城市軌道交通減振降噪技術(shù)研究

　　城市軌道交通是城市公共交通的一種便捷工具，是解決城市交通擁擠的一項(xiàng)切實(shí)可行的措施。目前，城市軌道交通進(jìn)入了快速發(fā)展階段，“十五”末，我國(guó)有9個(gè)城市擁有運(yùn)營(yíng)線路，總里程約450公里；經(jīng)過(guò)五年建設(shè)，“十一五”末。運(yùn)營(yíng)線路的城市達(dá)到12個(gè)，總里程約1400公里；規(guī)劃“十二五”末，我國(guó)擁有運(yùn)營(yíng)線路的城市將達(dá)到27個(gè)，運(yùn)營(yíng)總里程超過(guò)3000公里。
　　由于城市軌道交通工程結(jié)構(gòu)的特殊性，其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題已引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。美國(guó)紐約地鐵車站噪聲曾高達(dá)100～115dB，接近人耳的痛閾；北京地鐵1號(hào)線西單車站附近的居民，就地鐵造成的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲問(wèn)題進(jìn)行過(guò)投訴，4號(hào)線通過(guò)北京大學(xué)遙感物理樓時(shí)因?yàn)檎駝?dòng)問(wèn)題引起過(guò)不小的爭(zhēng)議；我國(guó)某城市地鐵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，當(dāng)?shù)罔F列車僅以15～20km／h的速度通過(guò)時(shí)，地鐵正上方居民住宅的振動(dòng)高達(dá)85dB。目前，對(duì)城市軌道交通振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的研究已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的擾民和公害問(wèn)題。
　　1　振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生與傳播機(jī)理
　　
　　軌道交通噪聲產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上和振動(dòng)是密不可分的。振動(dòng)越大，則噪聲也就越大。它們是通過(guò)不同介質(zhì)進(jìn)行傳播的。
　　1.1振動(dòng)的產(chǎn)生與傳播機(jī)理
　　城市軌道交通在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，列車車輪與鋼軌之間產(chǎn)生撞擊振動(dòng)，經(jīng)過(guò)軌枕、道床，傳遞至隧道或橋梁基礎(chǔ)，再傳遞給地面，從而對(duì)周圍區(qū)域產(chǎn)生振動(dòng)，并進(jìn)一步傳播到周圍建筑物。這種振動(dòng)干擾不僅對(duì)地鐵沿線民宅，學(xué)校，醫(yī)院等環(huán)境產(chǎn)生不良影響，而且可能對(duì)沿線基礎(chǔ)較差的建筑物造成損害。
　　振動(dòng)波在土介質(zhì)中的傳遞過(guò)程，其作用機(jī)理及傳播特性與地震基本相同。這些振動(dòng)波遇到自由界面時(shí)，在一定條件下重新組合，形成一種彈性表面渡，隨著離振源距離的不同，它們之間的能量也在改變，同時(shí)傳播速度、衰減率也為距離的函數(shù)。根據(jù)振動(dòng)傳播理論，振動(dòng)從地面進(jìn)入建筑物，不同結(jié)構(gòu)建筑物其振動(dòng)衰減也不同。
　　1.2噪聲的產(chǎn)生與傳播機(jī)理
　　大量研究結(jié)果表明，列車引起的噪聲可分為四個(gè)部分；輪軌噪聲、集電噪聲、車廂的空氣動(dòng)力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動(dòng)噪聲。隨著列車運(yùn)行速度的變化，軌道交通的主噪聲源也隨之變化。軌道交通的噪聲源圖如圖I所示。我國(guó)城市軌道交通列車運(yùn)行速度一般在60-80km／h，故相應(yīng)的主噪聲源為輪軌噪聲，有數(shù)分析輪軌噪聲產(chǎn)生的機(jī)理是找到城市軌道交通減振降噪的關(guān)鍵。
　　城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的輪軌噪聲的振動(dòng)來(lái)源千軌道的不平順。鋼軌與運(yùn)行中的列車車輪相互作用，激起鋼軌和軌下基礎(chǔ)的振動(dòng)，鋼軌就向外輻射噪聲。振動(dòng)隨軌下基礎(chǔ)向周圍傳遞?；蛞鹫駝?dòng)，或造成結(jié)構(gòu)的“二次噪聲”。
　　2　我國(guó)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)與噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)
　　針對(duì)區(qū)域環(huán)境振動(dòng)與噪聲，各個(gè)國(guó)家都制定了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)此方面的控制標(biāo)準(zhǔn)參用《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070-88)和《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-93)，見表1和表2。隨著生活水平的提高和技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域環(huán)境振動(dòng)與噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)有進(jìn)一步修訂的可能。
　　
　　3　城市軌道交通減振降噪的技術(shù)措施
　　3.1車輛的減振降噪措施
　　(1)對(duì)機(jī)車車輛動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的工作頻段遠(yuǎn)離共振區(qū)(臨界轉(zhuǎn)速區(qū))和不穩(wěn)定區(qū)，盡量避免電磁耦合激發(fā)振動(dòng)和噪聲。
　　(2)在機(jī)車車輛上使用新型減振器，能有效地降低振動(dòng)和噪聲。目前在國(guó)內(nèi)外的城市軌道交通中，金屬一橡膠復(fù)合減振器是應(yīng)用最為廣泛的減振降噪裝置。這是由于橡膠在很寬的溫度范圍內(nèi)具有獨(dú)特的粘彈行為，不僅可以象鋼彈簧一樣通過(guò)彈性形變來(lái)吸收、儲(chǔ)存沖擊能量，而且還可以通過(guò)分子鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng)而大幅度地消耗能量。然而。橡膠件既是減振降噪的主要部分，也是影響使用壽命的關(guān)鍵部分。以少量具有納米片層結(jié)構(gòu)的有機(jī)改性蒙脫土與橡膠進(jìn)行插層納米復(fù)合，可顯著降低材料的疲勞生熱，延緩疲勞破壞過(guò)程，從而改善橡膠的強(qiáng)度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能，使減振器的質(zhì)量和機(jī)車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。
　　除金屬一橡膠復(fù)合減振器外，目前國(guó)際上開始將自適應(yīng)(有源／半有源)電／磁流變液減振器用于車輛的懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼或剛度特性。電／磁流變液減振器是利用電／磁流變液的粘度在電／磁場(chǎng)作用下急劇變化的特性而制成的新型振動(dòng)控制元件。電／磁流變液在無(wú)外場(chǎng)作用下為流動(dòng)良好的液體狀態(tài)，在強(qiáng)電／磁場(chǎng)作用下，短時(shí)間(毫秒級(jí))內(nèi)其粘度可增加一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性能，而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的，一旦去掉電／磁場(chǎng)后，又變成可流動(dòng)的液體。這些特點(diǎn)使電／磁流變液裝置成為電氣控制與機(jī)械系統(tǒng)之間的簡(jiǎn)單、安靜而且響應(yīng)迅速的中間裝置。
　　(3)在車輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用直線電機(jī)技術(shù)，可省去齒輪箱等一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少了許多噪聲源，噪聲水平比一般車輛可降低大約10dB(A)。
　　(4)采用徑向轉(zhuǎn)向架能避免車輪在鋼軌上的蠕動(dòng)，使車輛能順利地通過(guò)曲線，減少輪軌磨耗和消除常規(guī)轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)的尖叫聲，因而噪聲比一般車輛降低近20dB(A)。
　　(5)采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術(shù)，通?？蓽p振降噪2-10dB(A)。
　　(6)用改變車輪結(jié)構(gòu)的方法來(lái)改變?cè)肼暤陌l(fā)射性能，可降低輪軌噪聲。如德國(guó)通過(guò)把制動(dòng)盤放在輪心上來(lái)減少噪聲，試驗(yàn)結(jié)果證明對(duì)1kHz以上的噪聲大約可降低5dB(A)。
　　3.2軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲控制
　　軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。根據(jù)振動(dòng)理論，輪軌之間的振動(dòng)噪聲與軌道各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)。軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪主要是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在國(guó)內(nèi)外軌道交通減振降噪研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)軌道交通的實(shí)際，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪可采取下列有效措施：
　　(1)采用焊接長(zhǎng)鋼軌，可減少因列車通過(guò)鋼軌接頭所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，軌道交通的正式線路應(yīng)鋪設(shè)無(wú)縫軌道。實(shí)際減振效果可達(dá)到5dB～10dB。
　　(2)采用鋼軌打磨技術(shù)，以控制軌道的不平順度，保證輪軌接觸面的良好狀態(tài)，從而獲得良好的減振降噪效果。實(shí)踐表明，鋼軌打磨后，在振動(dòng)頻率為8Hz～100Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)噪聲可下降4～8dB(A)。
　　(3)采用防振型鋼軌，在鋼軌軌腰兩側(cè)粘貼(或包覆)防振吸音材料(如橡膠、樹脂等)，可有效地減少噪聲，結(jié)構(gòu)示意如圖2。
　　(4)采用彈性扣件。軌道的彈性，尤其是剛性基礎(chǔ)整體道床結(jié)構(gòu)的彈性，主要取決于扣件的彈性，國(guó)內(nèi)外在此方面做了大量研究工作，研制并開發(fā)了，滿足不同減振降噪要求的扣件。在減振要求一般的地段，上海地鐵采用了DTIII型扣件，如圖3所示。該扣件采用二級(jí)減振，在鋼軌和鐵墊板下都設(shè)絕緣橡膠板，扣件彈性好，比北京地鐵采用的DTI型減少5dB～10dB。在減振要求較高的地段，德國(guó)科隆、美國(guó)華盛頓、法國(guó)巴黎、上海、新加坡地鐵均采用了軌道減振器扣件(科隆蛋)，如圖4所示。該扣件的承軌板與底座之間用減振橡膠硫化粘結(jié)在一起，利用橡膠圈的剪切變形，獲得較低豎向剛度，較DTI型扣件的加速度傳遞函數(shù)減少15dB～30dB，較DT11I型扣件減少10dB～20dB，減振效果顯著，能有效減少對(duì)周圍環(huán)境的干擾。類似的減振型扣件還有很多種，要根據(jù)不同的適用條件進(jìn)行選擇。
　　(5)采用彈性支承塊式無(wú)碴道床軌道，如圖5所示。這是一種低振動(dòng)(LVT)軌道結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)軌道交通主要采用支承塊式混凝土整體道床，由于只有扣件彈性墊板一個(gè)減振環(huán)節(jié)，其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設(shè)置一層橡膠墊，便能大大降低軌道整體支承剛度，顯著提高軌道的減振降噪性能。該種結(jié)構(gòu)能使輪軌動(dòng)力在鋼軌上經(jīng)過(guò)分配后傳到軌下膠墊得到第一次減振，再經(jīng)過(guò)支承塊傳到其下的膠墊進(jìn)行第二次減振，這樣，振動(dòng)的高頻成分及其幅值在得到了相當(dāng)?shù)乃p后才傳遞給基礎(chǔ)。巴黎7號(hào)、13號(hào)地鐵線在巴士底獄的新歌劇院下通過(guò)，歌劇院方面認(rèn)為地鐵車輛的噪聲和振動(dòng)對(duì)劇場(chǎng)的演出有影響，為此巴黎地鐵公司對(duì)此進(jìn)行了研究，試驗(yàn)，并會(huì)同歌劇院、巴黎聲學(xué)研究所共同進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)證明在軌枕底部加了一層橡膠墊后情況得到了改善。
　　(6)采用浮置板式軌道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于橡膠支座或螺旋鋼彈簧上。浮置板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來(lái)抵消車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載，只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過(guò)彈性元件傳到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。其彈性元件有面支承、線支承和分布支承3種形式，其中分布支承效果最好。采用橡膠的稱橡膠浮置板，采用螺旋鋼彈簧(一般采用分布支承)的稱鋼彈簧浮置板。在目前的減振措施中，浮置板軌道減振效果最好，可達(dá)20dB～40dB，與其他同類型隔振方案的比較如表3所示。圖6為浮置板軌道結(jié)構(gòu)的安裝示意圖。
　　(7)采用梯形軌枕。彈性支撐的梯形減振軌枕軌道系統(tǒng)，以鋼管連接連接縱向混凝土軌枕，并與道床結(jié)構(gòu)以橡膠減振墊相隔，形狀如梯子，故稱“梯形軌枕”，它可以稱之為板式整體道床的第二代產(chǎn)品。梯形軌枕采用預(yù)制，其與底座間的緩沖調(diào)整等原理與板式軌道基本相同。它具有既能夠發(fā)揮軌枕本來(lái)的特性，大幅度提高荷載的分散能力，又可補(bǔ)充鋼軌本身的剛性和質(zhì)量的性能特點(diǎn)，是一種能提高彎曲剛度和剪切剛度，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于減少車輛簧下質(zhì)量的較理想的整體減振系統(tǒng)。梯形軌枕結(jié)構(gòu)如圖7所示。
　　3.3高架線路和橋梁的減振降噪措施
　　目前，國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的高架橋結(jié)構(gòu)大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內(nèi)部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內(nèi)存在聲學(xué)模態(tài)，腔內(nèi)的聲場(chǎng)共振可能使橋梁的上下兩個(gè)面的輻射聲增加，而且，箱形梁橋的底面是大面積的平面，聲輻射效率比較高，因此，有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類技術(shù)。
　　(1)在箱形梁腔內(nèi)設(shè)置隔聲板，將箱形梁腔內(nèi)的聲學(xué)共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外，則可有效降低橋梁振動(dòng)噪聲。
　　(2)在箱形梁腔內(nèi)安裝動(dòng)力吸振器，這是控制橋梁振動(dòng)噪聲最有效的方法。
　　(3)選用橋梁隔振支座。橋梁隔振支座(主要有普通橡膠支座、疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座等)是高架橋中減少振動(dòng)的有效措施。通過(guò)調(diào)整減振支座的剛度，從而控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和周期，避開列車運(yùn)行引起的豎向振動(dòng)頻率，達(dá)到減振和降噪的效果。
　　(4)鋪設(shè)輕質(zhì)吸聲橋面和路面。高架軌道交通線的橋面是聲反射面，降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過(guò)時(shí)的噪聲。近年發(fā)展起來(lái)的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射。即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土，既不影響檢修者行走。又有一定的吸聲效果。但是，多孔混凝土對(duì)1kHz以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想，而高架軌道交通噪聲中以500Hz為中心的中低頻噪聲占主要成分，因此對(duì)這類噪聲可以使用發(fā)泡混凝土。
　　(5)在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結(jié)構(gòu)，可以大大降低橋梁振動(dòng)的輻射噪聲。高架軌道交通噪聲的各個(gè)聲源中，橋梁振動(dòng)的輻射噪聲對(duì)周邊環(huán)境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養(yǎng)是設(shè)計(jì)這類吸聲結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)。
　　(6)設(shè)置聲屏障是降低軌道交通運(yùn)行噪聲的一種有效措施?，F(xiàn)有的吸聲型聲屏障均為板式結(jié)構(gòu)，所用的吸聲材料分別有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纖維類吸聲材料、微穿孔板等；但其頻帶窄，尤其是低頻段吸聲系數(shù)小，通常只有0.5左右，這是現(xiàn)有吸聲型聲屏障的共同缺點(diǎn)。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結(jié)構(gòu)對(duì)低頻噪聲比較有效，但在中高頻段的吸聲系數(shù)往往很低?？傊?，由于交通噪聲主要分布在100kHz～5kHz，單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內(nèi)達(dá)到滿意的吸聲效果。因此，國(guó)內(nèi)外都把研究阻抗復(fù)合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。
　　(7)挖減振溝和設(shè)隔振墻?？梢栽诮ㄖ锖蛙壍乐g通過(guò)挖減振溝和設(shè)隔振墻等設(shè)置隔振屏障。只要溝的深度和墻的板質(zhì)、厚度、深度合適，就可以獲得理想的減振效果。
　　4　結(jié)語(yǔ)和建議
　　西安作為世界四大文明古都之一，建設(shè)地鐵過(guò)程中更應(yīng)充分考慮環(huán)境振動(dòng)和噪聲的影響，采取較為成熟的減振降噪措施的同時(shí)，建議進(jìn)行創(chuàng)新性的減振降噪措施研究，應(yīng)用在西安地鐵的敏感地段，更加有效地減小振動(dòng)和噪聲的影響，提升西安地鐵的建設(shè)水平，擴(kuò)大西安地鐵在減振降噪方面的影