这一构造形式还同时兼顾了景观和结构安全(风载、雪载)等因素。

表2 衰减量预测结果汇总dB

5 声屏障最终形式的确定

根据《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T90―2004),如图3所示,可定性认为:半封闭式声屏障高度越低,降噪效果越好。通过计算,将接触网悬挂类型由全补偿简单链形悬挂修改为:通过吊柱与声屏障合架,接触悬挂采用吊柱安装方式,悬挂点跨距40～50 m,上、下行吊柱顺线路向错开,间隔距离为4 m。采用这种方案可进一步降低声屏障的整体高度,半封闭式声屏障总高度可降低为8 m。经计算,当半封闭式声屏障总高度为8 m时,可降噪声在8.7～11.2 dB,降噪效果明显优于8.5 m方案。总高度8 m方案较8.5 m方案每延m造价降低约2 900元。

根据声学计算结果及箱梁梁宽,最终选定接触悬挂采用吊柱安装方式吊于声屏障顶部,声屏障总高度为8 m,两侧直立部分钢立柱高度6.5 m,拱顶高1.5 m,声屏障跨度11.3 m(图4)。

随后,利用三维设计软件进行三维建模,利用有限元分析软件进行分析,主要分析计算框架结构的自振频率以及在不同荷载工况下的应力分布状况,位移状况,对截面参数或者结构进行调整,选择合适的支撑构件,计算半封闭声屏障系统的自振频率,避免列车脉动力激振时发生共振,通过反复调整和验算,直到满足规定的应力,自振频率和位移限值,最终得出结论认为半封闭式声屏障受力具有合理性和可行性。

图4 建成后效果图

6 结语

城际铁路采用半封闭式声屏障可达到单侧有高层建筑物的降噪效果,能满足铁路建设及运营、保护环境的要求,具有可实施性。此种形式的声屏障在城际铁路上的应用前景广阔,适用于列车设计时速250 km及以下时速的城际铁路在单侧有高层噪声敏感建筑的声屏障设置要求,对以后同类型的声屏障设计具有较好的借鉴意义和参考价值。

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［12]齐楠,栗健,陈淑连,等.一种声屏障板固定装置:中国,ZL 2012 2 0414790.4［P].2013-03-13.

［13]朱梅,栗健,陈淑连,等.防感应电流声屏障:中国,ZL 2012 2 0414820.1［P].2013-03-13.

Design Study on the TyPe of Sound Barrier for Protecting High-rise Buildings along Single Side of Intercity Railway

LI Jian
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

Sound barrier is the most effective way to control sound transmission.And selecting reasonable sound barrier type and height can effectively reduce the noise pollution and the relocation quantity.In this paper,a sound barrier project was taken as an example,which was designed to protect the sound-sensitive high-rise buildings located at one side of an intercity railway which passes through an urban built-up area.Through comparison among upright type sound barrier,fully-enclosed type sound barrier and semi-enclosed type sound barrier,this paper decided to use the semi-enclosed type sound barrier.And then on the premise of meeting the requirements of catenary,bridge and other relevant subjects,and by means of acoustic calculation and structural calculation,this paper determined that this semi-closed type sound barrier should be eight meters in height and 11.3 meters in span length.It is concluded in this paper that for the intercity railway with design speed of 250km/h and below,the noise reduction effect at single side of the railway can reach to 8.7 to 11.2 dB by using the semi-closed type sound barrier,meeting the requirement on noise limit nearby railway.

intercityrailway；soundbarrier；acousticenvironment；high-risebuilding；environmental protection

U239.5；X827

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.036

1004-2954(2014)07-0153-05

2014-03-04

中铁工程设计咨询集团有限公司科研项目(研2011-22)

栗 健(1972―),男,高级工程师,1995年毕业于兰州铁道学院给水排水工程专业,工学学士,E-mail:460672367@qq.com。