新建鐵路鄰近既有鐵路的聲屏障降噪效果研究

陳 鋒，廖建州，孟春曉，呂文婷,3，彭道平

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司環(huán)境工程研究院，成都 610031；2. 四川省環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610091；3. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756；4. 西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合共建工程實驗室，成都 611756)

1 前 言

隨著我國道路交通和城市建設(shè)發(fā)展，城市建設(shè)用地資源緊缺，道路距離周邊建筑物距離越來越近，甚至一些已經(jīng)建成道路兩邊又新建了居民區(qū)、學(xué)校等建筑，由此導(dǎo)致了大量的噪聲污染投訴問題。對于城市交通噪聲污染控制，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作。例如，Garg和Maji等對比分析了今年各國在交通噪聲研究中采用的理論方法和模型，并對各方法的適用性等進行了研究[1]。王亞平等采用Cadna/A軟件模擬研究了在不同路況條件下，城市高架復(fù)合路平直路段的交通噪聲垂直面聲場分布規(guī)律和聲屏障的降噪效果[2]。謝海濤對城市交通十字路口的噪聲污染進行了預(yù)測[3]。Huang等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究了城市快速路對高層建筑的噪聲影響[4]。高山則對城市道路下穿隧道的噪聲傳播特性進行了測試分析，并對不同降噪方案的效果進行了模擬研究[5]。Munteanu等人研究了受鐵路噪聲影響的某高層建筑的聲環(huán)境特性，并對采用的降噪措施效果進行了實測分析[6]。而在一些城市區(qū)域，常?；旌嫌需F路交通噪聲、道路交通噪聲甚至其他生活生產(chǎn)噪聲的共同作用，特別是隨著軌道交通建設(shè)的開展，甚至出現(xiàn)了新建鐵路、既有鐵路、其他交通噪聲共同對該區(qū)域的聲環(huán)境產(chǎn)生影響的狀況，其噪聲污染特性更為復(fù)雜。

本文以某既有鐵路擴建項目為例，該項目K26+950～K27+800區(qū)段與該既有鐵路聯(lián)絡(luò)線LK0+150～LK0+850區(qū)段并行經(jīng)過其東側(cè)的某居民區(qū)，既有鐵路、道路交通噪聲和新建鐵路噪聲將可能對其共同產(chǎn)生影響，因此開展該區(qū)域聲環(huán)境敏感目標的噪聲污染特性研究，并對擬采用的聲屏障降噪措施效果進行預(yù)測，將有助于改善區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量，并為出現(xiàn)的新型城市噪聲污染控制提供參考。

2 新建鐵路鄰近既有線交通噪聲特性分析

2.1 研究區(qū)域工況

該居民區(qū)位于某既有鐵路和新建鐵路的東側(cè)；該居民區(qū)距新建鐵路外軌中心線62m、距既有鐵路外軌中心線34m；同時，居民區(qū)東側(cè)、南側(cè)各有一條城市道路，如圖1所示。測試目標為面向鐵路一側(cè)的3棟建筑物，在各建筑物的不同樓層進行布點：其中1號樓測點位于3層，距鐵路最近距離約25m；2號樓測點分別在3、5、8、11、14、17層，距鐵路最近距離約40m；3號樓測點分別在于5、8、11、14層，距鐵路最近距離約130m。

圖1 區(qū)域環(huán)境關(guān)系及測點布置圖Fig.1 Layout of surroundings and measuring points

測試方法及評價及評價標準按照《聲環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3096-2008)執(zhí)行，其中1號樓和2號樓按晝間70dB(A)、夜間55dB(A)執(zhí)行，3號樓執(zhí)行2類聲環(huán)境功能區(qū)限值。測量選在敏感建筑外不同樓層距墻壁1m處，距樓層地面高度1.2m以上。結(jié)合高層建筑物結(jié)構(gòu)特點，在陽臺或窗戶外布置測點。同步記錄道路車流量及車型、列車流量及類型。其中，1號樓和3號樓測點監(jiān)測晝夜鐵路噪聲及背景噪聲，2號樓測點進行連續(xù)24小時噪聲監(jiān)測，以等效A 聲級作為噪聲的量化評價值，用LAeq表示，單位dB(A) 。

2.2 區(qū)域交通噪聲特性分析

2.2.1 區(qū)域交通流量

測試時段區(qū)域的晝夜小時平均汽車流量和列車流量統(tǒng)計詳見表1。

表1 晝夜小時平均交通流量Tab.1 Average traffic flow in day-time and night-time (pcu/h)

2.2.2 交通噪聲監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.2.1 區(qū)域交通噪聲監(jiān)測結(jié)果及變化趨勢情況見表2、圖2。

根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3096-2008)環(huán)境噪聲限值，由監(jiān)測結(jié)果可知，1號樓、2號樓測點晝間不超標，夜間高層略有超標，超標量約0.2～1.3dB(A)，主要受鐵路噪聲影響；3號樓測點晝間不超標，夜間超標約3～5dB(A)，主要由鐵路噪聲和公路交通噪聲共同影響。

表2 噪聲監(jiān)測結(jié)果表Tab.2 The Noise monitoring results (dB(A))

從圖2可以看出相同時段內(nèi)不同樓層噪聲變化情況基本一致，靠既有鐵路一側(cè)的鐵路噪聲從低樓層至高樓層均呈逐漸增大的趨勢，建筑物每增高3層高度噪聲約增大1～2 dB(A)，在17層達峰值。

圖2 2號樓各樓層交通噪聲變化趨勢圖Fig.2 The variation trend of pattern traffic noise in Building 2

2.2.2.2 在2號樓測試結(jié)果中選取晝夜各一時段，分析當(dāng)一列車通過時的交通噪聲瞬時值和鐵路噪聲頻率分布范圍，具體情況表3和圖3。

表3 2號樓測點晝夜噪聲值對比表Tab.3 Comparison of traffic noise between day-time and night-time (dB(A))

從表3可知，由于車流量較低，一小時等效聲級與背景噪聲聲級相差不大，但列車通過時段的等效聲級遠大于背景噪聲，說明鐵路瞬時噪聲對居民區(qū)影響很大。

圖3 2號樓各樓層噪聲1/3倍頻程譜Fig.3 Frequency range of traffic noise

圖3為一趟列車通過時2號樓各樓層噪聲1/3倍頻程圖。由圖3可知，該測點鐵路噪聲的頻譜范圍在0～10kHz分布廣泛，60dB(A)以上主要集中在250～2 500Hz，在500Hz處出現(xiàn)噪聲峰值。

3 降噪措施方案設(shè)計

2012年該擴建項目環(huán)評報告中提出的降噪措施為在新建鐵路K26+950～K27+500東側(cè)設(shè)置550m長聲屏障。由于城市建設(shè)等原因，該項目周圍外環(huán)境關(guān)系已發(fā)生重大變化，原設(shè)計方案經(jīng)論證已不能滿足區(qū)域環(huán)境噪聲功能區(qū)劃要求。因此，經(jīng)研究確定在既有鐵路LK0+150～ LK0+850東側(cè)區(qū)段，設(shè)置長度共700m的聲屏障對該路段各環(huán)境保護目標進行降噪保護，其中：

LK0+150～LK0+750路基段設(shè)置長600m、高6m的折臂式聲屏障。采用插板式金屬、通透聲屏障，H型鋼在距頂部1m處進行折臂，折臂角度300。吸聲板按3m金屬吸聲板+2m通透板+1m金屬吸聲板的方式進行安裝。設(shè)置方案見圖4。

圖4 路基聲屏障方案Fig.4 Sound barrier structure in subgrade

LK0+750～ LK0+850橋梁段設(shè)置長100m、高3m的直立式聲屏障。聲屏障上部結(jié)構(gòu)采用H型鋼插板式結(jié)構(gòu)，直臂式，高度為橋梁人行道步板以上3m高(約為地面以上9m)。吸聲板均采用金屬吸聲板。上部結(jié)構(gòu)通過預(yù)埋螺栓與基礎(chǔ)連接。設(shè)置方案見圖5。

圖5 橋梁聲屏障方案Fig.5 Sound barrier structure in bridge

4 預(yù)測模型與校驗

4.1 模擬軟件

本文采用Cadna/A軟件進行對降噪措施效果進行模擬驗證。Cadna /A是一款利用Windows 作為操作平臺的噪聲模擬和控制軟件，由于參數(shù)可以調(diào)整及三維彩色圖形輸出方式使預(yù)測結(jié)果更加可視化和形象化，可用于噪聲控制設(shè)計效果分析，其屏障高度優(yōu)化功能可以廣泛用于道路等噪聲控制工程的設(shè)計[7～11]。

4.2 模型的建立與參數(shù)選取

模型建立：根據(jù)路段線路方案設(shè)計CAD平縱斷面圖，將線路平縱斷面、地面高程、敏感建筑等參數(shù)及圖形導(dǎo)入Cadna/A軟件中。在Cadna/A軟件中按線路兩側(cè)實際建筑的高度進行設(shè)置，構(gòu)建鐵路、兩側(cè)建筑物的3D 仿真模型，如圖6 所示。

參數(shù)設(shè)置：既有鐵路客貨車設(shè)計速度為100km/h，新建鐵路客車設(shè)計速度為160km/h，貨車設(shè)計速度為120km/h；晝、夜間小時絕對車流量均采用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖6 線路3D模型Fig.6 3D model of surroundings

4.3 模型校驗

為驗證預(yù)測模型的有效性，利用模型預(yù)測2號樓各樓層噪聲值并與實測值進行對比分析，結(jié)果見表4。由于新建鐵路正在建設(shè)中，本次預(yù)測模型校驗僅考慮既有鐵路的噪聲貢獻。經(jīng)對比，既有鐵路模型預(yù)測值與實際監(jiān)測結(jié)果未出現(xiàn)較大偏差，模擬預(yù)測值與實測值基本吻合，表明預(yù)測模型擬合效果較好。

表4 2號樓噪聲模型計算與實際監(jiān)測結(jié)果與誤差Tab.4 Noise model calculation and actual monitoring results and errors (dB(A))

5 措施方案降噪效果分析

本論文分別選擇了距離鐵路不同位置的3個2類區(qū)和1個4b類區(qū)聲環(huán)境保護目標作為預(yù)測點，分別對不同樓層進行了降噪措施前和措施后的環(huán)境噪聲進行預(yù)測，其中：預(yù)測點N1為4b類區(qū)，其環(huán)境噪聲現(xiàn)狀值等于2號樓各樓層監(jiān)測值疊加背景噪聲值，1樓現(xiàn)狀值等于3樓現(xiàn)狀值；預(yù)測點N2和N3為2類區(qū)，其環(huán)境噪聲現(xiàn)狀值參考3號樓各樓層監(jiān)測值，1樓現(xiàn)狀值等于5樓監(jiān)測值；預(yù)測點N4為2類區(qū)，其環(huán)境噪聲現(xiàn)狀值等于N1預(yù)測點1樓值。4個預(yù)測點及預(yù)測斷面布置見圖1，預(yù)測結(jié)果見表5、圖7和圖8。

N1預(yù)測點：采取路基聲屏障措施前，噪聲預(yù)測值晝間達標，夜間5層以下預(yù)測點達標，5～11層超標超0.4～0.6dB(A)。采取聲屏障措施后，晝間、夜間均能滿足4b類區(qū)聲環(huán)境標準；且1～5層居民房屋的聲環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于現(xiàn)狀，減少1.3～4.7dB(A)，5層以上居民房屋晝間較現(xiàn)狀聲環(huán)境略有增加，增加量0.2～1.6dB(A)。

N2預(yù)測點：采取路基聲屏障措施前，該敏感點2類區(qū)預(yù)測值晝間達標，夜間除1層達標外，其余樓層超標1.1～3.5dB(A)；采取聲屏障措施后，晝間聲環(huán)境達標，夜間1層達標，其余樓層超標0.1～2.6dB(A)；但措施后聲環(huán)境優(yōu)于現(xiàn)狀，晝間減少1.4～4.2 dB(A)，夜間減少2.3～4.9dB(A)。

N3預(yù)測點：采取路基聲屏障措施前，該敏感點預(yù)測值晝間1～8層聲環(huán)境達標，11層和14層超標0.3～0.8dB(A)，夜間所有樓層超標3.1～6.7dB(A)；采取聲屏障措施后，該敏感點晝間聲環(huán)境達標，夜間超標1.9～4.8dB(A)；且措施后除11層較現(xiàn)狀增加0.1dB(A)外，其余預(yù)測點均小于現(xiàn)狀值0.1～1.6dB(A)，聲環(huán)境與現(xiàn)狀聲環(huán)境基本相當(dāng)。

表5 降噪措施前后各預(yù)測點環(huán)境噪聲對比Tab.5 Comparison of noise pre- and pro- reduction measures (dB(A))

續(xù)表5

預(yù)測點編號測點位置環(huán)境現(xiàn)狀噪聲監(jiān)測值措施前措施后環(huán)境噪聲預(yù)測值超標情況近期增量環(huán)境噪聲預(yù)測值超標情況措施后增量晝夜晝夜晝夜晝夜晝夜晝夜晝夜2類區(qū)居民房11層5954.156.252.6達標2.6//55.751.5達標1.5/-2.62類區(qū)居民房14層6054.956.453.5達標3.5//55.852.6達標2.6/-2.3N32類區(qū)居民房1層56.453.556.953.1達標3.1//56.351.9達標1.9/-1.62類區(qū)居民房5層56.453.558.154.8達標4.81.71.356.952.5達標2.5/-1.02類區(qū)居民房8層57.453.859.256.0達標6.01.82.258.053.6達標3.6/-0.22類區(qū)居民房11層5954.160.356.60.36.61.32.559.254.2達標4.2/0.12類區(qū)居民房14層6054.960.856.70.86.70.81.860.054.8達標4.8/-0.1N42類區(qū)幼兒園1層56.25357.955.5達標5.5//54.849.9達標達標//

圖7 措施前后晝間聲場變化情況Fig.7 Spatial distribution of ambient noise pre- and pro- reduction control in day-time

圖8 措施前后夜間聲場變化情況Fig.8 Spatial distribution of ambient noise pre- and pro- reduction control in night-time

N4預(yù)測點：措施前預(yù)測值晝間達標，夜間超標5.5dB(A)；采取措施后，晝、夜間噪聲預(yù)測值均能滿足聲環(huán)境標準，且措施后該敏感點聲環(huán)境優(yōu)于現(xiàn)狀1.4～3.1dB(A)。

綜上所述，設(shè)置聲屏障措施能有效減少鐵路噪聲對敏感點的噪聲貢獻量，措施后該段鐵路沿線的敏感目標大部分能滿足聲環(huán)境執(zhí)行標準，措施后仍超標的敏感點預(yù)測值與現(xiàn)狀聲環(huán)境相比基本相當(dāng)或優(yōu)于現(xiàn)狀。

6 結(jié) 論

本文以某既有鐵路擴建工程為例，對該項目與既有線并行穿過某居民區(qū)的環(huán)境噪聲現(xiàn)狀進行監(jiān)測，分析區(qū)域交通噪聲污染特性，綜合考慮既有鐵路與新建鐵路的共同影響，通過Cadna/A建立預(yù)測模型，對比預(yù)測分析了采用聲屏障降噪措施前后該小區(qū)的環(huán)境噪聲的變化情況，得到了以下結(jié)論：

6.1 該區(qū)域環(huán)境噪聲鐵路噪聲影響較大，對于臨街建筑的影響為從低樓層至高樓層均呈逐漸增大的趨勢。噪聲的頻譜范圍在0～10kHz分布廣泛，60dB(A)以上主要集中在250～2 500Hz，峰值頻率出現(xiàn)在500Hz附近。

6.2 預(yù)測結(jié)果表明，新建鐵路和既有鐵路對區(qū)域環(huán)境噪聲有較大的增量貢獻，晝間增加約0.8～5.1dB(A)，晝間預(yù)測點位超標率為11.1%；夜間增量約為1.3～6.8dB(A)，夜間預(yù)測點超標率為72.2%。

6.3 設(shè)置聲屏障措施能有效減少鐵路噪聲的貢獻量，結(jié)果表明晝間所有預(yù)測點位均能達標，夜間達標率為50%，但超標點位的預(yù)測值基本相當(dāng)或優(yōu)于現(xiàn)狀值。