城际铁路地面线噪声源强取值研究

宋天昊 李俊玺 冯杜炀 吴思行

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

近年来，我国城市轨道交通建设发展迅猛，伴随而来的由城市轨道交通车辆运营引发的振动及噪声问题一直是其环境影响的疑难问题，随着新建速度超过100 km/h的城市轨道交通线路逐渐增多，轨道和列车振动噪声带来的环境影响日趋复杂，对沿线周边的环境影响突出。准确合理地选取噪声源强数值对城际铁路沿线的噪声预测具有重要意义。[1]

目前城际铁路噪声源强的取值主要参考HJ 453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》[2]，采用现场实测类比方法。

刘兰华等通过现场实测，得出了60～90 km/h速度范围内高架线路区段噪声声级水平[3]。刘海东等通过现场实测得出了运行速度80 km/h的高架线路噪声源强数值[4]。韩丽搜集了国内多条包含路基与桥梁地段的地铁线路噪声源强取值[5]；辜小安等通过现场测试，分类给出了高速铁路、城际铁路、市域铁路、城市轨道交通动车组在下部基础为路基、桥梁时的运行噪声源强数值[6]。

国内针对运行速度低于100 km/h的地铁线路的噪声源强实测数据丰富，但近年来发展迅速的城际铁路则缺少噪声源强测试数据。明确噪声源强的数值对于提高城际铁路环境评价的精度与准确性具有重要意义[7]。通过建立轮轨系统声辐射预测模型，依据广清城际铁路实测噪声数据对模型进行验证，基于预测模型的计算结果提出不同设计速度等级线路的噪声源强建议值，为新建城际铁路线路提供参考。

2 轮轨系统声辐射预测模型

既有研究表明，随着列车运行速度提高，声源特性将发生转变[8]，列车运行速度低于200 km/h时，噪声源强的贡献以轮轨噪声为主。为提高计算效率，不考虑气动噪声对总噪声的贡献。

2.1 模型的建立

基于半解析的有限元方法建立轮轨系统声辐射模型。基于轮对的轴对称性，采用傅里叶级数法和有限元方法建立了一系列在环向解耦的振动方程，通过求解这些振动方程组可以得到轮对的节点柔性振动响应和5个刚体运动：垂向平动、横向平动、旋转、侧滚及摇头，值得注意的是求解过程中只需要离散轮对二维剖面网格即可得到三维旋转轮对在静载作用下的振动响应。将转向架构架、轴箱及转臂当作一个质量刚体，将一系垂向钢簧、轮对及轴箱之间的接触模拟为弹簧，将一系垂向减震器及其两端的橡胶接头模拟为弹簧和粘滞阻尼器相互串联的结构，预测模型不考虑构架之上的二系悬挂及车辆结构，建立得到轮对及其上部结构模型(见图1)。将单位谐荷载激励下计算得到的不同节径轮对表面法向振动代入到基于环向离散的边界元方程中，即可得到轮对的声辐射功率。

图1 轮对及其上部结构模型

轮和轨通过垂横向的线性接触弹簧进行连接，值得注意的是，横向接触弹簧需要串联一个粘滞阻尼器以模拟横向的蠕滑阻力[9]。模型引入的粗糙度来自于德国低干扰谱[10]。扣件被模拟为离散支撑的弹簧，连接轨道板和钢轨，形成了周期性的离散支撑结构；钢轨在垂向被模拟为铁木辛柯梁，在横向被模拟为由轨头、轨腰、轨底构成组合梁，均采用2.5维方法进行求解，以考虑其无限长的特性[11]；计算单位移动荷载激励下的钢轨及轨道板垂向振动，通过瑞利积分求解其对标准点的声压贡献值[12]。模型需考虑轨道板的声反射影响[13]。轮轨系统及声学空间示意见图2。

图2 轮轨系统及声学空间

轮轨力计算采用向车辆运行的反方向抽取的等效方法。采用该方法，轮轨力可写为

P(w)=-[DW(w)+DR(w)+DC(w)]-1Z(w)

(1)

式中，DW(w)为车轮导纳矩阵；DR(w)为轨道导纳矩阵；DC(w)为接触弹簧导纳矩阵；Z(w)为粗糙度向量；P(w)为轮轨力向量。

如果考虑单个轮对和轨道的横垂向耦合，同时左右粗糙度相等，有

(2)

具体的轮轨噪声贡献计算流程和方法参见文献[14]，该方法无需基于商业计算软件，是基于编程软件对该方法进行编译并计算。

国内既有通车城际铁路线路中，在120～160 km/h速度范围内通常采用市域D型车[15]，而在160 km/h以上速度范围内通常采用CRH6型车[16]。两种车辆计算关键参数见表1。

表1 车辆建模关键参数一览

2.2 模型验证

广清城际线路设计速度为200 km/h，采用8节编组CRH6型动车组列车，全线线下基础含桥梁、隧道及路基，全线铺设CRTS双块式无砟轨道。选择广清城际铁路非减振地段直线段进行测试，测点位置行车速度为185 km/h。测点布置示意见图3，为不影响列车运营安全，测点1和测点2布置在距线路中心线13 m处，测点1距轨面高度为1.2 m，测点2距轨面高度为3.5 m。

图3 测点位置示意(单位：m)

测试采用UNV3062V网络分布式采集仪、INV9206型ICP声压传感器，频响范围20～20 kHz，量程20～146 dB，采用HS6020型声压校准器进行校准。所用声压传感器、校准器均由具备资质的第三方机构检定及校准合格。

测试处于高峰期段的10组实测数据取均值与仿真数据进行对比，实测数据与仿真数据对比见表2。测点1和测点2的预测值较实测值偏差在2 dB(A)以内，验证了预测模型可以适用于城际线的环境噪声预测。

表2 测试与预测结果对比

3 噪声源强预测

根据HJ 453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》，路基段噪声源强位于距轨道中心线7.5 m、钢轨顶面3.5 m高处。

基于前文建立的轮轨系统声辐射模型，计算得到不同速度下噪声源强的预测值。仿真模型中轨道结构为装配式预制轨道板整体道床，扣件采用普通弹性扣件，设计速度120～160 km/h时采用市域D型车，设计速度160～200 km/h时采用CRH6型车。汇总两种速度等级下地面线噪声源强建议值见表3、表4。

表3 120～160 km/h地面线环境噪声源强

表4 160～200 km/h地面线环境噪声源强

《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》给出了噪声源声压级随速度的修正：Cv=alg(V/V0)，V0为基准速度，通常为车外噪声的测试速度，a值为速度修正项系数。通过测试得到的噪声值对其他速度下的噪声值开展预测时需要加该修正值进行修正，即：SPL=SPLV0+Cv，SPLV0为V0速度下的声压级。因此，对等效A声级进行拟合时，有

SPL=alg(V/120)+b

(3)

式中，V为列车的运行速度；120代表120 km/h的基准速度，基准速度的选取不会影响拟合的速度修正项系数a值，将不同速度下的声压级带入上式进行拟合，可以得到拟合的a值和b值；a值表示声压随速度的增大速率；b值为120 km/h基准速度对应的拟合声压级。将速度120～200 km/h噪声源强预测结果带入拟合公式，得到路基段的速度修正项系数a值为24.9，低于《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》中的速度修正项系数30。

4 结论

基于有限元方法建立了轮轨系统声辐射预测模型，并在广清城际铁路现场进行了实测，验证了仿真模型的准确性。基于预测模型计算得出城际铁路不同速度下适用于《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》的噪声源强建议值，主要结论如下。

(1)地面线噪声源强(位于距轨道中心线7.5 m高、钢轨顶面3.5 m处)，设计速度120～160 km/h时噪声源强建议值在94.6～97.6 dB(A)之间，设计速度160～200 km/h时噪声源强建议值在97.6～102.5 dB(A)之间。

(2)根据实测数据与仿真模型计算结果拟合得到的《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》提出的噪声源声压级速度修正项系数为24.9，低于该标准中提出的速度修正项系数30，研究结论可为后续新建城际铁路线路环境评价噪声源强取值与线路降噪设计提供参考。