深圳地鐵環(huán)境噪聲與聲屏障降噪數(shù)值模擬研究

楊 易 金新陽 王敏遠(yuǎn) 余保紅

(1.中國建筑科學(xué)研究院,100013,北京;2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,518026,深圳∥第一作者,副研究員)

城市軌道交通在離開城市中心區(qū)后一般都采用高架形式,以降低施工成本,加快建設(shè)周期。但在高架上快速行駛的城市軌道交通列車將不可避免地會(huì)給沿線居民住宅、辦公樓等帶來環(huán)境噪聲滋擾問題。噪聲超標(biāo),將造成環(huán)境噪聲污染。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,公眾對居住環(huán)境品質(zhì)的要求日益提高,對環(huán)保問題日益關(guān)注,因此研究城市軌道交通環(huán)境噪聲問題,從環(huán)境保護(hù),建設(shè)和諧、宜居的人居環(huán)境的角度,是非常有必要。

本文以深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程為例,采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法,建立整條高架線路的大型噪聲模擬預(yù)測數(shù)值模型,進(jìn)行環(huán)境噪聲與聲屏障降噪數(shù)值模擬研究,為深圳地鐵主管部門和設(shè)計(jì)、建設(shè)單位做好地鐵高架沿線的噪聲防護(hù),以減少地鐵列車噪聲的影響提供科學(xué)參考。

深圳地鐵1號(hào)線(羅寶線)續(xù)建工程是深圳地鐵一期工程1號(hào)線的延伸線,起于一期工程的終點(diǎn)站世界之窗站,終至機(jī)場東站(原深圳機(jī)場站);線路全長約23.6 km,其中地下線 19.8 km,地面線 0.4 km,高架線 3.4 km,共設(shè)車站15座。深圳地鐵列車采用鋁合金A型車,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,相應(yīng)的主噪聲源為輪軌噪聲。列車為標(biāo)準(zhǔn)的6輛編組,4動(dòng)2拖,總長約140 m,每3輛車組成一個(gè)控制單元。整列車定員為1 860人。

1 軌道交通噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)和引用標(biāo)準(zhǔn)

在軌道交通噪聲預(yù)測評(píng)估中,通常采用等效連續(xù)A聲級(jí)LAeq作為衡量噪聲大小的指標(biāo)。等效連續(xù)A聲級(jí)是指隨時(shí)間變化的噪聲級(jí)在測量時(shí)間 T內(nèi)與其能量相等的連續(xù)穩(wěn)定噪聲級(jí),其定義為：

式中：

T——等效聲級(jí)的計(jì)算時(shí)間;

Pref——參考聲壓 ,Pref=20 μ Pa;

由于我國目前尚無專門的城市軌道交通環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn),在城市軌道交通工程噪聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)中,可以參照我國相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn),例如《GB 3096—93城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》[1]等?！禛B 3096—93城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了城市五類區(qū)域的環(huán)境噪聲最高限值。其中,4類標(biāo)準(zhǔn)(晝間70 dB,夜間55 dB)適用于城市中的道路交通干線道路的兩側(cè)區(qū)域和穿越城區(qū)的內(nèi)河航道兩側(cè)區(qū)域。穿越城區(qū)的鐵路主、次干線兩側(cè)區(qū)域的背景噪聲(指不通過列車時(shí)的噪聲水平)限值也執(zhí)行該類標(biāo)準(zhǔn)。此外,我國在1990年頒布了《GB 12525—90鐵路邊界噪聲限值及其測量方法》[2],其中明確規(guī)定了鐵路邊界的噪聲限值為70 dB(A)。國外也有一些鐵路噪聲標(biāo)準(zhǔn)可供參考,例如日本新干線沿線噪聲控制在70 dB,法國高速鐵路沿線控制在75 dB以下。部分國家的鐵路噪聲法規(guī)和噪聲標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[3]。

2 環(huán)境噪聲模擬數(shù)值建模

通常,軌道交通環(huán)境噪聲的評(píng)價(jià)范圍一般可設(shè)定為高架段兩側(cè)距外軌中心線各150 m的區(qū)域。深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程的高架線路總長為3.4 km,使本工程的環(huán)境噪聲模擬與評(píng)估具有線路長、影響范圍廣、建筑環(huán)境復(fù)雜及計(jì)算量龐大等特點(diǎn)。針對這一大型復(fù)雜工程,國內(nèi)外目前尚無類似參考案例可循。為此,通過翔實(shí)的資料查閱和調(diào)研,制定了合理的研究方案,利用國際先進(jìn)的噪聲模擬與評(píng)估軟件SoundPLAN,建立整個(gè)地鐵高架線路的環(huán)境噪聲數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型。SoundPLAN軟件使用基于幾何聲學(xué)模擬的扇形模型方法進(jìn)行聲場計(jì)算。該方法可以覆蓋接受點(diǎn)周圍所有的區(qū)域,相對射線追蹤法更為準(zhǔn)確。

首先,依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程高架橋以及沿線的地形和建筑環(huán)境規(guī)劃圖,建立本工程的三維環(huán)境噪聲數(shù)值模型(見圖1)。對于高架橋,參考橋梁專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙,按照每一跨的設(shè)計(jì)參數(shù)(包括地勢高度、橋墩高度、橋梁寬度和厚度等)逐一取值建模,以求準(zhǔn)確;對于沿線建筑,以規(guī)劃圖為藍(lán)本,建立沿線受影響區(qū)域150 m或更大范圍的幾乎所有建筑模型,總數(shù)達(dá)百余棟。這樣,數(shù)值模型中包括了整個(gè)工程所在地的地形地勢、高架橋梁、沿線兩側(cè)影響范圍內(nèi)的建筑、人行天橋等詳細(xì)的工程環(huán)境,整個(gè)面積約3 km2。由于工程所在地的地形和建筑環(huán)境較繁雜,為準(zhǔn)確起見,建模除參考本工程的線路規(guī)劃和設(shè)計(jì)圖紙資料外,同時(shí)參考了Google Earth提供的工程所在地的衛(wèi)星地圖,力求盡量準(zhǔn)確模擬工程所在地的地形地貌和建筑環(huán)境。

圖1 深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程高架區(qū)間環(huán)境噪聲預(yù)測數(shù)值模型

其次,建立地鐵列車噪聲源模型和合理設(shè)定噪聲源參數(shù)。依據(jù)地鐵列車噪聲源的特點(diǎn),在數(shù)值模型中,可以合理地將整條高架線路模擬成線聲源,所產(chǎn)生的噪聲按照線聲源的規(guī)律在空氣中傳播。由于本工程的線路尚在建設(shè)中,無列車噪聲源實(shí)測數(shù)據(jù)可用。在此情況下,利用經(jīng)過篩選和驗(yàn)證過的有關(guān)資料確定噪聲源的噪聲級(jí)。在本項(xiàng)目中,根據(jù)車輛特性,參考類似軌道交通工程如上海軌道交通2號(hào)線和3號(hào)線列車[4]、大連軌道交通等工程實(shí)測等效連續(xù)A聲級(jí)實(shí)測數(shù)據(jù),通過設(shè)定列車的類型、白天運(yùn)營車次、制動(dòng)百分比、運(yùn)營速度、列車長度等參數(shù),以及考慮高架橋梁二次振動(dòng)噪聲等修正因素,合理確定本項(xiàng)目列車噪聲源的噪聲級(jí)。設(shè)定噪聲源的噪聲級(jí)為92 dB(A)(單列車軌道,同時(shí)在噪聲源模型中,不考慮環(huán)境背景噪聲的影響)。

3 數(shù)值模擬計(jì)算工況

進(jìn)行了如下不同工況下環(huán)境噪聲的數(shù)值模擬：

1)高架橋軌道兩側(cè)未設(shè)置任何聲屏障;

2)高架橋軌道兩側(cè)設(shè)置高度為2 m的直立式聲屏障(聲屏障靠軌道內(nèi)側(cè)材料的表面吸聲系數(shù)為0.8,外側(cè)材料的表面吸聲系數(shù)為0)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算結(jié)果分為三部分給出：

1)分別計(jì)算離地高度為2 m(行人高度)和12 m(高架橋大致高度)的平面上環(huán)境噪聲的整體分布。每一高度又分有、無聲屏障兩種不同工況,這樣共計(jì)有4種不同計(jì)算工況,來從整體上比較有無聲屏障的影響。作為示例,圖2給出了2 m高平面環(huán)境噪聲整體分布云圖計(jì)算結(jié)果比較。圖2中的指標(biāo)“”表示是晝間6：00～22：00的等效連續(xù) A 聲級(jí)dB(A),此時(shí)段基本涵蓋了深圳地鐵1號(hào)線運(yùn)營的絕大部分時(shí)間(約從6：30～23：00)?？梢钥闯?設(shè)置聲屏障后,整體上降噪效果非常明顯,行人高度接收到的噪聲水平明顯降低。

圖2 離地2 m高的平面噪聲分布云圖

2)選取高架沿線垂直于線路走向的6個(gè)典型橫截面(編號(hào)為Ⅰ～Ⅵ,截面位置選擇在沿線建筑較集中、比較靠近高架處,并具有代表性),計(jì)算這些位置平面上的噪聲分布,以顯示在垂直方向上環(huán)境噪聲的整體空間分布。每個(gè)截面同時(shí)考慮有、無聲屏障的影響,這樣共計(jì)有12個(gè)計(jì)算工況。橫截面的垂直高度取為離地50 m高。作為示例,圖3給出了橫截面Ⅳ上有、無聲屏障的噪聲分布圖比較結(jié)果。從圖3可以看出,設(shè)置聲屏障后,由于聲屏障的反射作用,高分貝的噪聲向兩側(cè)擴(kuò)散的范圍顯著減小,這對改善兩側(cè)建筑物接收到的噪聲水平有利。

3)選取深圳地鐵1號(hào)續(xù)建工程高架段沿線兩側(cè)105棟典型建筑(這基本涵蓋了高架沿線兩側(cè)第一排的絕大部分建筑),計(jì)算未設(shè)置聲屏障和設(shè)置聲屏障后這兩種不同工況下這些建筑立面的噪聲等級(jí),以定量評(píng)估深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程高架線路對沿線建筑噪聲環(huán)境的影響。這也是進(jìn)行環(huán)境噪聲評(píng)估和降噪設(shè)計(jì)所最關(guān)心的問題。

圖3 典型橫截面Ⅳ的噪聲分布圖

為方便說明,首先將選取的105棟建筑物進(jìn)行編號(hào),軌道右側(cè)建筑物用 R1、R2、R3、……編號(hào),軌道左側(cè)建筑物用L1、L2、L3……編號(hào);又在選取的每棟建筑物的每一立面上,沿高度方向在每層中間位置布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn),共計(jì) 2 276個(gè)檢測點(diǎn)(如圖4所示)。將計(jì)算得到的設(shè)置聲屏障前后每棟建筑物每一監(jiān)測點(diǎn)上的,分別和晝間噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較(Ld,lim=70 dB(A));并對設(shè)置聲屏障前后每一監(jiān)測點(diǎn)上噪聲差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1給出了部分計(jì)算結(jié)果)。

圖4 噪聲監(jiān)測點(diǎn)示意圖

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

1)由于深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程高架段軌道交通本身的噪聲源強(qiáng)較高,導(dǎo)致高架沿線的晝間噪聲水平整體上處在較高水平。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,建筑物立面監(jiān)測點(diǎn)接收到的噪聲水平基本和靠近高架的距離成正比;在未設(shè)置聲屏障工況下,高架沿線臨街第一排建筑物立面(朝向高架方向)的噪聲水平基本都達(dá)到或超過了我國《GB 3096—93城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的第4類標(biāo)準(zhǔn)(適用于城市中的道路交通干線道路兩側(cè)區(qū)域)晝間70 dB(A)的上限值。統(tǒng)計(jì)表明,高架沿線第一排建筑物正立面上所有監(jiān)測點(diǎn)的晝間噪聲均值達(dá)到約75 dB(A)。因此,有必要采取降噪措施降低地鐵列車噪聲對周圍環(huán)境的不利影響。

2)在高架軌道兩側(cè)設(shè)置聲屏障是降低城市軌道交通噪聲的有效方法。本研究計(jì)算表明,若設(shè)置2 m高的聲屏障(內(nèi)側(cè)吸聲系數(shù)為 0.8),高架沿線兩側(cè)建筑物正立面監(jiān)測點(diǎn)的平均噪聲水平降低約為4 dB(A),其中最大降噪達(dá)到10.6 dB(A)。設(shè)置聲屏障,將使得高架沿線臨街第一排建筑物監(jiān)測點(diǎn)接收到的噪聲水平顯著降低。

表1 建筑立面噪聲計(jì)算結(jié)果dB(A)

5 聲屏障降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

聲屏障的高度將直接影響到降噪效果。理論上聲屏障越高,聲程差越大,則噪聲的衰減量越大,降噪效果越好[6]。但聲屏障也不是越高越好,太高會(huì)帶來一些實(shí)際問題。

現(xiàn)采用數(shù)值模擬方法,進(jìn)一步研究聲屏障設(shè)置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,以供設(shè)計(jì)參考。需要說明的是,本研究中的“優(yōu)化設(shè)計(jì)”指的是：在設(shè)定的計(jì)算參數(shù)和條件下,以高架橋沿線已建建筑物立面接收點(diǎn)上接收到的噪聲水平不高于《GB 3096—93城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中第4類標(biāo)準(zhǔn)晝間70 dB(A)的限值為優(yōu)化目標(biāo),對深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程高架段軌道兩側(cè)擬設(shè)置的直立式聲屏障的分段設(shè)計(jì)高度進(jìn)行優(yōu)化,從而使其噪聲水平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)行聲屏障降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究的數(shù)值模型與上述相同。

5.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法

在選取的每棟建筑物每一立面上,沿高度方向在每層中間布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(如圖4所示),考察和比較這些監(jiān)測點(diǎn)上在有、無聲屏障的工況下接收到的噪聲水平。聲屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：

1)首先通過數(shù)值模擬,計(jì)算所有監(jiān)測點(diǎn)上在沒有聲屏障的工況下接收到的晝間等效A聲級(jí)Ld;

2)然后以高架橋的每一跨為自然分段,逐步增加高架橋兩側(cè)每一跨聲屏障的高度,每段聲屏障的初始高度從0開始,以0.5 m為一檔階梯狀連續(xù)增加,直至高架橋沿線兩側(cè)所考察的建筑物立面上監(jiān)測點(diǎn)接收到的晝間等效A聲級(jí)Ld不高于我國《GB 3096—93城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的第4類標(biāo)準(zhǔn)晝間70 dB(A)的限值。

5.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

圖5給出了經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,高架橋兩側(cè)的聲屏障的分段高度示意圖。圖中的橫坐標(biāo)表示高架橋樁號(hào)位置,縱坐標(biāo)為聲屏障的高度。

圖5 聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖

從圖5中可以看出,由于高架橋沿線散布的建筑物距軌道中心線的間距不等,其空間分布方位、體型、層數(shù)等參數(shù)也不同,因此對沿線這些分散的目標(biāo)進(jìn)行噪聲防護(hù)的聲屏障也隨著高架橋的走向而變化,故經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的聲屏障在外觀形態(tài)上呈現(xiàn)出高低錯(cuò)落的分段階梯狀。

5.4 結(jié)果分析

本研究提供了在設(shè)定的計(jì)算參數(shù)條件和優(yōu)化目標(biāo)下,高架橋兩側(cè)直立式聲屏障理論上的優(yōu)化設(shè)置方案。計(jì)算結(jié)果顯示,聲屏障的高度經(jīng)過優(yōu)化后,高架橋沿線兩側(cè)所考察的建筑物立面監(jiān)測點(diǎn)的噪聲水平基本上都達(dá)到了GB 3096—93中規(guī)定的第4類標(biāo)準(zhǔn)70 dB(A)的限值。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,聲屏障的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到聲學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)。聲屏障設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循一些原則[7],并結(jié)合工程實(shí)際要求來進(jìn)行[8]。

6 結(jié)語

城市軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境噪聲問題,已隨著公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)而日益引起關(guān)注。城市軌道交通建設(shè)的工程規(guī)模龐大,線路長,影響范圍廣,地理和建筑環(huán)境復(fù)雜,數(shù)值模擬的計(jì)算量龐大。如何采用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段對大型的城市軌道交通工程的環(huán)境噪聲影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估,是一個(gè)具有一定挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題。目前國內(nèi)外可供參考的案例尚不多見。本文在此方面做了探索,以深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程為例,采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真方法,建立了整條高架線路的大型環(huán)境噪聲數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型;在數(shù)值建模中,參考設(shè)計(jì)單位提供的高架橋、沿線地形和建筑環(huán)境規(guī)劃圖,以及Google Earth提供的衛(wèi)星地圖,力求準(zhǔn)確模擬工程所在地的地形地貌和建筑環(huán)境;給出了受影響區(qū)域水平面、橫剖面,以及沿線建筑物接收到的噪聲水平等詳盡的研究結(jié)果;對設(shè)置聲屏障前后的降噪效果進(jìn)行了仔細(xì)分析比較,并給出了聲屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本文研究將對深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建工程科學(xué)合理地進(jìn)行環(huán)境噪聲影響的防護(hù),以及類似大型軌道交通工程的環(huán)境噪聲研究具有一定的參考價(jià)值。

[1]GB 3096—93 城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB 12525—90 鐵路邊界噪聲限值及其測量方法[S].

[3]劉加華,練松良.城市軌道交通振動(dòng)與噪聲[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002,2(1)：29.

[4]葛世平.城市軌道交通的振動(dòng)和噪聲對環(huán)境的影響及其對策[J].城市軌道交通研究,2003(3)：30.

[5]雷曉燕.城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)預(yù)測與評(píng)價(jià)[J].城市軌道交通研究,2008(11)：12.

[6]佟麗華.城市軌道交通噪聲控制方法及其對策研究[J].城市公共交通,2005(9)：27.

[7]劉巖,張曉排.聲屏障—降低城市軌道交通噪聲的重要途徑[J].建筑學(xué)報(bào),2002(11)：48.

[8]朱立鵬,馬申易.高架軌道交通聲屏障設(shè)計(jì)簡述[J].地下工程與隧道,2005(2)：14.