高速鐵路聲屏障存在的問題及展望

王衛(wèi)東， 張 營

(1.江蘇新光環(huán)保工程有限公司，江蘇 南京 210042；2.南京中衡元環(huán)?？萍加邢薰荆K 南京 210042)

0 引 言

運行噪聲是高速鐵路所產(chǎn)生的主要公害，隨高速列車運行速度的提高，高速鐵路各類噪聲總值進一步提高。當高速列車運行時速為160 km時，距軌道25 m處噪聲值為80 dB(A)；運行時速增加90 km至250 km時，噪聲值增加6dB(A)；再增加150 km至400 km時，噪聲值增加16 dB(A)[1]?！堵暛h(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3096-2008)要求鐵路噪聲排放應(yīng)滿足4類中的4b規(guī)定，即鐵路干線兩側(cè)區(qū)域噪聲值夜間不大于60 dB(A)，白天不大于70 dB(A)。

根據(jù)《鐵路工程環(huán)境保護設(shè)計規(guī)范》(TB 10501-2016)，鐵路噪聲污染防治設(shè)計應(yīng)以噪聲敏感構(gòu)筑物及其集中區(qū)域為聲環(huán)境敏感目標，從受聲點防護、阻隔傳播途徑和降低聲源強等方面提出工程治理或綜合防治措施。其中，采用聲屏障將鐵路沿線的噪聲敏感點保護起來，是解決當前高速鐵路噪聲污染的重要措施之一[2，3]。

自2008年京津城際高速鐵路開通運行以來，截至目前，我國高速鐵路營業(yè)里程超過3.5萬km。經(jīng)過10余年運行檢驗發(fā)現(xiàn)，高速鐵路聲屏障建設(shè)及運行過程中存在諸多問題，給運行安全帶來隱患，本文針對這些問題進行分析并提出解決途徑。

1 高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計形式

我國高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計形式基本上以原鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院發(fā)布的鐵路工程建設(shè)通用參考圖(2007版、2008版和2009版)為依據(jù)[4-8]和中國鐵路總公司(2016版和2018版)等為依據(jù)[9，10]，從形式上將高速鐵路聲屏障區(qū)分為整體式聲屏障和插板式聲屏障，其中插板式聲屏障又可分為插板式金屬聲屏障和插板式非金屬聲屏障。另外,實際應(yīng)用的還有少部分為半封閉聲屏障、全封閉聲屏障及砌體式聲屏障。由于半封閉聲屏障、全封閉聲屏障及砌體式聲屏障在我國高速鐵路中應(yīng)用相對較少，故本文主要對鐵路工程建設(shè)通用參考圖中的插板式聲屏障和整體式聲屏障展開分析。

從10余年高速鐵路安裝的聲屏障情況來看，我國高速鐵路安裝的聲屏障以插板式聲屏障為主，占聲屏障總數(shù)的90%以上[11]，如京津城際高速鐵路、京滬高速鐵路、合福高速鐵路等安裝插板式金屬聲屏障(圖1)，南廣高速鐵路、滬昆高速鐵路、鄭徐高速鐵路等安裝插板式非金屬聲屏障(圖2)。

圖1 插板式金屬聲屏障

圖2 插板式非金屬聲屏障

整體式聲屏障主要以非金屬材料(混凝土)為主，在我國沿海高速鐵路客運專線上應(yīng)用較多(圖3)，如甬臺溫高速鐵路、溫福高速鐵路、福夏高速鐵路、海南西環(huán)及東環(huán)高速鐵路等多條線路。

圖3 整體式聲屏障

2 插板式聲屏障存在主要的問題

我國高速鐵路聲屏障通過近十來年的建設(shè)和運行，插板式聲屏障均出現(xiàn)了諸多的問題?，F(xiàn)總結(jié)如下：

(1)插板式聲屏障鋼立柱與橋梁連接的預(yù)埋螺栓是橋梁施工單位在橋梁制作時預(yù)埋，預(yù)埋的尺寸精度和預(yù)埋件的防腐處理質(zhì)量與聲屏障制作和安裝單位不是一個責任主體，質(zhì)量控制難度大。由于聲屏障單元板在工廠制作，其尺寸可滿足設(shè)計要求，而鋼立柱的間距受預(yù)埋螺栓精度的制約，有可能造成超過設(shè)計允許偏差，這樣的偏差會使聲屏障在列車運行過程中不斷受到振動，并且在列車高速運行時空氣脈動力所產(chǎn)生的動荷載的沖擊下振動進一步加大，從而造成聲屏障單元板飛出鋼立柱的安全事故。這種事故曾在2013年6月的京滬高速鐵路和2013年7月的武廣高速鐵路上發(fā)生過。

(2)2009版通用圖中鋼立柱與橋梁連接的預(yù)埋螺栓分別設(shè)置在聲屏障的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，在橋梁上外側(cè)的螺栓無法檢查和維護，如果外側(cè)的螺栓出現(xiàn)腐蝕和松動，將會使聲屏障失穩(wěn)從而構(gòu)成行車安全隱患。2015年成渝高速鐵路采用箱型盒基鋼底座，2016和2018版通用圖采用倒L支架及PZ式鋼立柱方案，雖然解決了外側(cè)螺栓維護檢修的問題，但仍然避免不了螺栓松動的問題。據(jù)統(tǒng)計，運行3年以上的線路基本都存在螺栓有松動的現(xiàn)象，造成螺栓檢修維護工作量極大。

(3)插板式聲屏障單元板安裝在鋼立柱上，鋼立柱經(jīng)預(yù)埋螺栓與橋梁或路基連接，這些金屬構(gòu)件的防腐處理很難做到百分之百都達到設(shè)計要求，所以經(jīng)?？梢钥吹紿型鋼立柱出現(xiàn)腐蝕生銹，銹水跡自上而下進入底部連接處的現(xiàn)象。

(4)插板式聲屏障由于組件較多，連接節(jié)點多，在運行過程中由于振動容易出現(xiàn)連接節(jié)點松動，可能出現(xiàn)二次噪聲和造成安全隱患。

(5)插板式金屬聲屏障和大部分插板式非金屬聲屏障單元板都是采用穿孔板作為罩面層，內(nèi)部填充纖維類材料作為吸聲材料如巖棉、礦棉、玻璃棉等。但巖棉等這些纖維類材料容易吸水，吸水受潮后吸聲性能將大大減弱；另外它們存在性脆易斷、強度較低、吸塵且容易粉化，粉塵化后易飛揚造成二次污染，且長期處于大流量交通流風壓和振動影響下，纖維材料的粉塵化和脆性斷裂使原來的勻質(zhì)結(jié)構(gòu)不復存在，不能有效起到吸聲降噪作用。另外，聲屏障單元板一旦出現(xiàn)變形或破裂，其空腔內(nèi)的吸音棉纖維有可能飛出從而對環(huán)境造成危害(圖4)。

圖4 變形或破裂的金屬聲屏障單元板

(6)插板式金屬聲屏障若用在沿海臺風區(qū)域，由于帶鹽分的海風的侵蝕使金屬構(gòu)件的腐蝕會更加嚴重，隱患會更多，再加上金屬聲屏障單元板重量輕，當遇到臺風的時候，單元板更容易飛出造成安全事故。

3 整體式聲屏障存在的主要問題

雖然整體式聲屏障具有降噪效果好，耐久性好，與橋梁渾然一體等優(yōu)點，但在整體式聲屏障單元板生產(chǎn)和安裝施工過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下一些問題：

(1)整體式聲屏障混凝土單元板體積龐大，耗費大量的鋼材和水泥，且由于自重過大增加了橋梁荷載。

(2) 在工廠預(yù)制的混凝土單元板在吊裝運輸和安裝的過程中需要大型的吊裝設(shè)備，運輸和安裝成本過高(圖5)。

圖5 整體式聲屏障單元板吊裝

(3)現(xiàn)有的整體式聲屏障通用圖[通環(huán)(2007)8321，通環(huán)(2008)8322]，混凝土單元板和吸聲板都是分開制作的，然后再將吸聲板粘貼到混凝土單元板上，在運行過程中會由于受長期振動的作用導致個別粘貼不牢的吸聲板脫落。

4 展 望

4.1 插板式聲屏障

考慮到插板式聲屏障作為傳統(tǒng)的聲屏障形式還會在一定時間和范圍內(nèi)使用，為了方便鋼立柱連接螺栓的檢修，由中國鐵路總公司發(fā)布的最新的通用圖已采用倒L支架或PZ型鋼立柱的形式,但還是存在繁重的螺栓檢修任務(wù)，因此建議借鑒其他領(lǐng)域成果，采用自動巡檢螺栓緊固機器人，降低維護人員的工作量。

另外，可采用超高強混凝土(如RPC、UHPC等)制作輕質(zhì)高強的H型立柱代替鋼立柱，并采用插孔或現(xiàn)澆與橋梁或路基連接成一體，不存在螺栓連接可能的腐蝕和松動，既避免了安全隱患，又可免維護。

4.2 整體式聲屏障

利用超高強混凝土制成單元板，可以根據(jù)需要制成各種直面或者曲面形式。吸聲材料同時復合在單元板的迎聲面上與單元板成為一個整體。單元板與路基可通過插孔連接，單元板與橋梁可按照通環(huán)(2007)8321中橋梁預(yù)留條件通過現(xiàn)澆連接為一個整體，如圖6所示。利用超高強混凝土的高強度、高韌性降低單元板的截面尺寸，減輕橋梁荷載；利用超高強混凝土的高耐久性及插孔或現(xiàn)澆連接技術(shù)，可以做到免維護，避免安全隱患，同時可以與橋梁渾然一體，更加美觀協(xié)調(diào)。

圖6 超高強混凝土整體式聲屏障單元板

5 結(jié) 論

通過以上分析，利用超高強混凝土材料制作聲屏障能有效解決當前我國高速鐵路聲屏障存在的安全和維護檢修問題，尤其是采用全非金屬插板式聲屏障或整體式聲屏障,不但可以一勞永逸地解決安全和維護問題，而且綜合成本低于插板式金屬聲屏障，故可作為我國高速鐵路聲屏障未來的重點發(fā)展方向。