城市轨道交通地面段噪声防治降速措施研究

姚海博，吴世红，姚 兵，曾晓明，李美玲

（1.交通运输部 天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天科院环境科技发展（天津）有限公司，天津 300456）

城市轨道交通具有地铁、轻轨以及悬浮列车等多种类型，因其快捷准时、大运量、能耗低、立体化等特点，可以有效改善城市居民出行条件。根据中国城市轨道交通协会发布的《城市轨道交通2019年度统计和分析报告》，截至2019年底，全国共有40个城市开通城市轨道交通，运营线路总长度达6 736.2公里，当年新增运营线城市开通城市轨道交通运营线路208 条，运路长度达974.8 公里；2019 年全年累计完成客运量237.1 亿人次，同比增长12.5%，运营规模继续保持高增长势头。其中，敷设方式以高架线的城市轨道交通线路约占线路总里程的30%，高架线路上车辆在运行过程中会辐射噪声，在当今城市中居住空间密度很高的状况下，城市高架轨道交通噪声不可避免对线路沿线居民的身体健康及正常生活带来不利的影响，该问题也逐渐受到了国内外专家学者的关注与研究[1－2]。李莉等[3]、易强等[4]针对城市轨道交通环境噪声源强、空间分布特性、控制技术等进行了大量的研究。本文结合北方某城市轨道交通工程的特点，并通过实测分析和验证性评价城市轨道交通高架段对沿线高层住宅小区噪声影响，论证几种高架轨道交通噪声控制技术的经济技术可行性，可给同类轨道交通项目交通噪声防治及运营管理提供借鉴。

1 城市轨道交通噪声的产生

城市轨道交通车辆在运行时会向周围环境辐射噪声，其主要声源如图1所示。包括轮轨噪声、牵引及制动系统噪声、辅助设备噪声和气动噪声等[5－6]。车辆处于不同的状态时，起主导作用的噪声源有所不同。静置状态下，车辆最主要的噪声源是空调压缩机等辅助设备噪声；运行状态下，车辆主要的噪声源以轮轨噪声为主，牵引及制动系统噪声、气动噪声和辅助设备噪声为辅。其中，轮轨噪声主要包括轮轨滚动噪声[7]、冲击噪声和曲线啸叫[8－10]，三者经常被视为一个整体；当车速超过50 km/h～60 km/h时，轮轨噪声在列车辐射噪声中起主导作用，其源声功率级往往与列车行驶速度呈正相关的函数关系[11]。气动噪声主要存在于转向架区域和受电弓区域[12－13]。牵引及制动系统噪声主要包括牵引电机噪声及闸瓦工作噪声等[14]。辅助设备噪声往往伴随车辆运行的全过程，其主要产生源头有空气压缩机、空调机组、逆变器和辅助变流器等处[15－16]。

图1 城市轨道车辆主要噪声源示意图

2 国内外轨道交通噪声控制现状

城市轨道交通降噪是一项涉及多个专业领域的较为复杂的综合性技术，根据声音三要素噪声源、传播途径和接受者的特征，可选用的降噪措施可分为3类。

（1）声源降噪

通过研究和采用降低噪声源强度的方法，使其向外辐射的声波能量尽可能低。城市轨道交通的轨道结构设计原则为“少维修、高弹性、减振降噪”，一方面可以通过优化轨道结构，减少激振源达到减振降噪的目的；另一方面，可以通过改变轨道结构振动参数来抑制轮轨噪声的产生[17]。车体外表空气动力性噪声则可以通过车头及车身流线化来进行抑制[18－19]。牵引及动力系统噪声则可通过采用直线电机、安装集电弓外罩、采用盘形制动、加装黏弹性衰减振动阻尼器等措施消减[20－21]。辅助设备降噪可以通过加强设备维护管理实现[22]。

（2）传播途径降噪

根据噪声衰减的规律，其在传播过程中主要受几何发散、大气吸收、其他效应等因素影响。因此，对于声音传播途径的降噪手段主要以增加声程差和利用吸声物体、材料为主。常见的措施有路域协同规划绕避远离声环境保护目标[23]、设置传播路径声屏障[24]、增加吸声绿化带[25]等。

（3）受声点防护

受声点防护措施为被动措施，主要以声环境保护目标室内达标为目的。常见措施有合理调整及布局声环境保护目标中的建筑物功能以及为保护目标增设吸声、隔声设施[26-27]等。

3 研究工程概况

本文研究的北方某城市轨道交通工程是连接市区和新区的快速交通通道，研究线路段为地面高架线，长约4.8 km，于2004 年建成通车。线路轨道主要技术标准如下：

（1）轨距：双线1 435 mm；

（2）钢轨及扣件：60 kg/m 的客运专线（PD3）热轧轨，无缝线路；弹性扣件；

（3）供电：直流1 500 V架空接触网；

（4）行车时间：5:18～次日0:18。

4 研究线路段沿线声环境保护目标概况及现状

根据调查，研究线路段建设初期两侧均为空地，环评及验收阶段均无相关声环境保护目标分布。轻轨经验收运营后，随着相关城市规划实施及开发建设，两侧空地相继建成万科、万通等16处住宅小区，楼层高度自12层至30层不等，其代表性小区概况如表1所示：

表1 所研究线路段沿线代表性声环境保护目标

根据声环境功能区划分等相关文件规定，上述代表性小区临街高层面向轻轨等交通干线一侧居民楼执行《声环境质量标准》（GB3096－2008）中的4a类标准，4a类范围外居民楼执行1类标准。

随着经济社会活动的发展，区域的某铁路、某城市快速路等交通线路车流量均有较大增量，研究轻轨线路段沿线区域环境噪声明显增加。经实测，轻轨沿线各居民小区昼间大多能满足4a 类声环境功能区70 dB（A）标准要求，夜间大多不能满足55 dB（A）标准要求，轻轨运营单位也于近年陆续收到沿线居民对轻轨夜间运行噪声的投诉。

5 研究轻轨线路段噪声防治措施方案技术论证

针对研究轻轨线路段沿线环境特征、声环境保护目标特点及轻轨车辆运行指标，将工程沿线保护目标适宜采取的各类噪声污染防治措施列于表2所示。

表2 常见噪声污染防治措施经济技术比较一览表

经论证，本文研究的轻轨线为已运营线路，研究段沿线声环境保护目标均为高层建筑，楼房均采用双层玻璃窗，不推荐采取安装隔声窗措施；轻轨线路沿城市道路敷设，无设置绿化带空间条件，且绿化带对高层住宅几无降噪效果，因此不推荐采取设置绿化带措施。

（1）3 m高直立式声屏障措施分析论证

将轻轨噪声源看成无限长声源，按HJ/T90－2004《声屏障声学设计和测量规范》确定声屏障的插入损失值，计算公式如下：

式中：

f为声波频率，Hz；δ为声程差，δ=a+b-c，m；c为声速，取为340 m/s。

图2 声波传播路径

由预测计算可知，在高架桥高13 m的情况下，3 m 高声屏障对10 层以上测点无遮挡作用。为更形象准确表征3 m 高声屏障的降噪效果，利用德国朗德CadnaA 噪声软件仿真模拟轨道交通噪声实际影响情况及设置3 m高声屏障后的降噪效果。其等声级曲线见图3至图4，图中一格为30 m代表10层楼。

图3 未设置声屏障时等声级曲线分布图

由图3可见，深灰色区域为车体周边，噪声级在70 dB（A）左右；3 层至10 层噪声级约为63.0 dB（A）～65.0 dB（A），20层至30层噪声级约为59.0 dB（A）～62.0 dB（A），30 层以上等效声级约为55.0 dB（A）～57.0 dB（A）。

由图4 可见，设置3 m 高声屏障后，仅3 层至10层区域声级分布有变化，8层以下的噪声值由原来的65 dB（A）降到了59 dB（A），10 层以上并无明显变化。

图4 设置3 m高声屏障等声级曲线分布图

（2）半封闭、全封闭结构声屏障措施分析论证

经过对既有轨道的承载、荷载进行检算，半封闭和全封闭结构声屏障均会增加既有桥梁桩基的桩长，例如：对于半封闭结构声屏障，仅竖向力（对于25 m 跨度桥梁）就增加了60.8 kN（一根柱声屏障）×12=729.6 kN，每根桩需要承受约91.2 kN的竖向力；根据该轻轨桥梁桩基设计文件，研究线路段高架桥梁单桩桩底每米允许承载力为65 kN，需要增加1.5 m桩长，原设计桩长仅余0.5 m～1 m，不满足桥梁承载要求。另外，在既有桥梁上加装半封闭、全封闭结构声屏障，需在桥梁悬臂板上植筋，对纵向预应力钢筋、横向受力钢筋等进行体外加固，工程量巨大，需中断轻轨运营。故加装半封闭、全封闭声屏障措施可行性较差。

（3）降速措施分析论证

经多次调查及测量发现，研究线路段沿线各居民小区昼间能够满足4a 类声环境功能区70 dB（A）标准要求，夜间多不能满足55 dB（A）标准要求，轻轨运营单位接到的噪声投诉意见也多集中于夜间。为研究本工程车列降速措施对降低辐射噪声的实施效果，运营单位对典型路段进行了夜间限速监测研究，针对代表性保护目标进行了不同运行速度下的噪声监测，发现当列车运行速度下降至20 km/h左右时，不同楼层高度噪声现状值较常速能下降约3 dB（A）～10 dB（A），背景噪声增量能控制在0.5 dB（A）以内，将噪声基本维持在背景值水平。经多次研究论证，轻轨运营单位自2018 年8 月起对研究线路段夜间21:30 至次日6:00 上下行区间载客及排空列车均重新调整了运行方案，其中从线路桩号K43+222处至某站K43+732 上下行区间限速至15 km/h，从K43+732 至线路K46+722 处上下行区间限速至20 km/h；其他时段正常运行。同时，为降低轻轨列车辅助设备噪声，关闭限速运行车辆空调系统。调整前后研究线路各区段列车运行速度见表3。

表3 研究路段各区段车列运行速度表/(km∙h-1)

为验证调整轻轨运营方案以降低其噪声污染的防治措施有效性，对调整后沿线3 处代表性保护目标进行了跟踪监测。监测按照《铁路边界噪声限值及其测量方法》、《声环境质量标准》等标准、规范中的相关要求进行。选择代表性监测小区时尽可能考虑到研究线路不同区段相对高差、背景噪声现状、轨道线路弯曲程度等对保护目标所受到的噪声影响的差异性，并对其中一处受其他交通干线噪声影响较小的保护目标进行了24小时连续监测。

对于夜间降速降噪措施实施效果的监测选择了夜间21:30～22:30以及22:30～23:30两个时段，（23:30分以后车列逐步排空，不能代表列车车辆运行平均密度）。每个测点设置两台噪声仪器，配备风罩、打印机等；一台用于监测1小时等效连续A声级（平均列流状态），一台用于监测背景噪声（轻轨过车期间暂停，与另一台仪器同时启动，含暂停时间共60分钟）。典型代表性保护目标噪声监测结果及分析如下：

①代表性1#小区

采取夜间降速措施后，代表性1#小区1 号楼噪声现状监测结果及达标情况见表4。

根据表4 监测结果，代表性1#小区临轻轨和城市快速路最近的1 号楼各楼层窗外1m 处夜间噪声背景值在53.4 dB（A）～61.4 dB（A）之间，夜间噪声现状值在53.6 dB（A）～61.6 dB（A）之间，无法满足4a类夜间55 dB（A）要求。经轻轨夜间限速后，各楼层噪声现状值较无轻轨经过时的背景噪声增量可控制在0.5 dB（A）以内，能够维持在背景值水平，从而满足相关噪声防治原则的要求。

表4 代表性1#小区1号楼噪声现状监测结果及达标分析表/dB（A）

②代表性2#小区

位于线路曲线内侧的代表性2#小区噪声现状监测结果及达标情况见表5。

根据表5 监测结果，代表性2#小区临轻轨最近楼各楼层窗外1 m处夜间噪声背景值在45.8 dB（A）～55.0 dB（A）之间，夜间噪声现状值在46.2 dB（A）～55.2 dB（A）之间，基本能够满足4a 类夜间55 dB（A）标准要求。对轻轨进行夜间限速后各楼层噪声现状值相对于无轻轨经过时的背景噪声增量可控制在0.5 dB（A）以内，能够维持在背景值水平，满足相关噪声防治原则的要求。

表5 代表性2#小区噪声现状监测结果及达标分析表/dB（A）

③代表性3#小区全天24小时监测

在位于线路曲线外侧的代表性3#小区1 号楼5层窗外1 m处设置了24小时噪声连续监测点，其24小时监测结果及达标情况分析见表6，噪声值随时间变化见图5，轻轨列流随时间变化见图6。

图5 噪声值随时间变化图

图6 监测时轻轨列流随时间变化图

由表6 和图5 至图6 可以看出：代表性3#小区1号楼5层24小时监测点在昼间（6:00～22:00）受轻轨运行所致交通噪声影响较大，轻轨运行噪声增量可达0.3 dB（A）～13.6 dB（A），但其噪声现状监测结果均能够满足4a 类昼间70 dB（A）标准要求。在夜间（22:00～次日6:00）轻轨限速运行后，其5层24小时监测点噪声现状值相对于无轻轨经过时的背景噪声值增量明显降低，均可控制在0.5 dB（A）以内，能够维持在背景值水平；夜间噪声现状监测结果均能够满足4a类夜间55 dB（A）标准要求。

表6 代表性3#小区1号楼5层窗外1 m处24小时噪声值监测结果统计表/dB（A）

④降速措施实施效果分析

本文研究的北方某城市轨道交通地面高架段现已完成建设并运营多年，线路、设备老化造成的轮轨噪声、辅助设备噪声等不可避免。根据对实际监测结果分析可知，实行夜间21:30至次日6:00限速运营方案后，轻轨运行所致交通噪声所造成轻轨沿线各居民小区背景噪声增量明显降低，可以控制在0.5 dB（A）以内，能够维持在区域环境噪声背景值水平，满足相关噪声防治原则的要求。

6 结语

城市轨道交通噪声扰民问题由来已久，其声源由多方面引起，决定了控制措施也需要进行综合考证。

（1）从相关研究及调查结果来看，城市轨道交通噪声影响及投诉多集中于夜间，昼间噪声基本在可接受范围内。

（2）对于轨道交通地面高架段，由于受城市空间及建筑物结构影响，设置绿化带及隔声窗等降噪措施的实施意义不大；直立矮墙式声屏障对10层以上高层建筑降噪效果不明显；半封闭、全封闭结构声屏障对桥梁桩基承载力要求较高，对于已运营线路实施可行性较差。

（3）通过对代表性保护目标进行实测分析可知，调整特殊时段、路段城市轨道交通列车运行参数可使轻轨运行所致交通噪声所造成沿线各居民小区背景噪声增量明显降低，可以控制在0.5 dB（A）以内，能够将噪声维持在区域环境噪声背景值水平，满足相关噪声防治原则的要求；城市轨道交通降速措施对于从源头降低噪声辐射强度效果显著，可以成为一种有效的运营管理手段。

控制城市轨道交通行车噪声，不仅要从在规划线路时使之远离保护目标及对保护目标进行被动防护入手，还应采取主动控制措施，尽量减少源头噪声的产生。常规的噪声振动控制技术手段、车辆的维护与保养不可或缺，但通过调整特殊时段、路段列车运行参数也不失为一种有效的管理手段。本文可为同类轨道交通项目噪声防治及运营管理提供借鉴。