城市軌道交通高架線環(huán)境景觀適應(yīng)性探討

馬軍旺

(中國地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司 北京100037)

目前，隨著城市化發(fā)展引發(fā)嚴重的交通擁堵問題，國內(nèi)各城市日益青睞于大運量的軌道交通。截至2014年末，全國共22個城市開通運營的軌道交通線路為3 173 km，其中，地鐵占3/4，其他各種方式僅占1/4，這說明我國城市軌道交通依然存在著以地鐵為主、模式單一的問題［1］。北京、上海等大城市核心區(qū)地鐵骨干網(wǎng)陸續(xù)完善后將逐步轉(zhuǎn)向中低運量的補充線路和市域快線建設(shè);同時，受限于城市規(guī)模、財力和交通需求，輕軌、有軌電車等中低運量制式將是中小城市和特大城市衛(wèi)星城構(gòu)建交通骨干網(wǎng)的重要選項。因此，未來軌道交通必將呈現(xiàn)出各種功能層次和敷設(shè)方式協(xié)調(diào)發(fā)展的趨勢。

與地下線相比，高架線有著建設(shè)和運營費用低、工期短等優(yōu)勢，但也存在噪聲、振動等環(huán)境污染和景觀問題，使得部分線路由高架線被迫改為地下線，從而導(dǎo)致工程建設(shè)和運營費用大幅增加，工期大大延長，非常不利于軌道交通的協(xié)調(diào)健康發(fā)展，而且在建設(shè)規(guī)劃審批時，評價高架線是否可行，首先要考慮的問題就是工程方案是否與周邊環(huán)境和景觀相協(xié)調(diào)，是否滿足相關(guān)環(huán)保要求。因此，高架線的環(huán)境和景觀適應(yīng)性問題必須引起重視，這對于丞須發(fā)展輕軌、單軌等系統(tǒng)的中等規(guī)模城市的軌道交通發(fā)展尤其重要。

1 項目概況

長春市在發(fā)展多層次、多種敷設(shè)方式的軌道交通方面做得比較好，堅持了“先輕軌、后地鐵”的發(fā)展模式。運營中的輕軌3、4號線位于中心城區(qū)，采用地上線為主、地下線為輔的敷設(shè)方式。在環(huán)保部門組織的環(huán)保評價中，輕軌3、4號線的環(huán)保效果良好，完全能夠滿足相關(guān)要求。這說明只要采取的措施適當(dāng)，地上線也可以獲得好的效果。即將建設(shè)的長春市北湖線一期，也將采用全高架線的敷設(shè)方式。筆者結(jié)合長春市快速軌道交通北湖線一期工程可行性研究的工作實踐，對高架線的環(huán)境景觀適應(yīng)性進行探討，對車輛、建筑、結(jié)構(gòu)、軌道、設(shè)備等全方位的環(huán)境保護措施進行研究，提出了綜合整治、優(yōu)化的方案，旨在為高架線在類似中等規(guī)模城市和建設(shè)環(huán)境中的順利實施提供參考。

北湖線為聯(lián)系長春市中心城北部與長春東北片區(qū)的骨干公交線路，承擔(dān)中運量交通快速出行，作為大運量軌道交通系統(tǒng)的補充、延伸，帶動新區(qū)起步。一期工程線路長13.4 km，設(shè)車站13座，全部為高架線。線路沿線的多條道路寬度達到114 m，主輔路綠化帶寬20 m，周邊地塊為新開發(fā)或待開發(fā)，工程建設(shè)條件很好(見圖1)。沿線多為居住、教育科研、濕地公園、金融等地塊，考慮新區(qū)未來發(fā)展和沿線環(huán)境要求，需要對該線的環(huán)境和景觀影響進行重點研究。

圖1 北湖線一期工程線路走向

2 環(huán)境保護措施

高架線對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響，最主要的關(guān)注點是振動和噪聲污染。高架線路在列車運行時，由于輪軌間相互作用產(chǎn)生振動，其振動波通過橋梁上部結(jié)構(gòu)、墩臺、承臺、樁基等傳至地面，從而引起地面建筑物的振動，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。另外，列車運行時的輪軌接觸噪聲、車輛本身的噪聲，以及橋梁結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的輻射噪聲等，也會對周邊居民的工作、生活產(chǎn)生巨大影響。因此，必須采取有效措施，將環(huán)境影響降到最低。

而高架線的振動和噪聲控制是一項全方位的綜合性工作，它牽涉到車輛、橋梁、結(jié)構(gòu)、軌道、聲屏障等多種因素。為了盡可能地減小高架線對周邊環(huán)境的影響，應(yīng)考慮從振動和噪聲的污染源和傳播途徑上全面采取措施，以取得較好的效果。

2.1 車輛

車輛在列車運行中產(chǎn)生的輪軌噪聲和振動是高架線產(chǎn)生的主要環(huán)境污染源之一，車輛的性能會直接影響到振動和噪聲的大小，在車輛構(gòu)造上進行減振設(shè)計對控制軌道交通振動和噪聲作用重大。

車輪是與軌道直接接觸的車輛構(gòu)件。通過對彈性車輪與剛性車輪的振動特性和噪聲對比試驗研究，證明彈性車輪可以明顯降低車輪的噪聲值，縮短噪聲的衰減時間，能夠改善噪聲的頻譜特性［2-4］。根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)研究資料，采用彈性車輪可降低振動4～10 dB［5］。另外，選用軸重輕、車體材料輕量化的車輛，也有利于降低輪軌撞擊而產(chǎn)生的噪聲和振動。

考慮到高架線的環(huán)境和景觀要求，北湖線采用與運營中的4號線一致的“長客”生產(chǎn)的70%低地板C型車(見圖2)。該種車型采用彈性車輪，橡膠減振，封閉式鋁合金車身，采用變頻變壓技術(shù)，液壓電制動，最大軸重只有12 t，具有輕量化的優(yōu)點。根據(jù)表1所示的統(tǒng)計資料，該車型比國內(nèi)相似線路上運行的輕軌列車的噪聲要低得多，從根本上降低了列車運行時的噪聲和振動污染。該種車型的先進性和減振降噪效果在長春市輕軌系統(tǒng)凈月線的環(huán)保驗收報告中已經(jīng)得到證實，這也是長春市快速軌道交通工程車輛有別于國內(nèi)其他城市的一個特點［6］。

圖2 C型車外形和彈性車輪構(gòu)造

表1 C型車與國內(nèi)現(xiàn)有運行中車輛對比

2.2 線路

線路在設(shè)計過程中，受到周邊建筑、管線、不良地質(zhì)、文物等影響，不得不采取小半徑曲線進行繞避。小半徑曲線不僅會影響乘客的舒適度、限制運營速度，也會產(chǎn)生較大的輪軌磨耗和刺耳的輪軌尖叫噪聲。曲線尖叫噪聲源于車輪通過曲線時由于承受巨大蠕滑力而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性共振，黏著滑動振動形式(更精確地說是滾動滑動)的摩擦不穩(wěn)定性引起車輪的共振，車輪的振動產(chǎn)生了噪聲［7］。因此，從減小振動和噪聲污染等方面來說，在線路設(shè)計中應(yīng)盡可能采用大半徑曲線，并盡量使線路中心偏離敏感建筑。

北湖線一期工程選用的C型車最高運行速度為70 km/h。線路曲線全部設(shè)計為150 m以上的半徑曲線，且90%左右為300 m以上的較大曲線半徑，有效減少了小半徑曲線個數(shù)，有利于列車運行速度提高和減小振動與噪聲影響(見表2)。

表2 北湖線線路平面曲線統(tǒng)計

另外，敏感建筑距離線路中心越遠，其噪聲影響越小。根據(jù)相關(guān)資料，在距線路中心30 m處的噪聲即可降低5 dB左右。因此，線路設(shè)計時也應(yīng)盡可能地遠離敏感建筑。北湖線線路與沿線建筑最近距離為31 m，初步能夠有效降低噪聲和振動影響。

2.3 結(jié)構(gòu)

為了盡量減小振動和噪聲污染，高架線橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該優(yōu)先采用混凝土梁及整體性好、振動小的結(jié)構(gòu)形式;盡可能采用合理的跨度和自振特性，以避免高速運行的列車與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。另外，墩臺應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，也可獲得較淺平基礎(chǔ)好的減振效果。而對于上部結(jié)構(gòu)的梁型截面，應(yīng)結(jié)合各自優(yōu)缺點，進行對比選優(yōu)。

箱梁結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)廣泛采用的高架橋結(jié)構(gòu)形式之一，它具有閉合薄壁截面，抗扭剛度大，整體受力性能好、動力穩(wěn)定性好，但施工復(fù)雜，造價較高，預(yù)制施工時，運輸?shù)跹b比較困難。而且當(dāng)列車行駛時，帶有“空腔”結(jié)構(gòu)的箱形梁會起到樂器“共鳴箱”的作用，導(dǎo)致噪聲的二次傳播。當(dāng)箱梁架設(shè)聲屏障時，景觀效果又很差。T梁雖然受力簡單，造價低，但是同樣存在環(huán)境景觀效果較差的缺點，應(yīng)用較少。

U型梁是槽型梁在城市軌道交通中演化的一種新型結(jié)構(gòu)，在降低噪聲方面具有突出的優(yōu)點。與箱梁相比，U型梁腹板結(jié)構(gòu)具有阻隔輪軌噪聲的作用，其輪軌噪聲的擴散角度比箱梁小，而且U型梁沒有列車振動引起的箱梁體內(nèi)的混響噪聲，其總體降噪效果與傳統(tǒng)箱梁設(shè)置3 m高聲屏障的效果相當(dāng)，兩側(cè)腹板可以降低約6 dB的噪聲［8］(見圖3、4)。

北湖線一期92%左右的區(qū)間采用U型梁結(jié)構(gòu)。鑒于U型梁良好的降噪效果和景觀效果，將會非常有利于減小北湖線列車運行對周邊的環(huán)境影響。

2.4 軌道

圖3 U型梁與箱梁噪聲擴散角度對比

圖4 U型梁與箱梁對比

軌道結(jié)構(gòu)起著列車運行的導(dǎo)向作用，直接承受列車荷載，并將荷載傳遞給軌下基礎(chǔ)部分。根據(jù)振動理論，輪軌之間的振動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改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)［9］。合理地選擇軌道結(jié)構(gòu)類型，對于減振降噪效果具有非常大的意義。

2.4.1 鋼軌和無縫線路

軌道交通常用的鋼軌類型中，60 kg/m鋼軌具有良好的動力響應(yīng)特性和更大的穩(wěn)定性，在長期運營中能保持良好的平順性，并能減少養(yǎng)護維修量，延長軌道使用壽命，其技術(shù)、經(jīng)濟綜合指標最佳。根據(jù)相關(guān)研究，60 kg/m鋼軌穩(wěn)定性能和抗振性能良好，可有效抑制鋼軌的垂向振動。與50 kg/m鋼軌相比，60 kg/m鋼軌的垂向剛度增加，可以把列車沖擊而產(chǎn)生的振動降低10%［10］。

為了獲得更好的減振降噪效果，北湖線一期工程正線及輔助線均優(yōu)先采用60kg/m的重型鋼軌。

2.4.2 道床結(jié)構(gòu)

不同道床形式的軌道結(jié)構(gòu)，其振動影響也不一樣。一般來講，軌道剛性越低，質(zhì)量越大，軌下振級越小。不同軌道結(jié)構(gòu)的振動修正值見表3。

通過綜合對比分析，可以知道，軌道減振器和Lord扣件、彈性短軌枕整體道床、浮置板軌道等道床結(jié)構(gòu)，雖然減振效果很好，但是造價較高。相比而言，碎石道床結(jié)構(gòu)屬于彈性結(jié)構(gòu)，其散粒體結(jié)構(gòu)使其具有良好的彈性，能夠有效地減緩及吸收輪軌的沖擊和振動。在相同條件下，碎石道床較整體道床可減少振動約5 dB，并能夠相應(yīng)減少結(jié)構(gòu)的二次噪聲［11］。

表3 不同軌道結(jié)構(gòu)的振動修正值

考慮到碎石道床具有良好彈性和低造價的特點，北湖線一期全線采用碎石道床結(jié)構(gòu)。同時，考慮到運營中的3、4號線均為碎石道床結(jié)構(gòu)，長春市在碎石道床的養(yǎng)護維修上積累了豐富的經(jīng)驗、技術(shù)和設(shè)備，養(yǎng)護維修也不存在問題。

2.4.3 無縫線路

無縫線路最大限度地減少了鋼軌接頭，能夠有效地減少輪軌間的沖擊力，使列車運行的基本單位阻力減少10%～20%，減少了脈沖型激擾源，從而減少了振動和噪聲。據(jù)歐美國家資料介紹，運營噪聲可降低2～10 dB［9］。所以在條件允許時，應(yīng)盡可能地采用無縫線路。

考慮到北湖線一期采用碎石道床，推薦正線直線段及曲線半徑≥400 m的曲線地段均鋪設(shè)無縫線路，盡可能地減少鋼軌接頭，降低振動和噪聲影響。

2.5 聲屏障

前面所述措施基本上都是考慮從源頭上減小環(huán)境污染，雖然可以大幅提高高架線的適應(yīng)能力，減小高架線運營對周邊環(huán)境的影響，但是不可避免地還會有一些噪聲。這些剩余的環(huán)境污染在普通路段可能無關(guān)緊要，但是在特殊的敏感路段，必須同時考慮其他的環(huán)境保護措施，從傳播途徑上切斷或阻礙噪聲的傳播，比如采用常用的聲屏障防護措施。

聲屏障包括全封閉透明聲屏障、半封閉透明聲屏障等形式。全封閉透明聲屏障降噪效果較好，降噪效果可達10～20 dB，但對于采用接觸網(wǎng)供電方式的高架線，將會影響聲屏障的封閉性，增加設(shè)計、施工難度。

半封閉透明聲屏障有直立式和Γ型聲屏障。Γ型聲屏障頂端按一定角度折向道路內(nèi)側(cè)，可阻止聲波向高處傳播，從而在一定程度改善了屏障的降噪效果，聲屏障下端1 m以下部分采用吸聲式聲屏障，可有效吸收輪軌接觸產(chǎn)生的噪聲，并且不影響乘客視線，對沿線居民區(qū)的采光也不會產(chǎn)生明顯影響。直立式屏障降噪效果可達到8～10 dB，Γ型聲屏障有效范圍內(nèi)可降低噪聲10 dB以上。

北湖線一期工程路由中，地理路兩側(cè)均為高校和科研單位，屬于環(huán)境敏感路段(見圖5)。雖然線路中心距離兩側(cè)建筑最小距離均為31 m以上，但是為了最大限度地將環(huán)境影響降到最低，本段考慮在U梁的基礎(chǔ)上再加設(shè)雙側(cè)吸聲屏障，這樣在一定范圍內(nèi)，能夠?qū)⒚舾新范卧肼曉谟行Х秶鷥?nèi)再降低10 dB左右，可以有效減緩噪聲傳播。

圖5 環(huán)境敏感路段—地理路

3 景觀協(xié)調(diào)措施

高架線結(jié)構(gòu)體量巨大，不可避免地會影響城市景觀，橋跨結(jié)構(gòu)如果跨徑和高度設(shè)計不匹配，將會嚴重影響人們的視覺和心理感受。因此，在高架線的設(shè)計中，必須要重視景觀影響。根據(jù)周邊環(huán)境，按照橋梁美學(xué)的理念，采用合理的線形、高寬比、高跨比和必要的景觀設(shè)計。

3.1 優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)

3.1.1 上部結(jié)構(gòu)

與箱梁相比，要達到同樣的降噪效果，U梁結(jié)構(gòu)能夠大幅減少聲屏障的使用，而且U梁斷面采用弧型腹板，可使U梁斷面層次感更銜接，并增加視覺柔和感受，使高架橋線形顯得柔和勻稱，與蓋梁、橋墩有機結(jié)合，造型美觀。

結(jié)合重慶、南京、上海等地的U型梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用實例，推薦北湖線U型梁截面采用與重慶1號線U型梁一致的中央接觸網(wǎng)立柱布置方式，這與南京、上海地鐵采用的兩側(cè)布置接觸網(wǎng)立柱相比，景觀效果更好。

3.1.2 跨徑

在北湖線一期工程可行性研究中，結(jié)合周圍環(huán)境和工程地質(zhì)條件，從景觀、經(jīng)濟和施工技術(shù)等各方面綜合考慮，對橋梁跨徑大小進行了優(yōu)化和調(diào)整，區(qū)間直線段標準梁的跨度采用30 m，小半徑曲線段標準跨度采用20～25 m，對跨城市道路等大跨度橋梁，根據(jù)實際情況進行單獨設(shè)計。

3.1.3 橋墩

橋墩的外部造型對于景觀影響也很重要，合理的選型能使上、下部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致，輕巧美觀。可選的橋墩形式有單柱墩、雙柱墩、V型墩和Y型墩等。單柱墩簡潔、明快，占地面積少，與各種梁型結(jié)合時，上、下部結(jié)構(gòu)的輪廓線過渡平順，受力合理;雙柱墩承載能力高、穩(wěn)定性較好，但其占地范圍較大，且橋下通透性較差;V型墩和Y型墩具有良好的視野和輕巧造型，但其結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，耐久性也相對較差。

北湖線一期工程高架段絕大部分區(qū)段處于道路路中及路側(cè)，從經(jīng)濟、景觀、施工方便等因素考慮，推薦采用單柱墩。對于橋墩高度，路側(cè)一般設(shè)計高度為5 m，路中為8.5～10 m，與橋跨結(jié)構(gòu)結(jié)合，基本上能夠形成愉快、通透的視覺效果。

3.2 減小路中車站建筑體量

在北湖線一期工程13個高架車站中，有8個車站位于路中。因此，為了盡量減小景觀影響，路中車站采用了站廳和設(shè)備用房外掛的建筑形式。與本線的高架側(cè)式車站3 000 m1左右的主體建筑面積相比，這種站型能夠使路中主體建筑體量大幅減小，僅為1 300 m1左右，從而優(yōu)化了景觀效果(見圖6、7)。

圖6 一般高架側(cè)式車站(主體建筑面積約3 000 m1 )

3.3 采用現(xiàn)代化的輕軌車輛

北湖線一期采用6模塊的C型車，車廂采用流線型，外形美觀。另外，結(jié)合客流數(shù)據(jù)，推薦采用高密度、小編組的運營方式，這樣可以避免過長列車在高架線上運行時的景觀影響。

4 結(jié)語

本文結(jié)合長春市快速軌道交通北湖線一期工程可行性研究工作，對影響軌道交通高架線的環(huán)境和景觀適應(yīng)性進行探討，從車輛、結(jié)構(gòu)、軌道、建筑、聲屏障等多個方面進行全方位的減振降噪研究和景觀優(yōu)化設(shè)計，提出了綜合整治、優(yōu)化的方案。通過采取多種措施，可以有效地降低高架線對周邊環(huán)境、景觀的影響，能夠滿足相關(guān)要求。因此，從促進軌道交通健康、快速發(fā)展，降低城市財力負擔(dān)等方面來看，在類似于長春這樣的中等規(guī)模城市和大城市外圍組團中，完全可以大力發(fā)展環(huán)境景觀適應(yīng)性好的高架線路。

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