高速鐵路噪聲影響評價研究

蘇衛(wèi)青

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

高速鐵路噪聲環(huán)境影響評價的目的,是通過正確的預測方法,準確預測鐵路沿線聲環(huán)境保護目標受噪聲影響的程度,將預測結果與沿線敏感目標應執(zhí)行的噪聲標準對照,根據(jù)受影響程度及超標情況,提出合理可行的治理措施。目前我國已有6 920 km高速鐵路投入運營,其中,京津城際、武廣客運專線、鄭西客運專線、滬寧城際、滬杭高鐵等線路列車運行速度達到350 km/h,通過測試分析研究,高速鐵路噪聲存在以下兩個特點：第一,噪聲源組成復雜、聲能量水平高、聲源呈寬頻特性；第二,由于列車運行速度快、列車運營密度高,造成晝、夜等效聲級高。因此,高速鐵路噪聲環(huán)境影響評價預測、措施應針對高速鐵路的聲源特性,執(zhí)行的評價標準應具有可達性。鑒于此況,本文提出中國高速鐵路噪聲環(huán)境影響評價的幾點建議。

1 高速鐵路環(huán)境影響評價聲源位置確定

目前鐵路噪聲環(huán)境影響評價均采用鐵道部鐵計[2010]44號文推薦的預測方法,將聲源位置等效至一點進行預測,常規(guī)的做法是將聲源位置簡化為位于軌面以上0.5～1.0 m處,對于一般線路而言,預測結果基本與實際情況相吻合,預測精度滿足環(huán)境影響評價要求。但高速鐵路噪聲源由輪軌噪聲、空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、結構物噪聲四部分組成[1],聲源位置較普通鐵路發(fā)生較大變化,現(xiàn)就高速鐵路噪聲源位置進行探討。

1.1 高速鐵路噪聲源組成

高速鐵路不同速度下噪聲輻射水平測試結果表明,第一,高速鐵路噪聲源,現(xiàn)場高速列車車外聲源識別測試結果如圖1所示。每部分噪聲對總噪聲水平的貢獻量因列車運行速度不同而不同,隨著列車速度的提高,空氣動力噪聲及集電系統(tǒng)噪聲的貢獻隨之增大。第二,中國高速鐵路橋梁區(qū)段的噪聲輻射水平較路基區(qū)段低,差值在6 dB左右,分析其原因,主要與橋梁、路基的結構形式,動車組車輛、弓網(wǎng)結構形式和列車/線路系統(tǒng)匹配特性等有關。

圖1 高速鐵路噪聲源識別測試結果

1.2 高速鐵路聲場分布特性

為確定高速鐵路空間聲場分布特性,測試了距離高速鐵路外軌中心線15 m、不同高度處動車通過時段的平均等效聲級空間分布情況。圖2給出了350 km/h運行速度下，CRH2型高速列車在不同線路區(qū)段下的車外運行噪聲的垂直分布特性。

由圖2可見,不管是線性計權還是A計權,路堤區(qū)段的車外運行噪聲都要比橋梁區(qū)段的高,不同位置處,兩者之間的差值不同。整體上,在高速列車下部和對應弓網(wǎng)位置處,兩者之間的差值更大些。

為了進一步了解同一線路區(qū)段上兩種類型高速列車的聲輻射差異,圖3分別給出了260、300和350 km/h列車運行速度下,CRH2型和CRH3型高速列車在橋梁區(qū)段的A計權聲壓級垂直分布特性測試結果。

由圖3可知,CRH3型高速列車車外運行噪聲要比CRH2型的略高,且兩者之間的垂直分布特性差異較大,主要區(qū)別在列車下部位置,但總體上,列車上部的聲輻射要比下部的大,從測試數(shù)據(jù)看,上部要比下部大6 dB左右。隨著列車速度的提高,車外噪聲輻射的垂向分布特性會發(fā)生一定的變化,列車速度越高,上部噪聲越來越凸顯。

對比圖2和圖3相關測試結果可知,線路區(qū)段對高速列車車外聲輻射的垂向分布特性影響也較顯著,CRH2在路堤區(qū)段運行時其在列車下部有局部峰值,但該峰值在橋梁區(qū)段沒有再呈現(xiàn)。

圖2 高速列車車外運行噪聲垂直分布(速度350 km/h)

圖3 高速列車車外運行噪聲垂直分布統(tǒng)計特性

1.3 聲源位置建議

由中國高速鐵路聲場分布特性測試結果看可知,無論是CRH2還是CRH3型動車組列車,無論是橋梁區(qū)段還是路堤區(qū)段,列車上部的聲輻射水平均較列車下部高,對應弓網(wǎng)位置處均出現(xiàn)峰值,且列車運行速度越高,上部噪聲越突顯,已運營的京津城際鐵路、武廣客運專線等時速300 km以上的高速鐵路聲場分布特性測試結果均表明,由于高速鐵路各部分聲源貢獻量的變化,對應的聲源位置有所提高,若仍按照軌面以上0.5～1.0 m進行簡化則在措施前后聲級水平的預測中將存在較大的誤差；根據(jù)測試結果,當列車運行速度達到300 km以上時,輻射聲級峰值出現(xiàn)軌面以上3.5～5 m位置處,建議對時速達到300 km高速鐵路進行噪聲預測時將等效聲源的位置適當予以提高,初步建議軌面以上3.5 m處。

2 高速鐵路橋梁段噪聲預測探討

京津城際、武廣客運專線高速鐵路聲場分布特性測試結果表明,路堤區(qū)段的車外運行噪聲均比橋梁區(qū)段的高,路堤區(qū)段列車下部輻射噪聲有局部峰值,而橋梁區(qū)段未出現(xiàn),30 m處噪聲等效聲級測試結果表明,橋梁區(qū)段較路堤區(qū)段聲級低；滬寧、滬杭高鐵30 m處噪聲等效聲級測試結果表明,橋梁區(qū)段噪聲較路堤區(qū)段高,詳見表1。

表1 已運營高速鐵路橋梁、路堤等效聲級測試結果

由表1可知,京津城際、武廣客運專線橋梁、路堤等效聲級測試結果與滬寧、滬杭高鐵不同,分析其原因,4條高速鐵路橋梁段均采用箱梁、盆式橡膠支座、CRTSⅡ型無砟軌道板,不同的是,京津城際和武廣客運專線設置了1.0 m高的防護墻、防護墻距線路外軌中心2.2 m,而滬寧、滬杭高鐵防護墻高度為0.7 m、防護墻距線路外軌中心1.9 m,說明防護墻對降低噪聲起到一定作用,并且防護墻高度、位置不同,對降低噪聲的效果不同。

鐵道科學研究院在京津高速鐵路、武廣客運專線等高速線路噪聲實測的基礎上,對《鐵路建設項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見》(鐵計[2006]44號)文[4]中的噪聲源強進行了修改,修改后無砟軌道、動車組列車的源強值較“原44號文”建議的取值有所降低,并且明確參考源強的邊界條件為橋梁、設置防撞墻工況。但多條已運營高速鐵路噪聲級測試結果表明,橋梁上設置的防護墻對降低噪聲起到一定作用,為使預測結果更接近實際,建議根據(jù)工程設計中確定的防護墻高度、位置考慮防護墻對橋梁段噪聲預測的影響。

3 高速鐵路噪聲衰減特性探討

3.1 高速鐵路噪聲衰減分析

京津高速聯(lián)調聯(lián)試測試結果表明,動車組通過時段的平均等效聲級Leq與距鐵路外軌中心線距離衰減公式為：Leq=k× lg(r/r0),其中k的取值范圍在10～15,即高速列車在路堤區(qū)段和橋梁區(qū)段輻射聲級與距線路距離的變化關系基本相同,距線路距離加倍,輻射聲級衰減3～4 dB,符合有限長線聲源隨距離衰減規(guī)律。

京津高速鐵路竣工環(huán)境保護驗收調查報告,對京津高速鐵路與普速鐵路噪聲水平衰減情況進行了對照,結果如表2、表3所示。

表2 京津高速鐵路噪聲水平衰減斷面數(shù)據(jù) dB

表3 朔黃鐵路重載運煤列車噪聲水平衰減斷面數(shù)據(jù) dB

由表2可見,高速鐵路噪聲晝、夜1 h等效連續(xù)聲壓級的距離衰減特性與普速鐵路噪聲的存在較大的差異,高速鐵路噪聲的距離衰減很慢,隨著距離的加倍,晝、夜1 h等效連續(xù)聲壓級的衰減量小于2 dB。從30 m到120 m,距離增加4倍,而噪聲級減小僅為4 dB,相同情況下,普速的則可高達11.0 dB,兩者差異非常大。因此,對高速鐵路噪聲特性的認識,必須依據(jù)高速鐵路自身的測試結果或分析結論,已有普速下的規(guī)律可能不再適用。

3.2 頻率特性分析

圖4給出了350 km/h速度下高速鐵路橋梁區(qū)段和路堤區(qū)段距鐵路外軌中心線15 m遠,距鋼軌頂面1.2 m和3.5 m高處的運行噪聲頻譜分布。

圖4 高速列車車外運行噪聲頻譜

由圖4可見,高速列車車外運行噪聲具有較顯著的低頻特性,線性計權聲壓級的顯著頻段主要體現(xiàn)在31.5～63 Hz的低頻區(qū)段。整體上,路堤區(qū)段各頻段的聲壓級都要比橋梁的略大尤其在1 250～4 000 Hz頻率區(qū)段,兩者差值更顯著。對1.2 m測點,A計權聲壓級的峰值頻率出現(xiàn)在1 600 Hz頻率區(qū)段,且顯著頻率區(qū)段為800～2 500 Hz；對3.5 m測點,橋梁區(qū)段的峰值頻率出現(xiàn)在800 Hz,顯著頻率區(qū)段為500～2 500 Hz,路堤區(qū)段的峰值頻率出現(xiàn)在2 000 Hz頻率區(qū)段,顯著頻率區(qū)段為800～4 000 Hz。

3.3 距離衰減建議

高速列車運行噪聲頻譜測試結果表明：高速列車運行噪聲具有較顯著的低頻特性,京津高速鐵路竣工環(huán)境保護驗收調查報告中提出的“高速鐵路橋梁路段的噪聲級距離加倍,衰減量小于2dB”[5],與普速噪聲的衰減規(guī)律有很大差異,這一結論與高速鐵路車外運行噪聲頻譜測試結果相吻合,因為低頻噪聲隨距離的衰減較慢。建議進一步測試研究高速鐵路在不同線路區(qū)段的噪聲距離衰減特性,為高速鐵路噪聲影響預測及評價標準的確定提供依據(jù)。

4 中國高速鐵路噪聲執(zhí)行標準的建議

盡管中國高速鐵路已采取無縫線路、7 000 m曲線半徑、無砟軌道、合理路基填筑、橋梁自重加大等技術,車頭、車體、車輛連接部、轉向架、受電弓等部位進行了優(yōu)化,上述措施均可起到從源頭降低高速鐵路噪聲的作用,但由于中國高速鐵路列車運營速度高、列車流密度大,導致了高速鐵路沿線的晝、夜等效聲級仍然很高。

目前高速鐵路噪聲環(huán)境影響評價中,環(huán)境管理部門仍要求執(zhí)行功能區(qū)標準[7]。根據(jù)京津城際鐵路竣工環(huán)境保護驗收調查結論,京津城際鐵路已經(jīng)采取了現(xiàn)階段所能采取的幾乎全部的降噪措施,晝夜等效聲級仍不能滿足2類區(qū)標準限制要求。已開通運營的武廣、鄭西、滬杭等其他時速300 km以上的高速鐵路噪聲等效聲級測試結果亦表明,在采取了聲屏障等降噪措施后,晝、夜等效聲級仍不滿足2類區(qū)標準限值要求,測試結果詳見表4。

中國高速鐵路的特點是：高架橋所占比例大,占線路總長度的60%以上,聲屏障設置在橋梁遮板上、距線路外軌中心3.4 m,受列車運行脈動力影響,要求連接聲屏障的基礎預埋件能承受脈動力的影響,而橋梁寬度12 m,聲屏障基礎預埋件規(guī)格受到限制,導致高速鐵路橋梁段聲屏障高度及形式不能完全按照降噪要求設置。高速鐵路橋梁區(qū)段由于二次結構噪聲影響,

表4 已運營高速鐵路噪聲等效聲級測試結果

具有顯著的低頻特性,聲屏障對該部分噪聲幾乎起不到作用,這部分噪聲衰減慢、難治理,建議給予進一步的重視,開展相關研究,尋求有效抑制噪聲的措施。

綜上所述,建議高速鐵路評價范圍內執(zhí)行的標準不再按功能區(qū)劃分,根據(jù)已運營線路噪聲測試結果,鐵路邊界外執(zhí)行70、65dB(A)的標準限值要求,這樣符合我國高速鐵路特點,采取適當?shù)闹卫泶胧┖?高速鐵路沿線的環(huán)境噪聲才可能滿足標準限值的要求[6],亦便于環(huán)境保護行政主管部門對高速鐵路沿線聲環(huán)境的管理。

5 結論

中國高速鐵路列車運行時速達到350 km,噪聲源由輪軌噪聲、空氣動力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、結構物噪聲4部分組成,每部分噪聲的頻譜特性不同,不同位置處各部分噪聲的聲級水平不同。本文結合工程實踐,在對現(xiàn)場測試結果分析的基礎上,提出高速鐵路噪聲環(huán)境影響評價預測、措施、執(zhí)行標準等方面的建議,供高速鐵路噪聲環(huán)境影響評價參考,具體如下。

(1)高速列車車外運行噪聲具有較顯著的低頻特性,線性計權聲壓級的顯著頻段主要體現(xiàn)在31.5～63 Hz的低頻區(qū)段,A計權聲壓級的顯著頻率主要體現(xiàn)在800～2 500 Hz。

(2)路堤區(qū)段的車外運行噪聲都要比橋梁區(qū)段的高,不同位置處,兩者之間的差值不同,平均為6 dB?？傮w上,列車上部的聲輻射要比下部的大,從測試數(shù)據(jù)看來,上部要比下部大6 dB左右。隨著列車速度的提高,車外噪聲輻射的垂向分布特性會發(fā)生一定的變化,列車速度越高,上部噪聲越來越凸顯。

(3)高速鐵路噪聲晝、夜1 h等效連續(xù)聲壓級的距離衰減特性與普速鐵路噪聲的存在較大的差異,高速鐵路噪聲的距離衰減很慢,隨著距離的加倍,晝、夜1 h等效連續(xù)聲壓級的衰減量小于2 dB。從30 m到120 m,距離增加4倍,而噪聲級減小僅為4 dB,相同情況下,普速的則可高達11.0 dB,兩者差異非常大。因此,對高速鐵路噪聲特性的認識,必須依據(jù)高速鐵路自身的測試結果或分析結論,已有普速下的規(guī)律可能不再適用。

(4)高速鐵路噪聲聲源組成、衰減特性和頻譜特征都有別于普速鐵路,建議對其作進一步針對性的研究；在噪聲環(huán)境影響預測中,建議等效聲源位置根據(jù)實測結果適當提高。

(5)由于聲源位置高、聲級水平高、噪聲隨距離衰減慢,聲屏障對高速鐵路的降噪效果有限,從聲源、傳播途徑等方面采取措施后,高速鐵路沿線噪聲水平仍不能滿足功能標準限值要求,建議高速噪聲執(zhí)行標準不再按功能區(qū)劃分,鐵路邊界外、評價范圍內執(zhí)行標準為晝間70 dB、夜間65 dB。

[1] 鐵道科學研究院.京津城際無砟軌道線路噪聲、振動特性及控制措施的研究[R].北京：鐵道科學研究院,2008.

[2] 鐵道科學研究院. 鐵路建設項目環(huán)境影響評價噪聲振動源強取值和治理原則指導意見(2010年修訂稿)[Z].北京：鐵道科學研究院,2010.

[3] 環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心. 新建鐵路北京至天津城際鐵路客運專線竣工環(huán)境保護驗收調查報告[R].北京：環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心,2009.

[4] 中華人民共和國環(huán)境保護部.GB12525—90 鐵路邊界噪聲限值及其測量方法修改方案[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

[5] 中華人民共和國環(huán)境保護部.GB3096—2008 聲環(huán)境質量標準[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB/T3122—2005 鐵路聲屏障聲學構件技術要求和測試方法[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10501—98 鐵路工程環(huán)境保護設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S]．北京：中國鐵道出版社，2009.