铁路桥梁全封闭声屏障降噪特性及对生态区作用的分析

邹俊辉，邵华平

（中国铁路广州局集团有限公司，广东 广州 510088）

0 引言

大规模铁路建设容易给沿线生态环境造成一定的改变和破坏，在传统铁路建设中，普遍存在“重主体、轻环保”“先破坏、后治理”等惯性问题，尤其对于铁路噪声问题，仅通过设置普通声屏障、隔声窗或半封闭声屏障等，降噪效果不理想。特别是生态环境保护区、学校、医院等特殊环境敏感点，普通声屏障或半封闭声屏障难以起到很好的保护作用[1-2]。如果不设置有效的降噪设施，将会对周围生态环境、生产生活环境等噪声敏感区造成极大影响，难以满足环保要求。

环境评价尤其噪声评价是决定高铁工程项目成败的重要内容，在高速铁路经过某些噪声敏感区段时设置全封闭声屏障已然是大势所趋。以深茂铁路江茂段全封闭声屏障为例，总结全封闭声屏障研究背景、降噪效果及风景区敏感区噪声监测，为全封闭声屏障在高速铁路桥梁上的推广应用提供参考。

1 工程背景

1.1 环境调查

“小鸟天堂”是广东省江门市新会区天马村一块约1万m2的小岛，由一棵大榕树历经400余年繁衍，覆盖全岛，周围由天马河环绕，已成为鹭鸟为主兼有20多种国家二级保护鸟类（约3万多只）的栖息地，为华南乃至全国罕见的城郊鸟类栖息地，故命名为“小鸟天堂”，是侨乡江门最著名的国际生态旅游景点。根据现场调查及区域噪声研究，为保证“小鸟天堂”内小鸟栖息、繁殖不受影响，要求“小鸟天堂”的规划边界处环境噪声的等效连续A声级LAeq24 h不应超过50 dB，噪声最大声级Lmax不应大于60 dB（A）[3]。

1.2 铁路线位

深茂铁路江茂段（江门—茂名）受城市规划、江门站站位及出站端曲线半径影响限制，线路无法远离“小鸟天堂”生态保护区，距离保护区较近线路区段长约3 km，距“小鸟天堂”规划边界300 m、“小鸟天堂”现状边界630 m、“小鸟天堂”竹岛670 m、“小鸟天堂”大榕树800 m（见图1）。同时受该段线位标高、地质条件复杂和北端需跨越潭江水系等因素影响，难以采用隧道穿越方案，只能采用桥梁方案。深茂铁路江茂段运营速度120 km/h，其噪声源以列车轮轨噪声为主，按照环保部门要求，为减缓铁路噪声、振动及光对“小鸟天堂”名胜景区生态环境的影响，该段采用全封闭声屏障，预计降噪效果应达到20 dB以上。最终该段全封闭声屏障全长2 036 m，光屏障总长1 730 m，总概算1.8亿元（不含桥梁）。全封闭声屏障主要由拱形钢构架和金属吸、隔声板及ECC混凝土吸声板组成。

图1 深茂铁路与“小鸟天堂”的地理位置

2 降噪效果研究

2.1 前期研究

建设铁路桥梁全封闭声屏障工程为国内外首例。为解决桥上全封闭声屏障设计、施工等关键技术难题及科研经费等问题，2014年6月专门立项科研课题，与中铁第四勘察设计院集团有限公司、西南交通大学、武汉理工大学等单位组建科研团队攻关，历时2年，通过结构设计、理论计算、数值分析、风洞试验、足尺模型等研究[4-7]，形成一整套从设计、施工、运营维护的全封闭声屏障技术，解决了关键技术难题：

（1）梁型选择方面：通过梁型对比分析和增强内部钢筋布置、增加翼缘板斜支撑等手段，确定了适宜承载全封闭声屏障的箱梁结构；

（2）结构设计方面：通过动力学理论计算、风洞试验（见图2）和列车气动力CFD数值模拟，设计出一种新型声屏障结构——拱形全封闭声屏障钢棚架结构（见图3）；

（3）材料选型方面：首次提出改性ECC混凝土声屏障方案，给声屏障材料选型提供了一种新的选择；

（4）建立全封闭声屏障足尺模型，完成全封闭声屏障减振、降噪效果测试，并已获得初步研究成果[7-9]。

图2 声屏障风洞试验

图3 全封闭声屏障断面

2.2 2种隔声板声学性能

全封闭声屏障上吸、隔声板的隔声性能是影响声屏障降噪效果的关键因素。本项目选用ECC混凝土隔声板和金属复合吸声板。金属复合吸声板长2.00 m，宽0.45 m，内表面为穿孔板，外表面为1.50 mm厚铝板，内填充玻璃棉毡；ECC混凝土板厚5.0 cm，弧长为2.3～2.6 m，宽2.0 m，混凝土板内附吸声材料。为研究2种隔声板的声学特性，采用SEA算法建立声源声腔、接收声腔、2.00 m×1.00 m×0.05 m混凝土单元板及2.0 m×1.0 m×0.1 m金属复合吸声板，模拟了2种隔声板的声学特性（见图4）。结果表明：2种声屏障单元板隔声量均随着频率的增加而增大，频率超过2 500 Hz（1 000 Hz），金属复合吸声板（混凝土板）隔声量逐渐下降（见图5）；在低于1 000 Hz频段，混凝土隔声板的隔声量高于金属复合吸声板；超过此频段，金属复合吸声板的隔声量较高。可以将ECC混凝土声屏障同样运用于深茂铁路声屏障项目材料中，此外因为混凝土材料取材方便、价格较低，有益于推广使用。

图4 隔声板隔声量SEA预测模型

图5 2种声屏障单元板隔声量计算值

2.3 模型试验及工程建设过程

结合国内外相关研究[10]，该线路噪声源以轮轨噪声为主，此外还有车体噪声、集电系统噪声等。

为充分证明全封闭声屏障的作用及效果，按照全封闭声屏障设计尺寸建立桥上改性ECC混凝土声屏障及金属声屏障1∶1足尺模型（见图6（a）），将实测噪声源用扬声器加载在足尺模型内部（见图6（b）），研究自由声场及2种声屏障内外声场分布规律，实测2种声屏障的内外侧声压级。

声学规范以降噪量或插入损失来评价声屏障的降噪效果[11]。选用最大A声级插入损失来评价声屏障的降噪效果。模型试验结果表明：距离轨道中心线7.5 m处，改性ECC混凝土声屏障和金属声屏障的插入损失分别是22 dB和25 dB。

图6 全封闭声屏障足尺模型试验

经过模型试验可知：2种声屏障均可获得预期的降噪效果，可应用于深茂铁路全封闭声屏障工程。2017年8月深茂铁路开始正式建设，共安装4.2万余块吸声板，2017年10月项目顺利完工，2018年7月正式开通使用（见图7），成为江茂铁路的亮点工程。

图7 建成的全封闭声屏障

3 敏感区噪声监测

3.1 监测点

深茂铁路开通运营后对“小鸟天堂”周边进行了噪声监测，以评价深茂铁路全封闭声屏障对环保敏感区的积极作用。根据环评报告中针对“小鸟天堂”噪声影响的预测点位，本次监测共选取4处监测点位（见表1），每个监测点位同时设置背景噪声监测点。

3.2 监测内容

监测过程中，不同监测点同时监测，同时记录列车运行情况。深茂铁路江茂段全天运行列车19对，均为动车组列车，昼间18对，夜间1对。

表1 噪声监测布点

昼夜监测：测量单列车分别通过时段的最大声级，每个监测点测量10列车的数据，同时在每列车经过后立即进行背景噪声监测。

3.3 监测结果

图8 列车通过时最大噪声监测数据分析

图9 列车通过后背景噪声监测数据分析

“小鸟天堂”规划边界—大榕树4处监测点列车通过时噪声分布结果见图8、图9。可知，深茂铁路桥梁全封闭声屏障建成并正常运营情况下，昼间列车通过时噪声最大值为41.5～49.8 dB，背景噪声为41.4～49.5 dB，各测点噪声比背景噪声高0.1～0.3 dB；夜间列车通过时噪声最大值为41.2～44.9 dB，背景噪声为41.1～44.8 dB，各测点噪声增大0.1～0.2 dB。可见，声屏障建成后，列车经过时敏感区噪声最大值均基本维持现状。声屏障的设置使得噪声敏感区的噪声基本保持现状，完全满足“小鸟天堂”保护区噪声限值要求，保证了列车以“静音模式”通过此区域。

4 结论与展望

通过深茂铁路全封闭声屏障项目的隔声板声学性能研究、模型试验及声屏障建成后的噪声监测，分析了高速铁路桥梁全封闭声屏障降噪特性及其对生态区的作用，得出以下结论：

（1）通过2种材料声学性能的对比，在低于1 000 Hz频段，混凝土隔声板的隔声量高于金属复合吸声板；ECC混凝土隔声板在铁路声屏障领域是首次使用，提出了改性ECC混凝土声屏障可以应用于全封闭声屏障项目中，其具有降噪效果好、造价低、耐久性好的优点，可推广应用。

（2）根据模型试验结果：在近场噪声测点，改性ECC混凝土声屏障和金属声屏障的插入损失分别是22 dB和25 dB，达到了设计规划的预期要求。

（3）根据保护区噪声监测结果，各测点噪声比背景噪声高0.1～0.3 dB，可知全封闭声屏障能够最大限度减小高铁对沿线环境的声污染，保证了时速200 km以下列车以“静音模式”通过“小鸟天堂”景区，保护了景区生态环境。

（4）通过项目前期声学性能研究、模型试验及声屏障建成后的噪声监测，形成了一整套全封闭声屏障研究理论，为铁路线路经过特殊噪声敏感点时提供了可靠的技术支持，为铁路全封闭声屏障建设积累了经验，具有良好的现实意义和经济价值。

此外，“小鸟天堂”段全封闭声屏障的成功应用，充分体现了可持续发展理念，取得了良好的社会效益，起到了良好的示范、带头作用。通过系列技术创新与扎实的科研实力，开创了铁路桥上设置全封闭声屏障的先河，取得了良好的降噪效果，为铁路建设迈向资源节约、环境友好型提供了有力支撑，为高铁或城际铁路在城区及邻近环境敏感点的建设扫清了障碍，具有重要的现实意义，填补了世界空白。对我国其他基础设施建设项目的生态环境保护也具有重要的借鉴意义，提供了有效的依据和技术支撑。同时关于全封闭声屏障的运营维护虽然在设计、建设等环节已有考虑，但还应在如何更加便于维护及完善维修标准等方面进行更深入的研究。