基于Cadna/A的高速铁路单侧高层住宅声屏障降噪效果研究

杨忠平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

随着中长期铁路网规划不断实施与推进，我国高速铁路里程逐年增长，运营列车数量不断增多，高速铁路噪声影响范围扩大，因铁路噪声干扰引起的投诉事件次数也呈上升势头[1-4]。高速铁路噪声对沿线居民区、学校、医院等声环境敏感点的噪声影响已为各方关注，特别是，高速铁路引入城区路段时，往往无法绕避高层住宅区，噪声传播过程中，因高层建筑与普通的低层建筑的垂直指向性差异，在轨面以上，噪声传播规律有所不同，直立式声屏障受高度所限，降噪效果有限[5-8]，开展高速铁路对高层住宅噪声影响的降噪措施研究工作显得尤为必要。

1 工程背景

新建铁路西安至延安高速铁路(以下简称“西延高铁”)位于陕西关中及陕北地区，线路于西安东站北端引出，向北经西安市灞桥区、临潼区、高陵区，咸阳市三原县，渭南市富平县，铜川市耀州区、王益区、印台区、宜君县，延安市黄陵县、洛川县、富县、甘泉县和宝塔区，引入既有包西线延安站，正线全长约287 km。西延高铁沿线分布有村庄、学校、医院等声环境敏感点140余处，在延安市甘泉县境内，分布有1处高层住宅小区(以下简称“环境敏感点”)，距离西延高铁外轨中心线最近距离约20 m，该环境敏感点地理位置示意见图1。

图1 环境敏感点地理位置示意

受既有甘泉站站位和曲线半径制约，西延高铁线路无进一步远离该敏感点的条件，若实施工程搬迁，搬迁成本高昂，受影响人数众多，为有效保护该环境敏感点的声环境质量，采取工程降噪措施成为唯一选择。本文基于Cadna/A软件建立西延高铁与敏感点的噪声影响预测模型，预测西延高铁运营的噪声影响，结合工程应用实例，模拟不同声屏障的降噪效果，推荐合理可行的声屏障措施。

2 环境敏感点噪声影响分析

2.1 Cadna/A软件概述

Cadna/A软件是一套基于ISO9613标准方法的噪声模拟预测和控制软件，于2001年获得原国家环保总局环境工程评估中心的环境影响评价软件认证证书[9]。Cadna/A软件用分段的思路计算铁路噪声辐射声级，该方法先将铁路线划分为若干小段，每一段简化为点声源，形成有限长的系列点声源，然后分别计算每个点声源对环境敏感点作用的声级后，按能量叠加原理合成得到敏感点处总的计权等效A声级，叠加背景值得到预测值，判断是否超标。以此作为依据，进行达标分析，确定是否在新建铁路、既有铁路、或扩建铁路线路两侧上，采取适当的铁路噪声防治措施[10-12]。利用Cadna/A软件进行铁路环境噪声的预测、评价及降噪方案研究，方法具有合理性[13]。

2.2 利用Cadna/A建立西延高铁噪声预测模型

(1)预测参数

根据西延高铁设计文件，主要噪声预测参数详见表1。

表1 噪声预测参数

(2)模型建立

根据列车对数、列车种类、运行速度、位置关系等参数，利用Cadna/A软件建立西延高铁与声环境敏感点的噪声预测模型，利用我国建立在测试基础上的铁路噪声源强数据及噪声预测模式，对Cadna/A预测模型进行验证与修正[10-14]。运行软件，预测西延高铁对该敏感点的噪声影响，水平声场如图2所示。

图2 西延高铁噪声影响水平声场示意

2.3 环境敏感点影响分析

以该环境敏感点距离西延高铁20 m处的高层住宅为主要的研究对象，西延高铁运营近期对各楼层的噪声影响预测值见表2，垂向声场分布如图3所示。

表2 噪声影响预测值 dB(A)

图3 无降噪措施垂向声场分布示意

根据预测结果，铁路轨面以下铁路噪声影响随着楼层降低而递减，而轨面以上，随着楼层升高，噪声影响增大，在第4层达到最大(轨面以上5.5 m处)，从第5层开始，随着楼层升高，噪声影响逐层衰减，每层衰减约0.3 dB(A)。西延高铁对高层住宅的噪声影响昼间预测值为65.8～73.1 dB(A)，夜间为59.3～66.6 dB(A)，对照GB3096—2008《声环境质量标准》中4b类区标准，昼间超标0.3～3.1 dB(A)，夜间超标2.1～6.6 dB(A)。

3 降噪措施及效果

设置声屏障是防治铁路运行噪声对环境污染的主要措施之一，已经在国内外广泛使用[15-17]。目前，高速铁路路基段普遍使用3 m高直立式声屏障，部分降噪要求较高的路段或者高层住宅，设置了封闭式声屏障。

3.1 直立式声屏障

根据京秦、秦沈客运专线地面以上1.5 m处实测结果，2.5 m高声屏障插入损失4～11 dB(A)[18-20]。基于西延高铁与环境敏感点的噪声预测模型，设置3 m高声屏障，模拟声屏障降噪效果，采取声屏障措施后高层住宅的垂向等效声级如图4所示。

图4 3 m高声屏障措施后垂向声场分布示意

采取3 m高直立式声屏障对该敏感点5层及以下有降噪效果，降噪量为1.7～9.2 dB(A)，1～3层降噪效果明显，降噪量为4.7～9.2 dB(A)，受声屏障高度所限，对6层以上无降噪效果。增加声屏障高度，声程差相应增加，降噪量随之增加[21]。通过调研，银西高铁银川站南咽喉区采用10 m高直立式声屏障，声环境敏感点4b类区满足70 dB(A)，夜间60 dB(A)标准要求，2类区维持现状[22]。采取10 m高声屏障，西延高铁对高层住宅的噪声影响垂向声场分布如图5所示。

图5 10 m高声屏障措施后垂向声场分布示意

采取10 m高直立式声屏障，降噪效果及范围均提高，对各层均有降噪效果，其中，在11层及以下降噪量为6.2～18.5 dB(A)，昼、夜间均可达标；受高度所限，对12～16层降噪效果较小，降噪量为1.8～2.7 dB(A)，夜间仍超标，超标量1.1～1.6 dB(A)。

3.2 半封闭声屏障

提高直立式声屏障高度，降噪效果明显提升，但仍存在超标楼层，受结构荷载、运营安全、景观等因素影响，直立式声屏障的高度不可能持续升高。为有效防治位于高速铁路单侧、距离较近的高层住宅的噪声影响，半封闭声屏障在沪杭高铁、京张高铁、杭长高铁的桥梁段得到了应用，针对杭长高铁半封闭声屏障的监测结果显示，轨面以上0～6 m，距轨道中心线7.5，25 m处的降噪量分别为15～18 dB(A)、15～16 dB(A)[23-25]。采取高度11.1 m，顶部遮蔽宽度7 m，跨度15 m的半封闭声屏障，西延高铁对高层住宅的噪声影响垂向声场分布如图6所示。

图6 半封闭声屏障措施后垂向声场分布示意

采取半封闭声屏障，声影区覆盖整个居民楼，降噪效果好，降噪量为13.5～21.9 dB(A)，轨面以上随着楼层增加，降噪量降低，降噪规律与杭长高铁半封闭声屏障的实际监测结果一致，各层昼、夜间均可达标。为有效控制西延高铁对该敏感点的噪声影响，确保第一排高层住宅噪声影响达标，推荐该处敏感点采取半封闭声屏障措施。

4 结论与建议

4.1 结论

结合西延高铁与某处环境敏感点的相对位置关系，以距离铁路20 m处的高层住宅为重点研究对象，基于Cadna/A软件预测西延高铁对该敏感点的噪声影响，结合工程应用情况，模拟不同声屏障的降噪效果。主要得到以下结论。

(1)在路基轨面以上5.5 m处，铁路噪声影响达到最大，随着楼层升高，噪声影响逐层衰减，每层衰减0.3 dB(A)。

(2)3 m高直立式声屏障对5层及以下(敏感点地面至轨面以上约8.5 m)有降噪效果；对1～3层(敏感点地面至轨面以上2.5 m)降噪效果明显，降噪量为4.7～9.2 dB(A)。

(3)10 m高声屏障对各层均有降噪效果，受高度所限，对12～16层(轨面以上29.5～41.5 m)降噪效果较小，降噪量为1.8～2.7 dB(A)。

(4)半封闭声屏障对各层降噪效果明显，降噪量为13.5～21.9 dB(A)，可应用于该环境敏感点的噪声防治。

4.2 建议

铁路噪声防治尽可能从源头开展，新建铁路选线时应远离高层住宅区或者规划的居民文教区。西延高铁开通运营后，应开展该环境敏感点噪声影响及降噪效果现场监测，将现场监测获得的降噪效果数据和模拟的降噪效果进行分析对比，修正相关参数，有助于提高预测结果的准确性，更好地指导以后的铁路设计工作。