城市軌道交通高架線U型梁降噪理論與測試

王奕然

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京100037)

城市軌道交通的高架線路與地下線路相比較，具有建設與運營成本低、安全風險小等優(yōu)點。但是，高架線路的列車運行噪聲對沿線居住環(huán)境、土地的經濟價值存在一定的負面影響，限制了高架線路在實際工程中的應用［1-2］。城市軌道交通高架線U型梁技術研究旨在通過梁型結構的變化以及多種降噪措施的應用，降低列車運行噪聲對周圍環(huán)境的影響，使之成為環(huán)保、經濟、美觀的高架線路形式，以替代傳統的箱型梁結構形式。

筆者將通過對比傳統箱型梁與U型梁的特點，分析傳統箱型梁噪聲治理存在的問題，提出U型梁降噪的基本原理及具體措施。同時，采用不同的方法對U型梁的降噪效果進行理論計算分析與模擬預測，并通過工程噪聲測試進行驗證。

1 傳統箱型梁的噪聲治理

1.1 傳統箱型梁的特點及噪聲治理措施

傳統箱型梁是在以往的城市軌道交通高架線中普遍采用的一種梁體結構形式。傳統雙線橋箱型梁的特點有:上下行線路均在同一梁體上;上下行線路間距較近，之間的空間小;梁體上部是一個平臺，對列車沒有任何包圍效果;箱型梁內部有較大空腔。

在國內外的實際工程中，采用傳統箱型梁時，設置聲屏障是應用最為廣泛的噪聲治理措施。聲屏障(noise barrier)是設立于噪聲源和受聲點之間的聲學障板，它利用聲波的繞射衰減原理，通過控制噪聲傳播途徑來減小受聲點的噪聲值。

根據結構外形的不同，城市軌道交通工程聲屏障可分為直立式、半封閉式及全封閉式三大類［3］。全封閉聲屏障與直立和半封閉聲屏障的降噪機理不同，其降噪效果主要與聲屏障板的隔聲量有關，從降噪角度講，明顯優(yōu)于后兩種。但高架線全封閉后，隨之帶來的聲屏障內部通風及消防問題較難解決，因此僅在局部特殊地段采用。

1.2 噪聲治理存在的問題

1.2.1 設計方案有局限性

工程中采用的直立和半封閉聲屏障的降噪效果都會隨敏感建筑高度及保護距離的增加而衰減;另外，傳統箱型梁聲屏障的設置位置受限界、橋梁形式的制約，聲屏障與主要聲源點(列車輪軌)的距離較大，降噪效率較低，特別是在雙線橋上，聲屏障對較近一側線路(近軌)的降噪效果好，但對較遠一側線路(遠軌)的降噪效果會大打折扣;再有，列車在傳統箱型梁上運行振動產生的梁體結構二次噪聲是無法利用橋上的聲屏障消除的。

1.2.2 聲屏障對城市景觀影響較大

根據聲屏障的降噪原理，聲屏障是列車與周圍環(huán)境之間的一道隔墻，這道隔墻很長、很薄又沒有任何變化，其景觀設計是一件非常困難的事情;另外，墻體與高架橋連接為一體，使得高架橋的體量增加了很多，對整個城市景觀也影響較大。目前，聲屏障的工程設計與施工大多和橋梁獨立分開進行，缺乏有效的溝通協調，整體性不強，使得聲屏障景觀幾乎千篇一律，缺乏美感。

1.2.3 缺乏良好的聲屏障材料

除了材料聲學性能外，由于其常年處于室外，處于雨雪風沙等惡劣氣候條件，聲屏障材料的防腐、抗老化性能也值得關注。目前，金屬聲屏障的防腐性能、玻璃鋼與塑料材質聲屏障的抗老化性能較為薄弱，透明材料聲屏障的清洗問題也難以解決。由于城市軌道交通全年運營，聲屏障的維護更換工作不能影響行車，而且聲屏障通常與橋面上供電、通信、信號等多專業(yè)的電纜托架共用立柱，維護條件非常苛刻。因此，使用壽命要求較一般的公路聲屏障更為嚴格，宜優(yōu)先采用免維護產品。

1.2.4 造價巨大

城市軌道交通聲屏障對使用壽命、耐候性、重量等方面要求較高，導致造價居高不下。普通的金屬聲屏障造價都在1 000元/m1以上，隨著金屬材料價格的上漲，聲屏障的工程造價也不斷攀升。由于工程中大量使用聲屏障，使得高架線路建設成本低的優(yōu)勢變得不再明顯。

2 U型梁降噪機理

2.1 U型梁特點

U型梁是一種新型的城市軌道交通高架線梁體結構形式。與傳統的雙線橋箱型梁比較，U型梁的特點有:上下行線路在兩個不同的梁體上;上下行線路間距較遠，之間的空間大;梁體上部自身呈U型，對列車有一定的包圍效果;U型梁內部沒有空腔。

2.2 U型梁降噪機理

2.2.1 天然的屏障結構

箱型梁上部兩側為開放的結構，無遮擋噪聲的作用;而U型梁腹板對列車車體有一定的包圍效果，可以起到天然的屏障作用。因箱型梁兩線之間的距離較小，沒有空間設置聲屏障，聲屏障通常只能設置在高架橋的兩側;而U型梁上下行線路均有獨立的U型結構，相當于在兩線之間設置了天然屏障。另外，U型梁腹板上部向列車方向可以伸出挑檐，又增加了遮擋噪聲的等效高度，從而形成更高的天然屏障。圖1為U型梁與設置1.5 m高(與U型梁腹板高度相同)聲屏障的箱型梁的聲影區(qū)對比。

從圖中可以看出:對于近軌列車，U型梁所能形成的聲影區(qū)比設置聲屏障的箱型梁范圍略大;而對于遠軌列車，U型梁聲影區(qū)的范圍遠大于設置聲屏障的箱型梁。

2.2.2 設置吸聲調整塊及腹板吸聲

圖1 U型梁與設置1.5 m高聲屏障的箱型梁的聲影區(qū)對比

根據聲屏障降噪理論，起天然屏障作用的U型梁腹板距離主要聲源點(列車輪軌)越近，其降噪效果越好。由于混凝土結構的施工誤差較大，考慮安全因素，腹板不可能離列車很近。為進一步增強腹板對列車輪軌的包圍效果，可以在腹板上部列車一側的挑檐前端安裝一種新型的柔性隔聲調整塊(專利號:ZL200820301542.2)。隔聲調整塊由吸聲材料、隔聲材料及阻尼材料組成。隔聲調整塊最大限度地接近列車，可以大大提高腹板的等效降噪高度，而且其前端為柔性材料，能夠避免刮傷列車。

為減少輪軌噪聲在U型梁腹板與車體之間的反射而產生的噪聲疊加現象，可以在U型梁腹板內側貼覆一層吸聲材料。在工程中，吸聲材料可選擇膨化珍珠巖板、聚合水泥木絲板或超微孔板等多種材料，如圖2所示。

圖2 加設隔聲調整塊及腹板吸聲材料的U型梁斷面

除了上述措施外，U型梁沒有箱型梁那樣的內部空腔，對于降低梁體本身振動產生的固體二次噪聲也有一定的效果。

3 U型梁降噪效果計算分析

為了量化U型梁的降噪效果，以南京地鐵2號線東延線某噪聲敏感點為例進行計算分析。根據環(huán)評要求，若采用箱型梁需設置3 m高聲屏障。參照HJ 453—2008《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》附錄B的計算方法，分別對設置3 m高聲屏障的箱型梁和未設置聲屏障的U型梁(亦未設置隔聲調整塊)進行運行噪聲預測［4］。

計算輸入數據:橋梁高度10 m;線路與敏感點的距離36 m;敏感點高度24 m(8層);背景噪聲晝間58.7 dB(A)，夜間52.7 dB(A);晝間高峰小時行車20對，夜間10對;車輛為A型車，6輛編組。表1為針對該敏感點最不利房間(頂層)進行的箱型梁與U型梁的噪聲預測結果。

表1 箱型梁與U型梁噪聲預測結果 dB(A)

從表1可以看出:對于本敏感點，箱型梁設置3 m高聲屏障的降噪效果與U型梁(未設置隔聲調整塊)的降噪效果相當，其晝間及夜間運營高峰小時連續(xù)等效噪聲值均降低了約6 dB(A)。

除手工計算外，還采用Soundplan聲學模擬軟件對箱型梁及U型梁設置降噪措施的幾種情形進行了模擬預測(見圖3～圖5)。

從模擬結果可以看出，采用U型梁的線路周邊聲環(huán)境質量優(yōu)于箱型梁;當U型梁安裝隔聲調整塊后，降噪效果更加顯著，因此該方法應當成為U型梁綜合降噪技術值得進一步發(fā)展的方向。

圖3 箱型梁的聲場分布

4 U型梁降噪效果測試

南京地鐵2號線東延線局部路段采用U型梁(未設置隔聲調整塊)，該工程已于2010年5月開通運營。為了對比U型梁與箱型梁在實際運行中的噪聲情況，同時也對前面的理論分析進行驗證，分別選取一段南京地鐵2號線東延線的U型梁和國內某城市運行地鐵線路中未采取降噪措施的箱型梁進行噪聲對比測試。對于南京地鐵的箱型梁，由于均設置了高約1.7 m的吸聲型護欄板(等同于聲屏障)，不適合作為對比測試對象［5］。

圖4 U型梁(未安裝隔聲調整塊)的聲場分布

圖5 U型梁(安裝隔聲調整塊)的聲場分布

對比測試條件為:橋梁高度約10 m;均為平、直、無道岔線路;無降噪及減振措施;列車速度約為60 km/h;背景噪聲為44～56 dB(A);U型梁為A型車，箱型梁為B型車，均為6輛編組;天氣情況良好。

對于兩種梁型，分別在距離近軌線路中心線30 m、60 m及90 m處設置3個測試點，受測試條件的限制，測試點距離地面為1.2 m。測試記錄為近軌列車和遠軌列車經過時的瞬時噪聲值，如圖6～圖7所示。

可以看出，列車經過時，U型梁瞬時噪聲值低于箱型梁7～12 dB(A)，即U型梁腹板的插入損失為7～12 dB(A)。由于測試點距地面很近，U型梁腹板形成的聲程差比位于高處的預測點更大，因此測試結果高于表1中的插入損失預測值。

圖6 U型梁與箱型梁近軌瞬時噪聲的測試結果對比

圖7 U型梁與箱型梁遠軌瞬時噪聲的測試結果對比

同樣由于測試點距地面很近，對于箱型梁，梁體對遠軌列車噪聲亦能具有一定的屏蔽作用;對于U型梁，近軌梁體會對遠軌列車噪聲以及遠軌梁體的振動二次噪聲產生一定的屏蔽作用。因此，同一測點的遠軌噪聲值均低于近軌噪聲值。這一趨勢與表1中位于高處的預測點有所不同。

在上述測試數據的基礎上，可折算出不同測點處晝間及夜間運營高峰小時的連續(xù)等效噪聲，如圖8～圖9所示。

圖8 U型梁與箱型梁晝間高峰小時的連續(xù)等效噪聲對比

圖9 U型梁與箱型梁夜間高峰小時的連續(xù)等效噪聲對比

可以看出，對于地面測試點，U型梁晝間和夜間的運營高峰小時連續(xù)等效噪聲值均低于箱型梁，其差值為9～11 dB(A)，U型梁的降噪效果十分顯著。而且，A型車軸重較大，其車輛噪聲源強一般高于B型車，但測試的A型車U梁噪聲值低于B型車箱梁噪聲值，更凸顯出U型梁的降噪優(yōu)勢。

5 結論

綜上所述，與傳統箱型梁相比較，U型梁結構是無空腔底板、U型腹板、腹板挑檐以及隔聲調整塊的組合體，可有效控制車輛輪軌噪聲，形成對車輛輪軌噪聲的天然屏障。理論分析、Soundplan軟件計算機模擬和現場測試的研究表明，該U型梁結構對車輛輪軌的近、遠軌噪聲均具有良好的屏蔽作用，無空腔混響引起的二次結構噪聲，綜合降噪效果顯著。采用該U型梁結構，能夠大幅度減少聲屏障的使用量，可以避免傳統聲屏障噪聲治理措施帶來的問題，從而優(yōu)化橋梁景觀、降低建設投資和運營維護成本，帶來巨大的社會效益和經濟效益。

［1］北京城建設計研究總院有限責任公司.城市軌道交通高架線U型梁綜合技術研究科研報告［R］.北京，2012.

［2］王奕然，楊興山.城市軌道交通設備系統可持續(xù)發(fā)展的技術對策［J］.都市快軌交通，2009，22(5):6-9.

［3］王奕然，孫京健.北京地鐵5號線聲屏障工程的設計與研究［J］.鐵道標準設計，2007(10):26-28.

［4］HJ453-2008環(huán)境影響評價技術導則:城市軌道交通［S］.北京:環(huán)境保護部，2008.

［5］孔飛，楊志峰，許巍.南京地鐵二號線新型降噪措施［J］.低溫建筑技術，2010(12):113-115.