宁波轨道交通1号线声屏障设计中的若干问题研究

刘 磊

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037)

0 引 言

声屏障是城市轨道交通地上段噪声污染的主要治理措施，伴随着声屏障的大规模应用，需要对其声学效果、景观、内部热环境和排烟等诸多问题加以研究，综合比选后确定声屏障的设计方案。由笔者主持设计的宁波轨道交通1号线声屏障，是国内同期同类工程中规模最大、投资最多的，特别是大量应用了全封闭声屏障措施。本文以此为背景，梳理了声屏障的主要设计任务、设计原则和设计接口，介绍了在设计过程中进行的景观、材料选型和全封闭声屏障性能专题研究。在全封闭声屏障性能研究中，对声学性能、内部热环境和排烟问题进行了综合研究。在专题研究的基础上，确定声屏障设计方案，并对工程实施效果进行了测试。

1 工程概况

宁波轨道交通1 号线(以下简称1 号线)是宁波市城市快速轨道交通线网的东西向骨干线路，也是宁波市轨道交通建设的第一条线路。1号线工程分两期实施，一期工程线路长 20.9 km，其中高架线长5.5 km，过渡段0.3 km；二期工程线路长23.3 km，其中高架线长 19.6 km，过渡段长 0.4 km。一期工程于2006年开始进行环境影响评价(以下简称环评)工作，2009年6月全面开工建设，2014年5月通车试运行；二期工程于2010年开始进行环评工作，2012年12月全面开工建设，2016年3月通车试运行。

1 号线工程高架段及过渡段两侧分布有住宅、学校等敏感建筑物。为了满足或基本维持轨道交通沿线声环境质量，根据环评要求，在线路两侧存在声敏感建筑物的地段采取设置声屏障的降噪措施。

1号线一期工程设置直立4 m高声屏障长584 m，半封闭声屏障长1 400 m，全封闭声屏障长1 901 m；二期工程设置直立3 m高声屏障1 690 m，4 m高声屏障678 m，全封闭声屏障长6 555 m。全线共设置12.8 km长的声屏障，其中全封闭声屏障长8.5 km，工程投资约3.63亿元。一期工程于2017年、二期工程于2018年先后完成竣工环境保护验收。

2 设计要求

2.1 设计任务

声屏障的主要设计任务是阻挡列车噪声源直达声的传播，从噪声污染传播途径上对地上线路沿线声敏感区域进行噪声治理，以尽量减少轨道交通运营期间对周边声环境的影响。治理后原背景噪声达标区域不超标，原背景噪声超标区域能够基本维持现状，声环境质量与通车前基本相同。

《环评报告》给出了本工程的列车噪声源强：高架线路，车速为60 km·h-1时，与桥面等高处，距轨道中心线7.5 m处为90 dB(A)；地面线路，车速60 km·h-1时，距地面1.2 m处，距轨道中心线7.5 m处为87 dB(A)。一期工程高架及过渡段共有执行2类、4a类声环境功能区标准的噪声敏感点18处；二期工程共有执行1类、2类、4a类声环境功能区标准的噪声敏感点30处。根据各敏感点所需的降噪量要求，分别采取不同声屏障方案。

2.2 设计原则

声屏障设计的主要原则有：

(1) 首先要满足声学功能要求；

(2) 声屏障结构满足安全要求；

(3) 声屏障满足轨道交通运营、维护和保养要求；

(4) 重视声屏障景观设计；

(5) 妥善处理好声屏障与各专业的接口。

2.3 设计重点

(1) 景观要求

1 号线声屏障长度约占高架区间长度的一半，因此，除保证声学降噪的基本功能要求外，特别需要注重与轨道交通整体工程以及和城市景观的结合。声屏障的景观设计需要考虑声屏障本身的景观造型，以及对高架区间整体景观方案的影响，需要处理好与供电接触网、桥梁、限界、区间管线综合等相关专业的关系。

(2) 全封闭声屏障设计

1 号线全线约有长8.5 km的全封闭声屏障，虽然可以起到较好的隔声降噪效果，但大规模应用也会带来内部热环境、防排烟、消防疏散、景观、结构安全等问题。

(3) 专业设计接口

声屏障与其他专业接口较多，与土建和其他设备系统相互影响、相互制约，应加强沟通配合。声屏障与相关专业的接口内容及相关资料详见表1。

表1 声屏障接口关系表Table 1 List of noise barrier interfaces

3 专题研究

3.1 景观造型方案研究

直立式声屏障的造型有直立型、逆L型、圆柱型、蘑菇型、Y型、箭型、T型、鹿角型和水车型[1]等，如图1所示，结构造型主要由声学功能要求决定。半封闭声屏障钢结构与全封闭声屏障形式相同，采用门型框架，声屏障屏体在钢结构一侧或两侧设置，全(半)封闭结构形式除需考虑景观造型外，还需要考虑顶部排水、施工安装工艺要求。

图1 常见的直立式声屏障造型示意图[2]Fig.1 Schematic diagram of straight-type noise barrier[2]

除研究声屏障结构造型外，声屏障还采取了其他景观设计措施：

(1) 在略大于列车车窗大小范围内设置透明隔声窗，这样既可使列车内的乘客通过车窗欣赏到沿线两侧外面的景观，又可消除车内乘客在经过较高声屏障路段时的沉闷感。

(2) 声屏障吸声屏采用波浪形，在加强屏体强度的同时又产生了景观效果。

(3) 声屏障吸声屏采用渐变色，顶部采用浅绿色的透明隔声屏，声屏障整体颜色对比鲜明，突出层次感。

(4) 处理好声屏障与桥面系布置的关系，1号线采用架空接触网供电方式，在桥梁两侧设置接触网立柱，声屏障沿接触网立柱外侧绕行。对此国内的主要桥面布置方式有如下三种：方式一，接触网立柱及拉线基础处桥面局部加宽，如图2所示；方式二，桥面整体加宽和局部加宽相结合，如图3所示；方式三，桥面整体加宽，全线桥梁等宽，如图4所示，三种桥面布置方案的对比分析如表2所示。

通过各专业综合比选，1 号线采用桥面整体加宽方案，声屏障位于接触网立柱(含下锚柱)外侧。

图2 桥面局部加宽示意图Fig.2 Schematic diagram of partial widening bridge deck

图3 桥面整体加宽和局部加宽示意图Fig.3 Schematic diagram of overall and local widening bridge deck

图4 桥面整体加宽声屏障景观效果图Fig.4 Landscape rendering of the overall widening bridge deck noise barrier

3.2 材料选型

声屏障采用的各种材料应首先满足各项声学性能要求，并具备良好的结构强度、耐久性、美观性、防火性和经济性。声屏障主要由下部基础、钢结构、声屏障屏体及连接固定辅件几部分构成。材料选型比选的重点就是对声学构件即吸声、隔声屏体进行研究。

根据轨道交通噪声控制的特点，应尽量多采用吸声型声屏障，以减少声反射所引起的噪声贡献量[3-5]，声屏障直立段中部和封闭式声屏障顶部有观景和采光要求，需采用透明隔声窗。根据相关文献[6-10]，插板式金属声屏障相比其他形式，其声学、力学、荷载和经济性能都较好，适用于本工程；但也存在耐候性较差的缺点，因此采用防腐性较好的铝合金板面。直立段透明隔声窗采用夹胶玻璃和亚克力板，封闭式声屏障顶部采用适宜冷弯施工的实心聚碳酸酯板。

3.3 全封闭声屏障性能研究

全封闭声屏障的性能研究主要关注了内部热环境、排烟效果、声学效果。采用自然通风、自然排烟时，顶部的开口方案又影响声学降噪效果，因此应综合考虑这几方面因素决定设计方案。

(1) 内部热环境研究

全封闭声屏障内热环境要求可参照地下区间隧道，夏季最高温度不超过40℃[11]。采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法进行计算，长100 m、顶部不开口的全封闭声屏障，中部断面平均温度为47.1℃[12]；顶部开口为1、2、3、4 m宽时，温度分别为40.8℃、39.4℃、39.2℃、38.6℃，即开口宽度为2 m时平均温度可满足要求。当开口宽度2 m时，不同声屏障长度的温度计算结果见表3。

表3 不同声屏障长度对应的声屏障内夏季温度Table 3 Summer temperatures inside noise barrier for different noise barrier lengths

通过结果可知，无开口的全封闭声屏障长度超过100 m时就有明显的温度超标，顶部开口后，对内部温度改善明显，随着开口宽度增加，声屏障内温度降低，但开口超过2 m后，温度降低的幅度不明显；随着声屏障长度增加，声屏障内温度升高，超过300 m后，断面温度峰值位置分为两个，最高温度降低。

(2) 排烟影响分析

全封闭声屏障顶部有2 m宽的开口时，火灾发生后产生的高温烟气通过开口释放[13]，在1.5 m高度处基本没有高温烟气的扩散；在火源正上方声屏障对烟气造成阻挡时，烟气沿声屏障长度方向向两侧扩散，单侧扩散距离较短；烟气不会扩散至火源另一侧轨道空间，可以作为安全的人员疏散通道。冷却高温烟气的环境空气大部分从两侧顶部开口处进入，所以声屏障长度对高温烟气的影响会较小，2 m宽的开口能够满足火灾排烟的要求。

全封闭声屏障顶部无开口时，高温烟气的厚度明显增加。长度为200 m时，高度1.5 m处仍为安全疏散通道，长度超过200 m时，会有部分区域高温烟气达到地面，人员需尽快离开该区域。

(3) 声学降噪效果

全封闭声屏障是隔声降噪效果最好的声屏障形式，其降噪量一般可达20 dB(A)[5,14-17]以上，此结论已经在多个工程实践中得到验证，在此不做过多论述，主要分析顶部开口后的声学效果。本文采用基于几何声学经典声线跟踪法的商业软件SoundPlan进行仿真计算，按照前述《环评报告》给出的类比列车噪声源强的等效A声级对软件中Schall03铁路噪声预测模型声源进行校核修正，仿真时考虑三次反射。

首先假设声屏障为理想长度即声屏障足够长，不考虑噪声沿声屏障纵向绕射影响。《环评报告》采用的本工程4a类区控制边界分别为40 m(相邻1类区)和25 m(相邻2类区)。典型情况以25 m为水平方向考查点，垂直方向以1层、6层、10层、20层、34层楼高为考查点，桥梁高度取10 m，车辆型式、行车速度、运行时间等按照工程实际情况作为输入。假设声屏障材料隔声传声损失大于绕射声衰减10 dB，忽略透射声影响，分别计算无声屏障与全封闭声屏障顶部开口1、2、4 m宽时的声场分布，结果如图5所示。

图5 不同声屏障措施对应的昼间噪声分布截面图Fig.5 Daytime noise distribution section for different noise barrier measures

声屏障的插入损失，对于中层建筑较高，达到约20 dB(A)；对于高层建筑较低，随高度增加显著变差，原因是列车声源的最大垂直指向特性；首层插入损失较低的原因是由于桥面本身遮挡作用使无声屏障时已有一定的降噪效果；在10层以下，顶部开口宽度对插入损失影响不大，随着建筑高度的增加，开口因素影响越来越大，主要是因为开口导致的直达声贡献增加所致。对各处理措施的达标情况进行计算分析，考虑不同高度敏感点的情况，达标距离如表4所示。表4中，不同区域的环境噪声等效A声级分别为：4a 类区昼间70 dB(A)，夜间55 dB(A)；2类区昼间60 dB(A)，夜间50 dB(A)；1类区昼间55 dB(A)，夜间45 dB(A)。根据表4中的结果，当敏感点位于不同高度时，具有不同的衰减规律，故对敏感点达标距离的分析应该考虑敏感点建筑的类型。

再对全线全部敏感点分别计算，根据结果分析，开口宽度4 m与2 m相比，需要增加声屏障设计长度才能同样保证敏感点达标，而开口1 m时并未显著地减小声屏障设计长度，故对于一般的敏感点采用通长2 m开口方案，对于特殊敏感点采用周期性开口方案。

表4 不同声屏障措施达标防护距离Table 4 Protection distance up to standard for different noise barrier measures

4 设计方案

4.1 声学设计

《环评报告》中已给出一期18处、二期30处声敏感点所需降噪量和声屏障措施，结合工程特点和专题研究成果，设计中又对声屏障设计措施进行了校核性计算和优化调整。在设计中采取了以下声学设计处理措施：

(1) 优化声屏障结构形式。直立声屏障的高度根据所需要的绕射声衰减值综合考虑确定；声屏障附加长度满足纵向绕射声衰减要求；仍不能满足降噪量要求时，采用半封闭或全封闭声屏障。

(2) 声屏障进行强吸声处理，减少声反射及混响。除了顶部采光和车窗处景观隔声窗外，均采用吸声屏体结构，吸声屏体降噪系数≥0.95；桥梁护栏板内侧和疏散平台下方设置多孔吸声材料与共振吸声结构的复合吸声板，增加声源处吸声处理，并提高低频吸声效果。

(3) 选取适当的声屏障隔声量。要求声屏障屏体隔声量Rw≥30 dB，以减少透射声的影响，又不加重桥梁荷载。

(4) 增加密封减少漏声。所有结构缝隙采取封堵措施，避免漏声；声屏障屏体间采用企口连接，增加隔声密封性。

(5) 减振设计。对声屏障与基础和钢结构连接采用橡胶解耦减振处理；控制钢结构变形量和提高屏体刚度，减少二次振动辐射噪声。

(6) 道间疏散平台与下方的吸声板形成T型矮屏障，阻挡远轨噪声。全封闭声屏障顶部开口处，预留消声百叶安装孔洞，为进一步采取降噪措施预留条件。

全线根据不同敏感点性质，分别采取直立式、半封闭和全封闭声屏障措施后，所有敏感点声学预测结果达标或与通车前基本相同，达到声学降噪要求。

4.2 工艺设计

直立式声屏障采用直立的悬臂钢立柱结构，半封闭和全封闭式声屏障采用门形封闭钢框架结构，钢立柱通过与预埋螺栓连接的方式固定于桥梁护栏板或结构侧墙上。声屏障钢立柱标准间距为2 m，直立式声屏障屏体由下至上分别为金属吸声屏、透明隔声窗和金属吸声屏；封闭式声屏障屏体由下至上分别为金属吸声屏、透明隔声窗、金属吸声屏和聚碳酸酯板。在部分桥梁护栏板内侧和疏散平台下方设置了共振吸声板，增加低频降噪效果并起道间矮屏障作用。1号线采用的各种形式声屏障实例如图6～8所示。

5 降噪效果测试

图6 直立式声屏障外景Fig.6 Exterior view of vertical noise barrier

图7 半封闭声屏障内景Fig.7 Interior view of semi-closed noise barrier

图8 全封闭声屏障俯视图Fig.8 Overhead view of fully-enclosed noise barrier

声屏障施工安装后，对各类声屏障降噪效果进行了测试。考虑结构振动二次辐射噪声的不利影响[18]，测试点均选取《环评报告》中列车噪声源强参考点位置即与桥面等高、距轨道中心线7.5 m处，降噪量为列车噪声源强测试点的插入损失。测试结果为：直立式声屏障降噪量为11～12.7 dB(A)，半封闭声屏障降噪量为15 dB(A)，全封闭声屏障降噪量为20～24.5 dB(A)。

工程通车运营后，对《环评报告》中要求的一期18处，二期30处声敏感点监测结果显示，所有敏感点均能满足声环境质量标准要求或声环境能够与通车前基本相同即噪声增量小于0.5 dB(A)。

6 结 论

在宁波1号线设计过程中，结合工程特点对声屏障设计任务、原则和专业接口进行了认真地梳理和总结，对声屏障进行了多项专题研究，得到以下结论：

(1) 应综合考虑声学功能、施工工艺、运营维护等要求，并结合工程的整体效果确定声屏障景观方案。

(2) 通过对内部热环境、火灾排烟和声学降噪效果的仿真计算，全封闭声屏障顶部有2 m宽通风排烟口时，可以满足本工程的各项要求。

(3) 全封闭声屏障开口后，对敏感点达标距离分析应该考虑敏感点建筑的类型，并通过仿真计算进行校核。

(4) 采取多项声学处理和工艺设计措施后，本工程的噪声测试结果达到预期要求。

本工程具有代表性和创新性，对国内城市轨道交通声屏障设计工作有一定的参考价值。