城市軌道交通的振動和噪聲對環境的影響及其對策

　　摘　要　分析了通過現場測試的上海軌道交通振動與噪聲的影響程度,以及不同軌道結構與橋梁及聲屏障的減振降噪效果。從車輛、橋梁結構、軌道結構與管理、聲屏障等方面,提出了城市軌道交通減振降噪的綜合技術措施。
關鍵詞　城市軌道交通,環境影響,振動,噪聲控制
軌道交通由于輪軌接觸、車輛設備(受電弓、電機、空調等) 等產生的振動和噪聲對周圍環境產生一定的影響。隨著人們生活水平的提高,對環境要求也越來越高。城市軌道交通要走可持續發展的道路,在解決好交通的同時也要確保良好的生活環境。本文通過對上海既有軌道交通線路的振動和噪聲進行測試,收集了國內外有關資料,分析其對環境的影響程度,提出了車輛、橋梁、軌道結構、聲屏障及軌道管理等方面的減振降噪措施。
1 　軌道交通的振動測試結果及分析
1. 1 　振動的產生與傳播機理
城市軌道交通在運營過程中,列車車輪與鋼軌之間產生撞擊振動,經過軌枕、道床,傳遞至隧道或橋梁基礎,再傳遞給地面,從而對周圍區域產生振動,并進一步傳播到周圍建筑物。這種振動干擾不僅對地鐵沿線民宅、學校、醫院等環境產生不良影響,而且可能對沿線基礎較差的建筑物造成損害。
振動波在土介質中的傳遞過程,其作用機理及傳播特性與地震基本相同。這些振動波遇到自由界面時,在一定條件下重新組合,形成一種彈性表面波,隨著離振源距離的不同,它們之間的能量也在改變,同時傳播速度、衰減率也為距離的函數。根據振動傳播理論,振動從地面進入建筑物,不同結構建筑物其振動衰減也不同。
1. 2 　振動測試結果
表1 上海地鐵1 號線的振動測試結果。
1. 3 　測試結果分析
結合振動的產生和傳播機理來分析上述振動測試結果,可以看出:
(1) 上海軟粘土埋深10 m 左右地下線路中心處最大振級在75～80 dB

表1 　北京地鐵沿線地面建筑物的振動測試資料[ 1 ]

(2) 矩形隧道結構DT Ⅲ 扣件道床振動加速度水平(94. 96 dB) 遠小于盾構隧道結構DT Ⅲ 扣件道床振動加速度水平(105. 11 dB)
(3) 扣件類型對地面建筑物振動影響明顯,減振型鋼軌扣件的減振效果比較明顯。
(4) 建筑物的振級(地面垂向Z 振級( VLZ) ) 大小與建筑的基礎類型、構造型式及其與地鐵線路的距離有密切關系。基礎較差的磚木結構或輕質結構,其振級與土壤接近,振動衰減小。

將上述測試結果與現行環保標準對照可以看出:在上海飽和軟土地層中,對于一般埋深(10 m 左右) 的地下線,其中心線處地表振動超標5～10 dB ; 當線路埋深超過30 m 時,混凝土基礎的建筑物的振動大大降低。
2 　軌道交通的噪聲測試結果及分析
2. 1 　噪聲的產生與傳播機理
軌道交通噪聲主要來源于高架線路列車運行時輪軌的接觸噪聲、車輛非動力系統噪聲(車輛的空壓機、空調機、電動機等),以及橋梁結構的二次振動引起的輻射噪聲、小半徑曲線路段上車輛輪緣與鋼軌間的摩擦聲。噪聲的大小與車輛型式、曲線半徑、橋梁與軌道結構等因素有關。
2. 2 　噪聲測試結果
在測試高架線路噪聲時,橋面以上部分的噪聲峰值大于橋面以下的噪聲峰值。當列車以60～80 km/ h 速度行駛在高架線路上時,其噪聲連續等效聲級可達85～90 dB(A) ( 單列車通過) 。其噪聲特點是聲級高,作用時間長,且以中低頻為主。
2. 3 　測試結果分析
結合噪聲的產生和傳播機理分析上述噪聲測試結果,可以看出:
(1) 高架線箱梁下的噪聲峰值為80 ～ 85 dB (A) ;
(2) 高架線路的噪聲峰值一般超標量為10～ 15 dB(A) ;
(3) 隨著建筑物距線路中心距離的增大,噪聲峰值也有所衰減。建筑物距離線路中心30 m 處, 噪聲可衰減5 dB (A) 左右。箱梁下的噪聲高達80 dB (A) 以上,說明鋼軌扣件和軌下基礎減振效果差,輪軌動力作用直接傳遞到梁體,引起較大的二次噪聲。
3 　城市軌道交通振動控制對策
城市軌道交通的振動控制是一項綜合性工作, 它牽涉到車輛、軌道、橋梁與隧道的結構型式、巖土特性、沿線建筑物結構型式及建筑物距離線路的遠近程度等。根據國內外經驗,只有根據具體線路情況,采用綜合性減振措施,才能取得顯著效果。
3. 1 　車輛選型
軌道交通車輛的性能對振動影響較大,應選用動力性能優良的軌道車輛,盡量降低車體重量和軸重,減小輪軌動力沖擊,采用先進技術如徑向轉向架或直線電機車輛等。
3. 2 　橋隧結構的選擇
為了降低振動在沿線傳播,針對橋、隧結構本身的減振措施,國外進行過大量的研究與實踐,主要有: (1) 采用框架式防振隧道結構,質量大、剛度大、整體性好的矩形隧道結構相對裝配式襯砌結構其換算振動加速度可降低8～15 dB 。(2) 暗挖工法施工隧道結構在隧道襯砌內側設置隔振層,避免軌道與隧道的直接接觸,降低振動波的傳播。(3) 采用雙箱梁或多箱梁等。
3. 3 　軌道結構振動控制措施
城市軌道交通軌道結構的設計有別于干線鐵路,其自身特點決定了軌道結構的設計原則“ 少維修,高彈性,減振降噪”。國內外大量研究表明,地鐵軌道結構按其減振效果可分成三大類:第一類為一般扣件,其豎向剛度在20～60 kN/ mm 之間,有一定減振降噪效果; 第二類為柔性扣件,其豎向剛度在10～25 kN/ mm 之間,用于減振要求相對較高區域;第三類為特殊要求的減振軌道結構(減振型軌下基礎),用于對減振降噪有特殊要求的地段。
(1) 柔性扣件
在地下段采用柔性扣件可降低地鐵運營對沿線建筑物的振動影響。上海地鐵1 號線的測試結果表明:Lord 扣件以及地鐵軌道減振器的減振效果明顯優于DT Ⅲ 型扣件。在減振要求較高地段,美國、新加坡、德國科隆、法國等均采用了減振型鋼軌扣件[ 2 ] 。
在高架線路采用柔性鋼軌扣件,減小了振動向橋梁和沿線建筑物傳遞,同時降低了輪軌噪聲和梁體的二次噪聲。在國外,高架線路廣泛采用了減振型鋼軌扣件。日本高架線路測試結果表明,采用柔性鋼軌扣件,噪聲可降低3 dB (A) 。
(2) 減振型軌下基礎( 浮置板式軌道結構及LVT 無碴軌道結構)
浮置板軌道結構降低振動水平20 dB 。在需要特殊減振的區間和綜合性多層車站等地段采用,如高架線路穿越整幢建筑物,地下線路經過對防振要求非常高的區域如音樂廳等。
LVT 無碴軌道(彈性支承塊式),即在支承塊下加一層彈性橡膠套,軌道的垂向剛度約為10～30 kN/ mm ; 垂向彈性由軌下和塊下雙層彈性橡膠墊板提供,最大程度地模擬了彈性點支承傳統碎石道床結構和受荷響應,并使軌道縱向彈性點支承剛度趨于一致。此外,在支承塊外設橡膠靴套提供了軌道的縱、橫向彈性變形,使這種無碴軌道在承載、動力傳遞和振動能量吸收諸方面更接近堅實基礎上的碎石道床軌道,從而使這種軌道結構的振動和噪聲減少到最低程度。LVT 無碴軌道結構(結構圖見文獻6 圖5) 被瑞士國營鐵路首次采用。由于其特有的減振、降噪、減磨等優越性能,后來被世界上許多國家所采用,如丹麥、英國、法國、葡萄牙等。當線路穿越居民區及一些對振動很敏感的單位( 如醫院、學校、居住區等) 時采用[ 4 ] 。
(3) 采用重型鋼軌、無縫線路
采用重型鋼軌可有效抑制鋼軌的垂向振動。將50 kg/m 鋼軌改成60 kg/m 鋼軌后,鋼軌的垂向剛度增加, 可以把列車沖擊而產生的振動降低10 % 。
采用無縫線路,即將標準軌焊接成長鋼軌,減少鋼軌接頭數量,從而減少接頭處輪軌沖擊引起的振動與噪聲。
(4) 加強軌道不平順管理
在列車運行過程中,軌道不平順引起動荷載明顯增大。動荷載的變化加速了軌道狀態的惡化,導致輪軌之間振動與噪聲增大。測試結果表明:鋼軌打磨后,在振動頻率為8～100 Hz 范圍內,振動水平下降4 ～ 8 dB , 站臺上的振動水平下降5 ～ 15 dB[ 5 ] 。控制軌道不平順是降低輪軌之間振動與噪聲的有效措施。為此應加強軌道不平順管理,制定嚴格的養護維修計劃,確保軌道處于平順狀態,從而減少振動與噪聲對周圍環境的影響。
4 　噪聲控制措施
城市軌道交通噪聲控制的對策除采用上述各項減振措施外,還需在噪聲源(輪軌動力作用) 、噪聲傳播途徑的阻截(聲屏障設置) 及振動噪聲敏感目標的防護等方面采取有效措施,才能取得理想效果。
(1) 車輛的特殊設計
高架軌道交通車輛應進行特殊設計,如增加車輛裙板及車底設置吸聲結構等。香港西鐵就采用這種形式的車輛。
(2) 打磨輪軌表面,使輪軌表面平滑化
輪軌噪聲是軌道交通噪聲的主要來源。由于噪聲和振動在500～2 500 Hz 頻率范圍內線性相關,且鋼軌在此范圍內是主要的輻射體,因此,有效抑制鋼軌振動、減小鋼軌的振動加速度和頻率是降噪的關鍵。輪軌系統激擾是引起輪軌相互動力作用的根本因素,沒有激擾就不會產生振動和沖擊, 也不會輻射出噪聲。因此,必須嚴格控制輪軌系統的振動激擾源。早期一些研究表明,由于輪軌作用面的局部不平順(粗造度) 而產生振動,從而引起滾動噪聲。鋼軌頂面的粗糙度是產生滾動噪聲的主要聲源。
(3) 線路選線及高架結構型式的選擇
在環境敏感地段,線路選線應盡量避免采用小半徑曲線,以減小輪緣對鋼軌內側的沖擊,降低輪軌接觸中的尖叫噪聲。同時還可結合巖土地質特性,采用不同的線路型式。如德國柏林的一條地鐵在穿越高檔別墅區時就采用了穿越深路塹的方式來降低噪聲對周圍環境的影響。高架橋梁結構采用槽型梁也可有利于降低噪聲。
(4) 采用彈性鋼軌
在振動和噪聲敏感地段,可在軌腰兩側粘貼防振材料,即采用彈性鋼軌,增加振動沿鋼軌的衰減率。當裝上吸振材料后,鋼軌的聲功率可降低12 dB 。日本的高架鐵道采用了這種形式,測試結果表明,可降低噪聲3～5 dB(A) [ 7 ] 。
(5) 設置聲屏障聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施。在地面和高架城市軌道交通采用聲屏障可

參　考　文　獻
1 　王毅. 北京地下鐵道振動對環境影響的調查與研究. 地鐵與輕軌,1992 ,21～24
2 　Esveld C. Railway -induced ground vibration. Rail Engng Intern , 1991 ,(2)
3 　Walker J G. Metros should be silent servants. Develop metros , 1992
4 　VADILLO E G. Subjective reaction to structurally radiated sound from underground railway : Field results.J Sound &Vibr , 1996 , 193 (1)
5 　Moehren H H. The dynamics of low vibration track. RT&S , 1991 , 87(9)
6 　焦金紅,張蘇,耿傳智等. 軌道結構的減振降噪措施. 城市軌道交通研究,2002 , (1) :61～65
7 　戶源春彥. 防震橡膠及其應用. 牟傳文譯. 北京:中國鐵道出版社,1982