鐵路橋梁全封閉聲屏障降噪特性及對生態(tài)區(qū)作用的分析

鄒俊輝，邵華平

（中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510088）

0 引言

大規(guī)模鐵路建設(shè)容易給沿線生態(tài)環(huán)境造成一定的改變和破壞，在傳統(tǒng)鐵路建設(shè)中，普遍存在“重主體、輕環(huán)?！薄跋绕茐摹⒑笾卫怼钡葢T性問題，尤其對于鐵路噪聲問題，僅通過設(shè)置普通聲屏障、隔聲窗或半封閉聲屏障等，降噪效果不理想。特別是生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等特殊環(huán)境敏感點(diǎn)，普通聲屏障或半封閉聲屏障難以起到很好的保護(hù)作用[1-2]。如果不設(shè)置有效的降噪設(shè)施，將會對周圍生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)生活環(huán)境等噪聲敏感區(qū)造成極大影響，難以滿足環(huán)保要求。

環(huán)境評價(jià)尤其噪聲評價(jià)是決定高鐵工程項(xiàng)目成敗的重要內(nèi)容，在高速鐵路經(jīng)過某些噪聲敏感區(qū)段時(shí)設(shè)置全封閉聲屏障已然是大勢所趨。以深茂鐵路江茂段全封閉聲屏障為例，總結(jié)全封閉聲屏障研究背景、降噪效果及風(fēng)景區(qū)敏感區(qū)噪聲監(jiān)測，為全封閉聲屏障在高速鐵路橋梁上的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程背景

1.1 環(huán)境調(diào)查

“小鳥天堂”是廣東省江門市新會區(qū)天馬村一塊約1萬m2的小島，由一棵大榕樹歷經(jīng)400余年繁衍，覆蓋全島，周圍由天馬河環(huán)繞，已成為鷺鳥為主兼有20多種國家二級保護(hù)鳥類（約3萬多只）的棲息地，為華南乃至全國罕見的城郊鳥類棲息地，故命名為“小鳥天堂”，是僑鄉(xiāng)江門最著名的國際生態(tài)旅游景點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及區(qū)域噪聲研究，為保證“小鳥天堂”內(nèi)小鳥棲息、繁殖不受影響，要求“小鳥天堂”的規(guī)劃邊界處環(huán)境噪聲的等效連續(xù)A聲級LAeq24 h不應(yīng)超過50 dB，噪聲最大聲級Lmax不應(yīng)大于60 dB（A）[3]。

1.2 鐵路線位

深茂鐵路江茂段（江門—茂名）受城市規(guī)劃、江門站站位及出站端曲線半徑影響限制，線路無法遠(yuǎn)離“小鳥天堂”生態(tài)保護(hù)區(qū)，距離保護(hù)區(qū)較近線路區(qū)段長約3 km，距“小鳥天堂”規(guī)劃邊界300 m、“小鳥天堂”現(xiàn)狀邊界630 m、“小鳥天堂”竹島670 m、“小鳥天堂”大榕樹800 m（見圖1）。同時(shí)受該段線位標(biāo)高、地質(zhì)條件復(fù)雜和北端需跨越潭江水系等因素影響，難以采用隧道穿越方案，只能采用橋梁方案。深茂鐵路江茂段運(yùn)營速度120 km/h，其噪聲源以列車輪軌噪聲為主，按照環(huán)保部門要求，為減緩鐵路噪聲、振動及光對“小鳥天堂”名勝景區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，該段采用全封閉聲屏障，預(yù)計(jì)降噪效果應(yīng)達(dá)到20 dB以上。最終該段全封閉聲屏障全長2 036 m，光屏障總長1 730 m，總概算1.8億元（不含橋梁）。全封閉聲屏障主要由拱形鋼構(gòu)架和金屬吸、隔聲板及ECC混凝土吸聲板組成。

圖1 深茂鐵路與“小鳥天堂”的地理位置

2 降噪效果研究

2.1 前期研究

建設(shè)鐵路橋梁全封閉聲屏障工程為國內(nèi)外首例。為解決橋上全封閉聲屏障設(shè)計(jì)、施工等關(guān)鍵技術(shù)難題及科研經(jīng)費(fèi)等問題，2014年6月專門立項(xiàng)科研課題，與中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司、西南交通大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位組建科研團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，歷時(shí)2年，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、數(shù)值分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、足尺模型等研究[4-7]，形成一整套從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)的全封閉聲屏障技術(shù)，解決了關(guān)鍵技術(shù)難題：

（1）梁型選擇方面：通過梁型對比分析和增強(qiáng)內(nèi)部鋼筋布置、增加翼緣板斜支撐等手段，確定了適宜承載全封閉聲屏障的箱梁結(jié)構(gòu)；

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：通過動力學(xué)理論計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)（見圖2）和列車氣動力CFD數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)出一種新型聲屏障結(jié)構(gòu)——拱形全封閉聲屏障鋼棚架結(jié)構(gòu)（見圖3）；

（3）材料選型方面：首次提出改性ECC混凝土聲屏障方案，給聲屏障材料選型提供了一種新的選擇；

（4）建立全封閉聲屏障足尺模型，完成全封閉聲屏障減振、降噪效果測試，并已獲得初步研究成果[7-9]。

圖2 聲屏障風(fēng)洞試驗(yàn)

圖3 全封閉聲屏障斷面

2.2 2種隔聲板聲學(xué)性能

全封閉聲屏障上吸、隔聲板的隔聲性能是影響聲屏障降噪效果的關(guān)鍵因素。本項(xiàng)目選用ECC混凝土隔聲板和金屬復(fù)合吸聲板。金屬復(fù)合吸聲板長2.00 m，寬0.45 m，內(nèi)表面為穿孔板，外表面為1.50 mm厚鋁板，內(nèi)填充玻璃棉氈；ECC混凝土板厚5.0 cm，弧長為2.3～2.6 m，寬2.0 m，混凝土板內(nèi)附吸聲材料。為研究2種隔聲板的聲學(xué)特性，采用SEA算法建立聲源聲腔、接收聲腔、2.00 m×1.00 m×0.05 m混凝土單元板及2.0 m×1.0 m×0.1 m金屬復(fù)合吸聲板，模擬了2種隔聲板的聲學(xué)特性（見圖4）。結(jié)果表明：2種聲屏障單元板隔聲量均隨著頻率的增加而增大，頻率超過2 500 Hz（1 000 Hz），金屬復(fù)合吸聲板（混凝土板）隔聲量逐漸下降（見圖5）；在低于1 000 Hz頻段，混凝土隔聲板的隔聲量高于金屬復(fù)合吸聲板；超過此頻段，金屬復(fù)合吸聲板的隔聲量較高?？梢詫CC混凝土聲屏障同樣運(yùn)用于深茂鐵路聲屏障項(xiàng)目材料中，此外因?yàn)榛炷敛牧先〔姆奖?、價(jià)格較低，有益于推廣使用。

圖4 隔聲板隔聲量SEA預(yù)測模型

圖5 2種聲屏障單元板隔聲量計(jì)算值

2.3 模型試驗(yàn)及工程建設(shè)過程

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究[10]，該線路噪聲源以輪軌噪聲為主，此外還有車體噪聲、集電系統(tǒng)噪聲等。

為充分證明全封閉聲屏障的作用及效果，按照全封閉聲屏障設(shè)計(jì)尺寸建立橋上改性ECC混凝土聲屏障及金屬聲屏障1∶1足尺模型（見圖6（a）），將實(shí)測噪聲源用揚(yáng)聲器加載在足尺模型內(nèi)部（見圖6（b）），研究自由聲場及2種聲屏障內(nèi)外聲場分布規(guī)律，實(shí)測2種聲屏障的內(nèi)外側(cè)聲壓級。

聲學(xué)規(guī)范以降噪量或插入損失來評價(jià)聲屏障的降噪效果[11]。選用最大A聲級插入損失來評價(jià)聲屏障的降噪效果。模型試驗(yàn)結(jié)果表明：距離軌道中心線7.5 m處，改性ECC混凝土聲屏障和金屬聲屏障的插入損失分別是22 dB和25 dB。

圖6 全封閉聲屏障足尺模型試驗(yàn)

經(jīng)過模型試驗(yàn)可知：2種聲屏障均可獲得預(yù)期的降噪效果，可應(yīng)用于深茂鐵路全封閉聲屏障工程。2017年8月深茂鐵路開始正式建設(shè)，共安裝4.2萬余塊吸聲板，2017年10月項(xiàng)目順利完工，2018年7月正式開通使用（見圖7），成為江茂鐵路的亮點(diǎn)工程。

圖7 建成的全封閉聲屏障

3 敏感區(qū)噪聲監(jiān)測

3.1 監(jiān)測點(diǎn)

深茂鐵路開通運(yùn)營后對“小鳥天堂”周邊進(jìn)行了噪聲監(jiān)測，以評價(jià)深茂鐵路全封閉聲屏障對環(huán)保敏感區(qū)的積極作用。根據(jù)環(huán)評報(bào)告中針對“小鳥天堂”噪聲影響的預(yù)測點(diǎn)位，本次監(jiān)測共選取4處監(jiān)測點(diǎn)位（見表1），每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位同時(shí)設(shè)置背景噪聲監(jiān)測點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測過程中，不同監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測，同時(shí)記錄列車運(yùn)行情況。深茂鐵路江茂段全天運(yùn)行列車19對，均為動車組列車，晝間18對，夜間1對。

表1 噪聲監(jiān)測布點(diǎn)

晝夜監(jiān)測：測量單列車分別通過時(shí)段的最大聲級，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)測量10列車的數(shù)據(jù)，同時(shí)在每列車經(jīng)過后立即進(jìn)行背景噪聲監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測結(jié)果

圖8 列車通過時(shí)最大噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖9 列車通過后背景噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

“小鳥天堂”規(guī)劃邊界—大榕樹4處監(jiān)測點(diǎn)列車通過時(shí)噪聲分布結(jié)果見圖8、圖9?？芍蠲F路橋梁全封閉聲屏障建成并正常運(yùn)營情況下，晝間列車通過時(shí)噪聲最大值為41.5～49.8 dB，背景噪聲為41.4～49.5 dB，各測點(diǎn)噪聲比背景噪聲高0.1～0.3 dB；夜間列車通過時(shí)噪聲最大值為41.2～44.9 dB，背景噪聲為41.1～44.8 dB，各測點(diǎn)噪聲增大0.1～0.2 dB。可見，聲屏障建成后，列車經(jīng)過時(shí)敏感區(qū)噪聲最大值均基本維持現(xiàn)狀。聲屏障的設(shè)置使得噪聲敏感區(qū)的噪聲基本保持現(xiàn)狀，完全滿足“小鳥天堂”保護(hù)區(qū)噪聲限值要求，保證了列車以“靜音模式”通過此區(qū)域。

4 結(jié)論與展望

通過深茂鐵路全封閉聲屏障項(xiàng)目的隔聲板聲學(xué)性能研究、模型試驗(yàn)及聲屏障建成后的噪聲監(jiān)測，分析了高速鐵路橋梁全封閉聲屏障降噪特性及其對生態(tài)區(qū)的作用，得出以下結(jié)論：

（1）通過2種材料聲學(xué)性能的對比，在低于1 000 Hz頻段，混凝土隔聲板的隔聲量高于金屬復(fù)合吸聲板；ECC混凝土隔聲板在鐵路聲屏障領(lǐng)域是首次使用，提出了改性ECC混凝土聲屏障可以應(yīng)用于全封閉聲屏障項(xiàng)目中，其具有降噪效果好、造價(jià)低、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用。

（2）根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果：在近場噪聲測點(diǎn)，改性ECC混凝土聲屏障和金屬聲屏障的插入損失分別是22 dB和25 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)劃的預(yù)期要求。

（3）根據(jù)保護(hù)區(qū)噪聲監(jiān)測結(jié)果，各測點(diǎn)噪聲比背景噪聲高0.1～0.3 dB，可知全封閉聲屏障能夠最大限度減小高鐵對沿線環(huán)境的聲污染，保證了時(shí)速200 km以下列車以“靜音模式”通過“小鳥天堂”景區(qū)，保護(hù)了景區(qū)生態(tài)環(huán)境。

（4）通過項(xiàng)目前期聲學(xué)性能研究、模型試驗(yàn)及聲屏障建成后的噪聲監(jiān)測，形成了一整套全封閉聲屏障研究理論，為鐵路線路經(jīng)過特殊噪聲敏感點(diǎn)時(shí)提供了可靠的技術(shù)支持，為鐵路全封閉聲屏障建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

此外，“小鳥天堂”段全封閉聲屏障的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念，取得了良好的社會效益，起到了良好的示范、帶頭作用。通過系列技術(shù)創(chuàng)新與扎實(shí)的科研實(shí)力，開創(chuàng)了鐵路橋上設(shè)置全封閉聲屏障的先河，取得了良好的降噪效果，為鐵路建設(shè)邁向資源節(jié)約、環(huán)境友好型提供了有力支撐，為高鐵或城際鐵路在城區(qū)及鄰近環(huán)境敏感點(diǎn)的建設(shè)掃清了障礙，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，填補(bǔ)了世界空白。對我國其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的生態(tài)環(huán)境保護(hù)也具有重要的借鑒意義，提供了有效的依據(jù)和技術(shù)支撐。同時(shí)關(guān)于全封閉聲屏障的運(yùn)營維護(hù)雖然在設(shè)計(jì)、建設(shè)等環(huán)節(jié)已有考慮，但還應(yīng)在如何更加便于維護(hù)及完善維修標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行更深入的研究。