城市轨道交通近轨吸声矮墙的设计研究

朱万旭,高逸豪,周红梅,3,张瑞东

(1.广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州 545006； 2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林 541004； 3.柳州汉西鸣建材发展有限公司,广西柳州 545006)

目前我国正处于城市轨道交通建设迅猛发展的时期，截止2015年末，我国累计有26个城市建成投运城轨线路116条，运营线路长度3 618 km，预计到2020年，将有约50个城市拥有城市轨道交通，总里程将达到6 000 km。然而，随之带来的噪声污染问题也更加严重，对人们的健康、生活与工作带来很多负面影响。

目前的轨道交通降噪措施，按其基本原理可以大致划分为两类[1]。一是主动降噪，即降低轮轨振动，减少噪声源产生的噪声，其主要方式有：(1)对钢轨和车轮进行打磨，铺设无缝钢轨；(2)对车轮进行形状优化和阻尼处理；(3)对轨道结构进行优化，例如采用轨道减振器、减振扣件，使用新型的浮置板式轨道等。二是被动降噪，即在噪声传播的途径和接受处对于噪声进行削弱，其主要方式有：(1)在轨道沿线布置声屏障；(2)在道床上铺设轨道吸音板；(3)为受保护区房屋安装隔声窗和隔声墙。

由于主动降噪涉及到整个列车及钢轨制造产业的技术革新，虽然我国在主动降噪方面的研究也日益成熟，但鉴于目前我国现有的工业发展水平和现有的城市规划布局，短时间内无法进行大规模的轮轨体系升级，故以被动降噪来减少降低轨道交通噪声在我国仍是十分经济有效的方式，其中声屏障技术在我国被广泛使用。

我国目前使用的声屏障通常高度大于3 m，虽然能有效地降低列车通过时产生的噪声，但是同样带来了一些不便。国外早在20世纪对于传统声屏障的缺点进行了总结：一是车内乘客和沿线居民的视线被高大的声屏障所遮挡，高大的屏障使人产生不必要的心理压力，破坏了沿路的景观；二是由于考虑到行车安全，通常声屏障需要设置在距离铁路中线较远的地方，占用了铁路沿线过多的空间，并且其本身体积较大，生产安装维护需要消耗的人力物力也会更多，增加了铁路建设运营的成本[2]。

基于解决上述声屏障的缺点，20世纪90年代末，欧洲许多国家先后开始研究发明了近轨吸声矮墙，在某些铁路试点替代传统声屏障作为控制轨道噪声的手段[3]。而后，欧、美、日、韩各国也对于近轨吸声矮墙进行了研究和应用，经过各国的研究测试证明，近轨吸声矮墙的降噪量可以达到5～12 dB(A)[4]。

我国目前对于近轨吸声矮墙的研究还非常少，该技术还尚未在我国进行推广，而国外的吸声矮墙制造商尚未透露设计该产品的相关流程和具体参考标准。本文将参考国外已知的近轨吸声矮墙的各项参数，根据我国的相关铁路法规和标准来进行设计，为国内今后在实际工程中研发具有我国自主知识产权的近轨吸声矮墙提供参考。

1 城市轨道交通噪声的分析

轨道交通由固定的轨道和运动于轨道上的输送系统组成，按照不同的噪声产生部位，通常将轨道噪声做如下划分。

(1)轮轨噪声。由于钢轨与车轮之间的相互作用，造成车轮和轨道振动产生的噪声，又分为滚动噪声、冲击噪声以及曲线高频噪声，主要以中低频成分为主。

(2)牵引动力噪声。主要来自牵引电动机、压缩机、发动机、齿轮箱等动力设备的运转产生的噪声，同时包括架空接触网与集电弓之间产生的摩擦噪声。

(3)制动噪声。列车制动时，闸瓦与制动盘之间的摩擦振动激发制动闸瓦片、闸托架以及制动盘等产生振动辐射而产生的噪声，同时制动悬挂连件之间的间隙在运行中互相撞击也会产生噪声。

(4)气动噪声。车辆运行时，气流黏滞性在车辆表面引起附面层压力的变化，激发表面振动，产生气流旋涡和摩擦冲击而形成的高频噪声。

(5)轨道结构噪声。车辆通过高架、地下隧道或者线路上部建筑物时，由于轮轨表面相互作用产生振动，并通过轨道、桥梁、地基等传递能量，从而导致桥梁、地下结构、附近建筑物的振动而产生的低频噪声。

研究表明，我国城市轨道交通速度通常在60～80 km/h，此时噪声的主要来源是轮轨噪声，噪声源位于列车下部的轮轨接触面附近。经过大量研究和测试，得到我国城市轨道交通噪声的频谱特性，见图1。噪声主要峰值分布在1 000 Hz以下，而目前我国城轨线路中占比最多的为高架线路，其噪声峰值位于500～800 Hz之间[5]。

图1 我国城市轨道噪声地面线与高架线的频率特性

2 近轨吸声矮墙的设计依据及材料选择

2.1 近轨吸声矮墙降噪原理

当噪声源发出的声波遇到障碍物时，将沿着3条路径传播。

(1)绕射：噪声越过障碍物顶部绕射到达受声点，直达声与绕射声之间的声级之差，称之为绕射声衰减，用ΔLd表示，其大小随着绕射角θ的增大而增加[6]。

由于吸声矮墙的长度比高度大得多，两端的绕射可被忽略，此时只考虑顶端绕射。如图2所示，图中阴影部分被称作声影区，此处为绕射声级较低的区域。由图2可以看出，声影区的面积、绕射角θ的大小与障碍物的高度成正比，与障碍物距离声源的距离成反比。因此，通过在近声源处通过吸声矮墙来降低顶部绕射声的大小是可行的。

图2 声波绕射路径

(2)透射：噪声透过障碍物播到受声点，透射声会对吸声矮墙的降噪能力造成不利的影响。当隔声量大于绕射声损失10 dB时，透射声对衰减量的影响小于0.5 dB，可忽略不计[7]。因此，在设计过程中要保证矮墙的隔声量大于其预期噪声衰减量15～20 dB。

(3)反射：噪声遇到障碍物时发生反射，当受声点一侧同样存在平行的障碍物时，声波将多次反射，并绕过障碍物顶部到达受声点。由于吸声矮墙靠近轨道，噪声不可以避免地会在矮墙与车身之间多次反射。因此，在设计矮墙时需要保证其材料具有良好的吸声性能。

2.2 吸声矮墙的材料

目前使用较为广泛的吸声材料中，微穿孔板吸声频带较窄，橡胶有机类材料易燃，矿棉类无机纤维材料难施工，铝纤维金属板造价较高。以工业废渣为主要原料制作的陶粒混凝土，造价低廉、质轻、耐腐蚀、耐火，其内部特征呈细密蜂窝微孔状，是适合在城市轨道交通中大力推广的绿色吸声材料。

在前期研究中，广西科技大学李建立等人用陶粒作为骨料，普通硅酸盐水泥作为粘结剂，加以聚丙烯纤维、外加剂制成陶粒混凝土，以该陶粒混凝土为原材料制成的轨道吸音板经国家建筑质量监督检验中心检测，吸声性能等级达到了I级[8-12]，该材料的混响室吸声系数检测结果见图3。

图3 自研陶粒混凝土各频率吸声系数

对比图1和图3，初步认为，该陶粒混凝土的吸声系数频率分布与我国城轨噪声频率分布有大量重叠部分，且其吸声系数最大值刚好位于我国城轨噪声峰值频段区域，采用该陶粒混凝土为原材料，设计近轨吸声矮墙是可行的，该材料的相关参数见表1、表2。

表1 陶粒混凝土产品的配合比

表2 陶粒混凝土产品的相关参数

3 近轨吸声矮墙的设计

3.1 国外吸声矮墙的相关设计

瑞士联邦铁路局在国际铁路联盟会议上对于欧洲不同种类的轨道吸声矮墙进行了介绍和总结[13]：欧洲的轨道吸声矮墙通常高出轨面0.5～0.85 m，安装在距轨道中心线水平位置1.7～1.8 m，见表3。

表3 国外吸声矮墙设计参数

注：高度均为吸声矮墙顶部高于轨面的高度，位置为吸声矮墙内侧表面距离轨道中心线水平距离。

3.2 近轨吸声矮墙的高度设计

轨道吸声矮墙的高度设计原则是：需要在最大化减少对于两侧视线的遮挡的前提下，尽可能地提高其降噪性能。吸声矮墙的设计高度h由两部分组成，见式(1)。

h=h′+h″

(1)

式中，h′为吸声矮墙的有效高度，mm；h″为钢轨的高度，mm。

以我国目前城市轨道交通中使用最多的城市地铁为设计基准，目前我国地铁的车辆按车型分为A、B、C三类，其相关尺寸参数见表4。

表4 我国地铁各类车型的相关技术规格

由于轨道吸声矮墙需安放在靠近列车车身的位置，为了应对列车运行中可能出现的突发状况，比如需要进行停车和乘客疏散，如果此时轨道边矮墙的高度过高，将会成为车内人员逃生的障碍，这也是传统声屏障的一大弊端，因此矮墙的设计高度不应超过列车地板高度，即1.10 m。而为了保证对于轮轨噪声的屏蔽能力，吸声矮墙的高度应该尽可能地遮挡住车轮，因此吸声矮墙的有效高度h′最好高出轨面0.84～1.10 m。

根据我国《地铁设计规范》(GB50157—2013)及《城市轨道交通设计规范》(DGJ08—109—2004)中关于钢轨的规定，我国城市轨道大多采用60 kg/m钢轨，其钢轨高度h″为176 mm[14-15]。

3.3 近轨吸声矮墙的位置设计

为了确保列车在轨道线路上运行的安全，防止列车在运行过程中与近轨吸声矮墙发生碰撞，在设计吸声矮墙时需要考虑我国相关限界标准，在保证安全的前提下尽可能使矮墙靠近轨道，从而提高其降噪能力。从表4中可以得到，A型车为我国目前城轨交通中最宽的地铁车型，因此以A型车的限界参数作为设计基准，根据我国《地铁设计规范》(GB50157—2013)附录A中得到A型车隧道外直线区间的车辆轮廓线、车辆限界、设备限界，见图4。

图4 A型车车辆轮廓、车辆限界和设备限界(隧道外直线区间)

图4中一共有三层限界，由内而外依次是车辆轮廓线、车辆限界和设备限界，本文以设备限界作为矮墙安装位置的控制线，图4中设备限界上三个节点7″、8″、9″，其各自的限界坐标值见表5。

表5 设备限界坐标值(高架或地面直线段)

注：X坐标轴的0点为轨道中心线，Y坐标轴的0点为轨道顶面。

结合上节结论，即轨边矮墙有效高度范围在高出轨面0.84～1.10 m，并且考虑矮墙安装位置需与设备限界保持100 mm的安全距离，用内插法得到近轨吸声矮墙安装位置x的表达式如下。

(2)

式中，x为吸声矮墙距离轨道中心线的距离，mm；h′为吸声矮墙的有效高度，mm。

3.4 近轨吸声矮墙的声学厚度设计

吸声矮墙的厚度决定了其隔声性能，故合理地确定其厚度，可以有效降低透射声对于矮墙降噪性能的影响。利用质量定律中的隔声量计算经验公式，对于单层均质材料而言，其隔声量为

TL=14.5lg(Mf)-26

(3)

式中，TL为材料的隔声量，dB(A)；M为材料的面密度，kg/m2；f为噪声频率，Hz。

前文已经提到，在设计吸声矮墙时，为了忽略隔声量对于降噪性能的影响，需要使吸声矮墙的隔声量TL超过其绕射声ΔLd=10 dB(A)，因此推导出吸声矮墙满足隔声量要求的厚度

(4)

式中，ρ为材料的体积密度，kg/m3；ΔLd为吸声矮墙的绕射损失，dB(A)。

研究和实测表明[16]，理论上的屏障类降噪产品可以达到的噪声衰减很难超过20 dB(A)，当忽略隔声量的影响时，此时的噪声衰减量即为其绕射声损失，即ΔLd=20 dB(A)。根据式(3)可以推出材料的隔声量随噪声的频率成正比，因此只需要保证较低频的隔声量满足设计要求，目前我国对于声屏障构件隔声量测量的频率最小值为100 Hz。

综上所述，取ΔLd=20 dB(A)，ρ=1 000 kg/m3，f=100 Hz，将其代入(4)式，求得吸声矮墙的最小声学厚度

d≥0.072 m

3.5 近轨吸声矮墙的初步设计方案

(1)参考表3中国外吸声矮墙的设计经验，直立式吸声矮墙构造较为简单，适合作为初期设计研究吸声矮墙外观的首选方案。

(2)根据式(1)，取h′=0.84 m，即矮墙高度为：h=0.84+0.176=1.016 m=1 016 mm。

(3)又将h′=0.84 m代入式(2)，得到矮墙的安装位置：x=1 663 mm。

(4)参考上述关于矮墙声学厚度的最小要求，考虑到经济和运输成本，取吸声矮墙总厚度为140 mm；安装方式参考目前国内较为普遍的非金属声屏障，使用两侧金属H型钢固定，将吸声矮墙设计为直立插板式，每块单元板长度取1 960 mm，宽度取508 mm，见图5，并参考相关文献，证明该设计力学性能满足要求[17]。

图5 近轨吸声矮墙单元板平面尺寸(单位：mm)

4 近轨吸声矮墙降噪效果的初步预测

4.1 近轨吸声矮墙的总降噪量

近轨吸声矮墙的降噪量用插入损失IL来表示，其定义是保持噪声源、地形、环境和背景噪声一定的情况下，安装近轨吸声矮墙前后受保护点的声压级之差，其表达式如下

IL=ΔLd-ΔLt-ΔLr-(ΔLs，ΔLG)max

(5)

式中，ΔLd为吸声矮墙的绕射声损失，dB(A)；ΔLt为吸声矮墙的透射声损失，dB(A)；ΔLr为吸声矮墙的反射声损失，dB(A)；ΔLs为地面障碍物衰减，dB(A)；ΔLG为地面吸收衰减，dB(A)。

结合陶粒混凝土吸声矮墙的设计和材料特性，公式(5)中，当ΔLt大于绕射声衰减10 dB(A)时可以忽略，ΔLr在材料降噪系数NRC>0.5时，可以忽略，ΔLs与ΔLG在设立吸声矮墙后同样可以忽略其影响，因此可以大致认为吸声矮墙的插入损失为其绕射声损失，即

IL≈ΔLd

(6)

4.2 轨道交通噪声绕射衰减

将轮轨噪声视作无限长不相干线声源，吸声矮墙视作无限长屏障，其绕射声损失可由式(7)求得[18]

(7)

式中，δ为声程差，δ=A+B-C，m；f为噪声频率，Hz；c为声速，m/s。

由式(7)可以看出，声程差δ越大，轨道吸声矮墙的降噪能力越好。我国目前的城市轨道交通地面线主要为高架和路堤式地面线为主，以路堤式轨道为例，查规范[14]中关于道床高度的规定，选取道床高度为1 m；假定受声点为行人，取其水平高度为1.6 m；参照图6，有

h1=0.84 m，l1=1.66 m，

h2=1+0.176+0.84-1.6=0.416 m

图6 绕射声衰减声程差示意

根据图6与式(7)，在Excel中利用其函数功能分别计算受声点距离轨道中心l2为7.5 m时的绕射声损失，结果见表6。

表6 受声点距离轨道中线7.5 m时的绕射声衰减

5 结语

(1)根据我国城市轨道交通列车速度可知，城市轨道交通噪声多以轮轨噪声为主，利用近轨吸声矮墙靠近噪声源来屏蔽轮轨噪声，具有可靠的理论依据。

(2)课题组前期研究的环保型陶粒混凝土吸声材料，已经用于生产轨道吸声板，并且取得了不错的效果。该材料的各频段吸声系数与我国城市轨道交通噪声的频率特性基本吻合，用该材料设计轨道吸声矮墙，是可行的。

(3)根据我国地铁的相关参数和规范，对于轨道吸声矮墙的高度、位置、最小声学厚度进行了研究和探讨，并且得到了相关公式，以供后期设计和优化参考。

(4)拟设计的直立插板式近轨吸声矮墙，通过现有的衰减模型公式，在500～1 000 Hz频段具有10 dB(A)左右的理论噪声衰减能力。