基于轨道降噪的高架城市轨道交通噪声控制

潘 鹏 刘文武

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010； 2.广东省城市轨道交通工程建造新技术企业重点实验室，广州 510010)

高架城市轨道交通因建设周期短、造价低得到广泛应用，但由此带来的高架线沿线噪声较大等问题成为各城市面临的难题[1]。国内外学者从理论研究、现场试验、控制措施及工程应用等方面进行大量研究。雷晓燕等总结高架轨道桥梁诱发环境振动和噪声问题的研究现状和进展[2]；刘林芽等总结国内外轨道交通桥梁结构噪声的辐射特性、预测方法、产生机理、控制措施及工程应用等方面的研究成果[3]；冯青松等归纳近些年来基于声子晶体理论的轨道结构振动控制、声屏障的控制理论研究现状[4]；李小珍等通过理论和试验结合的方式分析不同轨道结构形式下箱梁结构噪声的频变规律[5]。

针对既有高架线噪声问题，一方面可采用阻尼钢轨降噪装置或声屏障来治理轮轨噪声；另一方面可通过改变道床结构来降低桥梁结构的二次结构噪声。部分学者对其进行相关研究，伍向阳通过现场实测，验证全封闭声屏障可大幅降低列车通过噪声[6]；周红梅采用边界元法计算不同顶部形式近轨吸声矮墙在不同受声点处的降噪能力[7]；易强等通过现场实测，分析不同组合降噪措施下高架沿线环境噪声的空间分布特性及其噪声控制效果[8]；陈艳明等通过现场实测分析了阻尼钢轨降噪性能[9]；尹学军等实测钢轨阻尼器的减振降噪效果[10]；刘兴龙等对高架桥振动、噪声进行测试与分析，研制调谐质量阻尼器对轨道高架桥梁的结构噪声进行控制[11]；李克飞等通过对轮轨噪声影响因素分析，提出轮轨噪声的防、治措施建议[12]；周力等通过有限元法分析高架桥动力吸振器降噪效果[13]；张校铭等通过现场测试，经过A计权声压级处理得出宽频型迷宫式约束阻尼钢轨降噪效果[14]；张良涛采用有限元与边界元相结合的方法，分析不同轨道减振措施时桥梁振动及其引起的结构噪声特性[15]。基于前人的研究成果，针对高架区间沿线噪声问题，充分考虑既有高架线特点，从轨道专业角度出发，在不影响既有设备和正常运营的前提下进行降噪方案设计。

1 工程概况

1.1 线路概况

本项目线路采用6辆编组直线电机车辆，最大轴重13 t，设计最高运行速度100 km/h，接触轨供电。

高架区间沿线有学校1处、居民小区3处，原设计中学校段设置了声屏障，居民小区均为线路开通后建成，距离线路100 m以外，部分段落后期改造安装了声屏障。该段曲线半径400 m，另外2处居民小区段线路曲线半径300 m。

轨道主要设备：60 kg/m U75V普通热轧钢轨、单趾弹簧小阻力扣件、预制板式道床、UIC33槽形钢护轨。

1.2 轨道减振降噪措施

(1)浮置板或轨枕类减振

浮置板式轨道结构主要有钢弹簧浮置板、减振垫浮置板、梯形轨枕等。其主要原理是通过降低轨道支承刚度，让部分道床或轨枕参与振动，消耗一部分能量；同时降低轨道结构固有频率，从而达到隔振的效果。以此降低列车运行导致的桥梁结构振动。

道床或轨枕类措施适合在新建线路采用，由于本项目处于运营阶段，无法实现道床改造，因此不适用。

(2)扣件类轨道减振

扣件类减振主要有浮轨(先锋)扣件、中等减振扣件。其主要原理是通过降低轨道支承刚度，从而达到隔振的效果，同时小幅降低列车运行导致的桥梁结构振动。由于没有浮置板或轨枕参振，其隔振效果较差。

另外，降低钢轨支承刚度往往会引发钢轨波磨、啸叫，虽然能够降低一定的桥梁二次结构噪声，但综合两者，其降噪效果还有待验证。

(3)阻尼钢轨降噪

将阻尼板通过机械装置及粘钢胶粘贴、锁定在钢轨轨腰和轨底处，对降低轮轨噪声有一定效果。

结合本项目特点，推荐采用阻尼钢轨降噪装置，设置在整个小半径曲线，同时结合环评原则，在敏感点外延伸60 m。

2 设计方案

2.1 方案比选

(1)迷宫式阻尼钢轨

迷宫式约束阻尼板通过巧妙的迷宫格室设计，使阻尼面积大幅超过粘贴表面积，其有阻尼层变形大、约束刚度高、阻尼比高等优点，对阻尼材料性能的依赖性较低，见图1。适用于轮轨噪声较大的曲线地段，对高频噪声(如曲线啸叫、制动噪声)抑制效果更好。试验表明，噪声频率越高，降噪效果越好。

图1 迷宫式阻尼钢轨

(2)宽频型约束阻尼钢轨

第二代宽频型约束阻尼钢轨在迷宫式约束阻尼钢轨的基础上增加钢轨吸振器，其外框架采用铝合金型材，外形美观，钢轨吸振器的吸振频率可以根据波磨频率在出厂前精确设置，实现对钢轨波磨振动频带能量的有效吸收，外观见图2。产品安装采用高性能胶粘贴，弹簧夹进行二次安全防护，使产品安装后安全可靠。由于增加钢轨吸振器，在高架线路上的降噪性能可达到3～5 dB(A)。

图2 宽频型约束阻尼钢轨

(3)钢轨吸振器

钢轨吸振器结构形式是：采用特制的弹性金属卡夹，将钢轨减振器(TRD)紧密吻合地安装在钢轨两侧的轨腰上面，以避免发生剥离脱落现象。其中，TRD由高阻尼弹性体和弹性体内按确定几何和物理特性要求设置的质量体组成，构成一个阻尼性质量-弹簧减振系统。该系统能够提高钢轨系统阻尼，降低钢轨振动平均能量水平，抑制轮轨间振动能量在钢轨传播，具有宽频带减振效果，并能减小钢轨波磨，提高行车平顺性，从而达到控制振动影响的目的。

(4)小结

3种阻尼钢轨降噪方案对比见表1。

表1 阻尼钢轨降噪方案对比

由表1可知，宽频型约束阻尼钢轨性能优于迷宫式阻尼钢轨，且兼具减缓波磨、降噪和减振的性能。而钢轨吸振器仅能减缓波磨速率，不具备降噪性能。

综合对比以上3种方案，宽频型约束阻尼钢轨降噪性能、综合性价比最优，推荐采用宽频型约束阻尼钢轨。

2.2 降噪效果目标

以同一线路、同一地段安装本装置前后相同测点处列车通过时段A计权噪声级的差值作为降噪效果的评价依据，降噪效果均应不低于3 dB(A)。具体测点要求如下。

(1)轨道中心线外7.5 m，高于轨面5 m(参照HJ 453—2018《环境影响评价技术导则-城市轨道交通》)。

(2)轨道中心线外30 m，高于轨面1.2 m(参照GB 12525—1990《铁路边界噪声限值及其测量方法》)。

2.3 安装方案

结合声屏障设置范围及现场条件，阻尼钢轨安装方案如下。

(1)第一阶段

为进行阻尼钢轨安装工艺试验及弹簧夹受直线电机吸力影响试验，在本线车辆基地试车线中部进行阻尼钢轨安装试验，安装长度为50 m。

(2)第二阶段

在居民小区某段(双线)安装阻尼钢轨，参照声屏障设置阻尼钢轨范围，包含整个小半径曲线，单线长度为728.15 m。待取得测试验证后，若阻尼钢轨降噪效果≤3 dB(A)，再开展第三阶段改造。

(3)第三阶段

根据第二阶段实测结果，若阻尼钢轨达到预期效果，则开展第三阶段工作。设置在整个小半径曲线，同时结合环评原则，在敏感点外延伸60 m，单线长度915.38 m。

3 测试方案及结果分析

3.1 测试目的

针对本项目高架区间曲线段，通过现场振动与噪声测试，评价列车通过敏感区域时该路段阻尼钢轨的减振降噪效果。

3.2 测试断面

为对阻尼钢轨安装后的效果进行跟踪，除进行安装前后的振动、噪声测试外，在上线使用半年后，还进行跟踪测试。

其中，对居民小区某断面进行3次测试。

(1)第1次，测试安装阻尼钢轨前振动、噪声；

(2)第2次，测试安装阻尼钢轨后振动、噪声；

(3)第3次，测试阻尼钢轨运营半年后振动、噪声。

3.3 测点布置

(1)振动测点位于钢轨(左右股)、道床板(中心)、桥面板(左右侧)、桥下地面，见图3。

(2)噪声测点包括距线路中心S1-7.5 m(参照HJ 453—2018《环境影响评价技术导则-城市轨道交通》，轨面以上5 m)、S2-30 m(轨面以上1.2 m)(参照GB 12525—1990《铁路边界噪声限值及其测量方法》)测点，见图4。

图3 振动测点布置

图4 噪声测点布置(单位：m)

同时，在靠近高架线路侧窗户或阳台设置测点，共3个测点。

3.4 测试结果

(1)进行全天振动测试，抽取20次列车的振动加速度时程曲线，进行Z振级(垂向)分析，各点振动级见表2。

表2 振动测试结果 dB

根据本项目要求，该敏感点距线路超过100 m，轨道交通振动不会对其产生影响，故不进行振动影响评价。

(2)进行早高峰(6：22～9：22)、晚高峰(16：06～19：06)、夜间(22：00～23：00)3个时段连续测试，得到连续等效噪声；抽取其中列车通过时段的数据进行噪声级分析得到列车通过时段的等效噪声；随机选取20 min左右数据，剔除地铁列车通过时段的噪声数据，计算等效声级，得到背景噪声，见表3。

测试结果表明，铺设阻尼钢轨后，居民小区对应地段距离线路中心7.5 m处，列车通过时段噪声为66.4～68.5 dB(A)，平均降低3 dB(A)；距离线路中心30 m处，列车通过时段噪声为64.5～66.9 dB(A)，平均降低3.1 dB(A)。经过半年运行后，沿线噪声与半年前(刚铺设阻尼钢轨时)相比变化不大。

表3 噪声测试结果 dB(A)

4 结论及建议

(1)距离线路中心7.5 m处，列车通过时段噪声平均降低3 dB(A)；距离线路中心30 m处，列车通过时段噪声平均降低3.1 dB(A)，基本满足降噪效果不低于3 dB(A)的要求。

(2)轨道交通高架线声源复杂，整治难度大，需多专业协同配合， 轨道专业只能实现一定程度的降噪，故有必要从车辆、声屏障、桥梁结构等相关专业开展综合整治研究。