西成铁路东平站大跨度桥梁半封闭声屏障设计方案研究

朱玮杰

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 环境与设备设计院，陕西 西安 710043）

1 概述

随着我国城镇化的迅速发展、“八纵八横”铁路网的快速推进及城市轨道交通的发展，新建线路与既有线路在城市建成区段的接轨需要以高架桥的形式实现，相应出现了左右线引入既有线、多线大跨度桥梁、多线变单线桥梁等复杂特殊结构桥梁形式。同时，我国轨道交通的经济带动作用明显，车站的建成将使车站周边快速建成诸多高层建筑，接轨的城市建成区大多数已划定为1 类、2 类声环境功能区[1-4]。为了满足声环境质量要求，需要采取针对性措施进行噪声治理。

自我国首个全封闭式声屏障建成以来，陆续在哈齐客运专线、深圳地铁六号线等轨道交通项目中采用封闭式声屏障技术，改变了原有仅采用直立式声屏障辅以隔声窗的噪声治理措施，较立式声屏障4～8 dB的降噪效果提高至15 dB以上[5-11]，有效降低了轨道交通噪声的影响，保证了当地声环境质量现状达标。目前封闭式声屏障设置位置主要为单线桥或双线桥，桥梁及声屏障跨度相对较小，尚未在高架桥站区设置封闭式声屏障，不涉及站区渡线及信号设备避让问题，亦尚未出现多线桥至单线桥过渡段设置封闭式声屏障的案例。

根据环评批复要求，西宁至成都铁路(以下简称“西成铁路”)在东平站设置半封闭声屏障1 处，该站位于海东铁路枢纽中，承担西成铁路接入兰新高速铁路和拟建曹家堡综合交通枢纽前的待避功能，为三线桥站，桥高约15～40 m，跨度20.3 m，出站后三线桥过渡为2 个单线桥引入既有兰新高速铁路海东西站，声屏障设置段落包括三线桥段和单线桥段。东平站段线路与既有平阿高速公路并行，根据青海省声环境功能区划，该段为1类声功能区，涉及6～20层高层小区噪声敏感点5处、学校和医院等特殊噪声敏感点3处，需采用封闭式声屏障满足噪声治理要求。为此，进一步比选设计总体方案以确定最优方案，从结构和运营安全角度考虑开展防腐、防雷设计，针对极端天气和跨越立交段开展防风、防雪、保温、排水等辅助设计。

2 设计方案研究

2.1 梁部结构方案比选

目前国内尚无大跨度桥梁设置封闭式声屏障的工程案例，在设计方案研究阶段，为减少封闭式声屏障结构的设置高度和跨度，从梁部结构方案角度比选了U 型梁方案、箱梁单线+双线桥方案，以及箱梁一幅三线桥方案。

U 型梁自身结构形式对轮轨噪声有一定的遮蔽效应[12]，可充分利用桥梁结构降低声屏障高度，继而降低声屏障设计难度，但目前国内轨道交通U型梁设计实践均集中在单双线，东平站大小里程两侧咽喉区道岔渡线集中，三线道岔区U型梁设计困难且施工难度大，质量难控制，若采取U 型梁“单线+双线”并列布置，在满足曲线段超高要求的前提下将导致腹板布置空间局促，难以满足大型机械养护要求。

根据环评要求，为实现降噪效果，需封闭桥梁右侧两线，目前双线封闭式声屏障设计已有工程实例可供参考，通过车站来优化线间距布置，桥梁采用“单线+双线”并置，声屏障设置可在双线梁上，减小声屏障设置跨度。因此，对一副三线桥和“单线+双线”并置方案进行了研究，东平站两侧咽喉区道岔渡线集中，采用“单线+双线”布置则单线预架梁施工困难且预架梁孔数相对较少，道岔区受渡线影响仍需设置三线结构，而一副三线桥方案考虑结构设计整体刚度好、结构对称且施工相对方便，推荐一幅三线桥方案。

2.2 声屏障形式选择

封闭式声屏障结构形式主要为门形和拱形，虽然拱形封闭式声屏障在景观效果、抗风、抗雪、雨水排放等方面表现较好，但从设计、施工、运维、造价等多角度考虑，门形封闭式声屏障具有柱脚底板尺寸小、对桥面系及四电专业影响小、型钢加工和安装方便、不需单独搭建安装平台、运营维护不需单独配置检修通道或检修车、单位造价和维护成本低等优点。此外，从安全角度考虑，外覆式声屏障较插入式声屏障可避免因单元板插入深度不足导致单元板松脱或窜出的安全隐患问题，而且在三线桥声屏障过渡到单线桥声屏障区段，可利用外敷式声屏障的结构层尺寸变化，使声屏障板材顺接，避免出现漏声现象。因此，工程采取门形外敷式半封闭声屏障形式。

2.3 声屏障结构设计方案确定

从声屏障结构考虑，对一幅三线桥全框架中间不设柱、一幅三线桥全框架中间设柱、一幅三线桥包双线3个结构设计方案进行了比选(详见表1)，虽然一幅三线桥包双线方案可减小声屏障跨度，但受站区渡线影响，在咽喉区仍会出现声屏障结构覆盖全部三线桥的段落，并且该方案需在股道中间设立基础，声屏障立柱易与转辙机位置发生冲突，增加现场安装困难，同时对铁路的运营和维护有一定影响。因此，声屏障结构形式考虑全框架声屏障设计方案，其中一幅三线桥全框架中间不设柱方案较一幅三线桥全框架中间设柱方案，增大了结构的跨越能力，结构内部空间较大，对声屏障的施工安装干扰小，便于后期工务的检修，但缺点是大跨度的刚度较差，需要加大钢结构载面尺寸和一些构造措施来满足结构要求，并需要进行结构验算。

表1 方案比选

2.4 声屏障结构验算

目前国内尚无三线桥大跨度声屏障工程案例，为保证本工程满足规范要求，采用软件建立计算模型，主结构立柱和横梁采用型钢，型钢尺寸为截面高度390 mm、截面宽度300 mm、腹板厚度10 mm、翼缘厚度16 mm；檩条采用C 型檩条，檩条尺寸为截面高度180 mm、截面宽度170 mm、卷边宽度20 mm、厚度3 mm；材料为Q355D 型钢，支撑立柱柱脚按固接形式建立，建立模型如图1所示。

图1 声屏障计算模型建立

通过对模型输入恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、列车气动荷载、接触网荷载、地震荷载等一系列荷载参数，确定单项反力和组合反力结果，在标准组合包络条件下，验证声屏障顶柱最大位移、钢梁最大扰度及最大应力比均满足规范要求。同时，对柱脚节点进行验算，单个螺栓抗拉承载力，按 15%～20%的富余量考虑，根据计算结果得出立柱锚固螺栓及底板下混凝土压应力也均满足规范要求。通过建模验证，三线大跨度桥梁(中间不设柱)半封闭声屏障设计方案可行。

2.5 声屏障结构降噪目标

为满足环评批复要求，外覆式声屏障要求降噪系数≥0.7，隔声量≥30 dB。根据环评预测结果(见表2)，基于一层、五层、十层、十五层和十八层，分别对铁路运营后的噪声超标量进行了预测，再结合声屏障措施采纳之后确定了预测值，达到理想的降噪效果。

表2 半封闭声屏障声学预测 dB

3 声屏障主体结构设计

3.1 设计要求及设计参数

（1）声屏障结构安全等级一级，主体结构设计使用年限100年，螺栓设计使用寿命均为50年，声屏障吸隔声材料设计使用寿命为25年，金属部件的防腐年限不小于25年。

（2）荷载情况。基本风压为0.50 kN/m2(重现期100年)，地面粗糙度B类，屋面活荷载为0.50 kN/m²，列车气动风压为0.32 kN/m²，风压高度变化系数μz、阵风系数βgz按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取值，三线桥全框架半封闭声屏障μz取值为1.47、阵风系数βgz取为1.58，单线全框架半封闭声屏障μz取值为1.62、阵风系数βgz取为1.55。基本雪压为0.25 kN/m2(重现期100 年)，建筑结构的安全等级二级，结构的重要性系数1.0，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1 g，建筑场地类别为II类，场地特征周期0.35 s。

3.2 声屏障结构形式

全框架半封闭声屏障结构形式采用门式框架，三线桥全框架半封闭声屏障立柱均采用型钢，型钢尺寸为截面高度390 mm、截面宽度300 mm、腹板厚度10 mm、翼缘厚度16 mm，间距2 m。桥梁边墙内侧接触网立柱与声屏障立柱合并；三线桥全框架声屏障基础与桥梁边墙用8根M30的高强螺栓连接。单线桥全框架半封闭声屏障立柱采用型钢，型钢尺寸为截面高度250 mm、截面宽度250 mm、腹板厚度9 mm、翼缘厚度14 mm，间距2 m。接触网立柱与声屏障立柱合建。声屏障基础与桥梁边墙用6根M27高强螺栓连接。声屏障立柱基础按设计要求在现场预埋在边墙内。三线桥半封闭声屏障和单线桥半封闭声屏障剖面如图2和图3所示。

图2 三线桥半封闭声屏障剖面

图3 单线桥半封闭声屏障剖面

3.3 材料材质选择和确定

屋面材料选择外敷式，从下往上共7 层，依次为穿孔底板、内防水层、吸音层、外防水层、面板、隔声板龙骨(含铝合金夹具)和隔声板。

（1）穿孔底板。1 mm厚穿孔压型铝锰镁合金板，防腐为正面PVDF两涂两烤预辊涂烤漆面板(氟碳树脂含量不低于70%)，烤漆干膜厚度≥25 μm。板厚1 mm，肋高28 mm，肋间距205 mm，有效宽度为820 mm，穿孔率23%，孔径3 mm。基材：屈服强度≥115 MPa；抗拉强度145～195 MPa；铝板基材符合《一般工业用铝合金板、带材》(GB/T 3880—2012)，防腐涂层符合《建筑用铝型材、铝板氟碳涂层》(JG/T 133—2000)。

（2）内防水层。内防水层采用的透汽膜材料物理性能指标应符合《透汽防水垫层》(JC/T 2291)的相关规定，并选用 Ⅱ 型，其规格不应低于50 g/m2。

（3）吸声层。吸声材料的燃烧性能为A级，采用离心环保玻璃棉，密度32 kg/m3，厚度为100 mm；符合《建筑绝热用玻璃棉制品》(GB/T 17795—2008)规定，纤维直径≤8.0 μm，渣球含量(粒径大于0.25mm)≤0.3%，密度偏差≤15%，燃烧性能A 级不燃。降噪系数≥0.8。

（4）外防水层。铺设在声屏障内隔声板的内侧，具有挡水、透汽功能，可将外界水与空气气流阻挡在声屏障吸声层外部，同时能将外覆式声屏障系统吸声层中的潮气排出。外防水层采用的透汽膜材料物理性能指标应符合《透汽防水垫层》(JC/T 2291)的相关规定，并选用 Ⅱ 型，其规格不应低于50 g/m2。

（5）面板。采用金属直立锁边板，其板宽为400 mm，直立肋高65 mm。板材采用1.0 mm 厚铝镁锰板材。正面采用两涂两烤预辊涂烤漆面板，正面漆膜厚度≥25 μm。免维护使用年限达到40年。板型需带有3条与板肋平行通长波纹，起加强作用，避免出现卷曲现象。采用直立锁边方式。锁边立缝的开口方向应视屋面的排水方向锁定，需向下并朝双曲面面板的下坡方向，避免雨水进入。

（6）隔声板龙骨。采用Q235B镀锌方钢。

（7）隔声板。隔声板材采用3 mm 厚铝锰合金单板，板材上不能出现弧状弯曲、凹痕、铸板凹陷、下陷、外弯、波痕、翘曲、突变或其他可见变形情况。板材表面需进行氟碳树脂喷涂处理，氟碳树脂含量不应低于70%，表面氟碳树脂涂层厚度≥40 μm，且需经过至少三涂三烤工艺，背面无涂层。铝合金板材屈服强度≥115 MPa；抗拉强度145～195 MPa；铝板基材符合《一般工业用铝合金板、带材》(GB/T 3880—2012)，防腐涂层符合《建筑用铝型材、铝板氟碳涂层》(JG/T 133—2000)。

4 声屏障辅助设计

该段声屏障工程位于海东市平安区，年最低气温较低，风速较大，从结构和运营安全、应对极端天气和保证跨越立交段安全等角度出发，声屏障的辅助设计重点解决防腐、防雷、防风、排水和防雪等问题。

4.1 防腐设计

所有外露及隐蔽的钢构件(除不锈钢材质外)必须进行防腐处理，防腐处理前应对钢材除锈，除锈等级应达到Sa3 级。外露的系杆、斜支撑、檩条及型钢立柱均采用热浸镀锌。所有外露螺栓、螺母防腐应采用多元合金共渗+锌铬涂层+封闭层，防腐年限不小于25年。接合部的外露部位和紧固件，工地焊接区及经常碰撞脱落油漆部位在构件安装后需补涂防腐底漆1道。埋入混凝土的钢构件、高强螺栓连接摩擦面、构件剖口部位不得刷油漆或油污。

4.2 防雷设计

将外覆式声屏障3 mm厚铝制隔声板作为接闪器，避雷引下点以不大于10 m×10 m的网格分布，在每个防雷引下点位置，通过镀锌钢板连接件作为引下线，将电流引至主钢结构与接地点，形成避雷体系。电流传递方式：雷电→铝隔声板→隔声板龙骨→板肋固定夹→全咬合高强板→固定支座→镀锌钢板引下线→屋面檩条→主钢结构→接地点。

4.3 防风设计

选用高品质固定座及固定螺钉，保证屋面板与固定座、固定座与檩条的可靠连接，在檐口位置增设抗风扣件，对檐口位置进行加强。外覆式声屏障系统施工前应由专业的检测机构进行抗风揭试验，抗风揭试验试件需与实际工程中一致。

4.4 排水与防雪设计

声屏障帽檐或边缘采用排水引流措施，声屏障顶部横向排水采用檩托起坡，声屏障顶部排水坡度采用5‰，避免声屏障边缘滴水结冰或形成连续水流引起接触网故障。跨越公路、市政道路等处外覆吸声板底部设置集水沟，沟内沿纵向设3‰的排水坡度，同时采用电伴热防止集水沟底部出现冰凌现象，声屏障外部增加2 道碎雪装置，位于屋面檩条处沿线路方向每隔250 mm设置。

5 结论

（1）西成铁路东平站工程方案复杂，噪声敏感点受既有高速公路影响，声环境质量现状超标，列车运营将加剧对周边环境的噪声影响，环评批复要求采用半封闭声屏障降低噪声影响。设计阶段从降噪效果、方案可实施性、结构安全性及运营维护等方面进行综合比选，最终采用三线大跨度桥梁半封闭声屏障，将随西成铁路开通运营同步投入使用。

（2）该声屏障采用的20.3 m大跨度桥梁封闭式声屏障国内尚无应用案例，声屏障主体结构设计需要处理好站场、轨道、桥梁、接触网等专业之间的衔接，满足相关专业的要求；同时，必须检算结构的整体稳定性以保证结构安全。施工过程中，还需高度关注预埋螺栓精度、现场加工焊接质量，以及安装、施工工艺、施工组织等环节。

（3）随着国家环境保护要求的不断提高，未来可能会有越来越多的铁路项目采取封闭式声屏障措施以实现降噪效果。本次三线大跨度桥梁半封闭声屏障的设计，为后续铁路项目类似封闭式声屏障设计积累了经验，对于铁路噪声防治技术的发展具有积极意义。