寧波軌道交通1號線聲屏障設計中的若干問題研究

劉 磊

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037)

0 引 言

聲屏障是城市軌道交通地上段噪聲污染的主要治理措施，伴隨著聲屏障的大規(guī)模應用，需要對其聲學效果、景觀、內部熱環(huán)境和排煙等諸多問題加以研究，綜合比選后確定聲屏障的設計方案。由筆者主持設計的寧波軌道交通1號線聲屏障，是國內同期同類工程中規(guī)模最大、投資最多的，特別是大量應用了全封閉聲屏障措施。本文以此為背景，梳理了聲屏障的主要設計任務、設計原則和設計接口，介紹了在設計過程中進行的景觀、材料選型和全封閉聲屏障性能專題研究。在全封閉聲屏障性能研究中，對聲學性能、內部熱環(huán)境和排煙問題進行了綜合研究。在專題研究的基礎上，確定聲屏障設計方案，并對工程實施效果進行了測試。

1 工程概況

寧波軌道交通1 號線(以下簡稱1 號線)是寧波市城市快速軌道交通線網的東西向骨干線路，也是寧波市軌道交通建設的第一條線路。1號線工程分兩期實施，一期工程線路長 20.9 km，其中高架線長5.5 km，過渡段0.3 km；二期工程線路長23.3 km，其中高架線長 19.6 km，過渡段長 0.4 km。一期工程于2006年開始進行環(huán)境影響評價(以下簡稱環(huán)評)工作，2009年6月全面開工建設，2014年5月通車試運行；二期工程于2010年開始進行環(huán)評工作，2012年12月全面開工建設，2016年3月通車試運行。

1 號線工程高架段及過渡段兩側分布有住宅、學校等敏感建筑物。為了滿足或基本維持軌道交通沿線聲環(huán)境質量，根據環(huán)評要求，在線路兩側存在聲敏感建筑物的地段采取設置聲屏障的降噪措施。

1號線一期工程設置直立4 m高聲屏障長584 m，半封閉聲屏障長1 400 m，全封閉聲屏障長1 901 m；二期工程設置直立3 m高聲屏障1 690 m，4 m高聲屏障678 m，全封閉聲屏障長6 555 m。全線共設置12.8 km長的聲屏障，其中全封閉聲屏障長8.5 km，工程投資約3.63億元。一期工程于2017年、二期工程于2018年先后完成竣工環(huán)境保護驗收。

2 設計要求

2.1 設計任務

聲屏障的主要設計任務是阻擋列車噪聲源直達聲的傳播，從噪聲污染傳播途徑上對地上線路沿線聲敏感區(qū)域進行噪聲治理，以盡量減少軌道交通運營期間對周邊聲環(huán)境的影響。治理后原背景噪聲達標區(qū)域不超標，原背景噪聲超標區(qū)域能夠基本維持現狀，聲環(huán)境質量與通車前基本相同。

《環(huán)評報告》給出了本工程的列車噪聲源強：高架線路，車速為60 km·h-1時，與橋面等高處，距軌道中心線7.5 m處為90 dB(A)；地面線路，車速60 km·h-1時，距地面1.2 m處，距軌道中心線7.5 m處為87 dB(A)。一期工程高架及過渡段共有執(zhí)行2類、4a類聲環(huán)境功能區(qū)標準的噪聲敏感點18處；二期工程共有執(zhí)行1類、2類、4a類聲環(huán)境功能區(qū)標準的噪聲敏感點30處。根據各敏感點所需的降噪量要求，分別采取不同聲屏障方案。

2.2 設計原則

聲屏障設計的主要原則有：

(1) 首先要滿足聲學功能要求；

(2) 聲屏障結構滿足安全要求；

(3) 聲屏障滿足軌道交通運營、維護和保養(yǎng)要求；

(4) 重視聲屏障景觀設計；

(5) 妥善處理好聲屏障與各專業(yè)的接口。

2.3 設計重點

(1) 景觀要求

1 號線聲屏障長度約占高架區(qū)間長度的一半，因此，除保證聲學降噪的基本功能要求外，特別需要注重與軌道交通整體工程以及和城市景觀的結合。聲屏障的景觀設計需要考慮聲屏障本身的景觀造型，以及對高架區(qū)間整體景觀方案的影響，需要處理好與供電接觸網、橋梁、限界、區(qū)間管線綜合等相關專業(yè)的關系。

(2) 全封閉聲屏障設計

1 號線全線約有長8.5 km的全封閉聲屏障，雖然可以起到較好的隔聲降噪效果，但大規(guī)模應用也會帶來內部熱環(huán)境、防排煙、消防疏散、景觀、結構安全等問題。

(3) 專業(yè)設計接口

聲屏障與其他專業(yè)接口較多，與土建和其他設備系統相互影響、相互制約，應加強溝通配合。聲屏障與相關專業(yè)的接口內容及相關資料詳見表1。

表1 聲屏障接口關系表Table 1 List of noise barrier interfaces

3 專題研究

3.1 景觀造型方案研究

直立式聲屏障的造型有直立型、逆L型、圓柱型、蘑菇型、Y型、箭型、T型、鹿角型和水車型[1]等，如圖1所示，結構造型主要由聲學功能要求決定。半封閉聲屏障鋼結構與全封閉聲屏障形式相同，采用門型框架，聲屏障屏體在鋼結構一側或兩側設置，全(半)封閉結構形式除需考慮景觀造型外，還需要考慮頂部排水、施工安裝工藝要求。

圖1 常見的直立式聲屏障造型示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of straight-type noise barrier[2]

除研究聲屏障結構造型外，聲屏障還采取了其他景觀設計措施：

(1) 在略大于列車車窗大小范圍內設置透明隔聲窗，這樣既可使列車內的乘客通過車窗欣賞到沿線兩側外面的景觀，又可消除車內乘客在經過較高聲屏障路段時的沉悶感。

(2) 聲屏障吸聲屏采用波浪形，在加強屏體強度的同時又產生了景觀效果。

(3) 聲屏障吸聲屏采用漸變色，頂部采用淺綠色的透明隔聲屏，聲屏障整體顏色對比鮮明，突出層次感。

(4) 處理好聲屏障與橋面系布置的關系，1號線采用架空接觸網供電方式，在橋梁兩側設置接觸網立柱，聲屏障沿接觸網立柱外側繞行。對此國內的主要橋面布置方式有如下三種：方式一，接觸網立柱及拉線基礎處橋面局部加寬，如圖2所示；方式二，橋面整體加寬和局部加寬相結合，如圖3所示；方式三，橋面整體加寬，全線橋梁等寬，如圖4所示，三種橋面布置方案的對比分析如表2所示。

通過各專業(yè)綜合比選，1 號線采用橋面整體加寬方案，聲屏障位于接觸網立柱(含下錨柱)外側。

圖2 橋面局部加寬示意圖Fig.2 Schematic diagram of partial widening bridge deck

圖3 橋面整體加寬和局部加寬示意圖Fig.3 Schematic diagram of overall and local widening bridge deck

圖4 橋面整體加寬聲屏障景觀效果圖Fig.4 Landscape rendering of the overall widening bridge deck noise barrier

3.2 材料選型

聲屏障采用的各種材料應首先滿足各項聲學性能要求，并具備良好的結構強度、耐久性、美觀性、防火性和經濟性。聲屏障主要由下部基礎、鋼結構、聲屏障屏體及連接固定輔件幾部分構成。材料選型比選的重點就是對聲學構件即吸聲、隔聲屏體進行研究。

根據軌道交通噪聲控制的特點，應盡量多采用吸聲型聲屏障，以減少聲反射所引起的噪聲貢獻量[3-5]，聲屏障直立段中部和封閉式聲屏障頂部有觀景和采光要求，需采用透明隔聲窗。根據相關文獻[6-10]，插板式金屬聲屏障相比其他形式，其聲學、力學、荷載和經濟性能都較好，適用于本工程；但也存在耐候性較差的缺點，因此采用防腐性較好的鋁合金板面。直立段透明隔聲窗采用夾膠玻璃和亞克力板，封閉式聲屏障頂部采用適宜冷彎施工的實心聚碳酸酯板。

3.3 全封閉聲屏障性能研究

全封閉聲屏障的性能研究主要關注了內部熱環(huán)境、排煙效果、聲學效果。采用自然通風、自然排煙時，頂部的開口方案又影響聲學降噪效果，因此應綜合考慮這幾方面因素決定設計方案。

(1) 內部熱環(huán)境研究

全封閉聲屏障內熱環(huán)境要求可參照地下區(qū)間隧道，夏季最高溫度不超過40℃[11]。采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法進行計算，長100 m、頂部不開口的全封閉聲屏障，中部斷面平均溫度為47.1℃[12]；頂部開口為1、2、3、4 m寬時，溫度分別為40.8℃、39.4℃、39.2℃、38.6℃，即開口寬度為2 m時平均溫度可滿足要求。當開口寬度2 m時，不同聲屏障長度的溫度計算結果見表3。

表3 不同聲屏障長度對應的聲屏障內夏季溫度Table 3 Summer temperatures inside noise barrier for different noise barrier lengths

通過結果可知，無開口的全封閉聲屏障長度超過100 m時就有明顯的溫度超標，頂部開口后，對內部溫度改善明顯，隨著開口寬度增加，聲屏障內溫度降低，但開口超過2 m后，溫度降低的幅度不明顯；隨著聲屏障長度增加，聲屏障內溫度升高，超過300 m后，斷面溫度峰值位置分為兩個，最高溫度降低。

(2) 排煙影響分析

全封閉聲屏障頂部有2 m寬的開口時，火災發(fā)生后產生的高溫煙氣通過開口釋放[13]，在1.5 m高度處基本沒有高溫煙氣的擴散；在火源正上方聲屏障對煙氣造成阻擋時，煙氣沿聲屏障長度方向向兩側擴散，單側擴散距離較短；煙氣不會擴散至火源另一側軌道空間，可以作為安全的人員疏散通道。冷卻高溫煙氣的環(huán)境空氣大部分從兩側頂部開口處進入，所以聲屏障長度對高溫煙氣的影響會較小，2 m寬的開口能夠滿足火災排煙的要求。

全封閉聲屏障頂部無開口時，高溫煙氣的厚度明顯增加。長度為200 m時，高度1.5 m處仍為安全疏散通道，長度超過200 m時，會有部分區(qū)域高溫煙氣達到地面，人員需盡快離開該區(qū)域。

(3) 聲學降噪效果

全封閉聲屏障是隔聲降噪效果最好的聲屏障形式，其降噪量一般可達20 dB(A)[5,14-17]以上，此結論已經在多個工程實踐中得到驗證，在此不做過多論述，主要分析頂部開口后的聲學效果。本文采用基于幾何聲學經典聲線跟蹤法的商業(yè)軟件SoundPlan進行仿真計算，按照前述《環(huán)評報告》給出的類比列車噪聲源強的等效A聲級對軟件中Schall03鐵路噪聲預測模型聲源進行校核修正，仿真時考慮三次反射。

首先假設聲屏障為理想長度即聲屏障足夠長，不考慮噪聲沿聲屏障縱向繞射影響?！董h(huán)評報告》采用的本工程4a類區(qū)控制邊界分別為40 m(相鄰1類區(qū))和25 m(相鄰2類區(qū))。典型情況以25 m為水平方向考查點，垂直方向以1層、6層、10層、20層、34層樓高為考查點，橋梁高度取10 m，車輛型式、行車速度、運行時間等按照工程實際情況作為輸入。假設聲屏障材料隔聲傳聲損失大于繞射聲衰減10 dB，忽略透射聲影響，分別計算無聲屏障與全封閉聲屏障頂部開口1、2、4 m寬時的聲場分布，結果如圖5所示。

圖5 不同聲屏障措施對應的晝間噪聲分布截面圖Fig.5 Daytime noise distribution section for different noise barrier measures

聲屏障的插入損失，對于中層建筑較高，達到約20 dB(A)；對于高層建筑較低，隨高度增加顯著變差，原因是列車聲源的最大垂直指向特性；首層插入損失較低的原因是由于橋面本身遮擋作用使無聲屏障時已有一定的降噪效果；在10層以下，頂部開口寬度對插入損失影響不大，隨著建筑高度的增加，開口因素影響越來越大，主要是因為開口導致的直達聲貢獻增加所致。對各處理措施的達標情況進行計算分析，考慮不同高度敏感點的情況，達標距離如表4所示。表4中，不同區(qū)域的環(huán)境噪聲等效A聲級分別為：4a 類區(qū)晝間70 dB(A)，夜間55 dB(A)；2類區(qū)晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)；1類區(qū)晝間55 dB(A)，夜間45 dB(A)。根據表4中的結果，當敏感點位于不同高度時，具有不同的衰減規(guī)律，故對敏感點達標距離的分析應該考慮敏感點建筑的類型。

再對全線全部敏感點分別計算，根據結果分析，開口寬度4 m與2 m相比，需要增加聲屏障設計長度才能同樣保證敏感點達標，而開口1 m時并未顯著地減小聲屏障設計長度，故對于一般的敏感點采用通長2 m開口方案，對于特殊敏感點采用周期性開口方案。

表4 不同聲屏障措施達標防護距離Table 4 Protection distance up to standard for different noise barrier measures

4 設計方案

4.1 聲學設計

《環(huán)評報告》中已給出一期18處、二期30處聲敏感點所需降噪量和聲屏障措施，結合工程特點和專題研究成果，設計中又對聲屏障設計措施進行了校核性計算和優(yōu)化調整。在設計中采取了以下聲學設計處理措施：

(1) 優(yōu)化聲屏障結構形式。直立聲屏障的高度根據所需要的繞射聲衰減值綜合考慮確定；聲屏障附加長度滿足縱向繞射聲衰減要求；仍不能滿足降噪量要求時，采用半封閉或全封閉聲屏障。

(2) 聲屏障進行強吸聲處理，減少聲反射及混響。除了頂部采光和車窗處景觀隔聲窗外，均采用吸聲屏體結構，吸聲屏體降噪系數≥0.95；橋梁護欄板內側和疏散平臺下方設置多孔吸聲材料與共振吸聲結構的復合吸聲板，增加聲源處吸聲處理，并提高低頻吸聲效果。

(3) 選取適當的聲屏障隔聲量。要求聲屏障屏體隔聲量Rw≥30 dB，以減少透射聲的影響，又不加重橋梁荷載。

(4) 增加密封減少漏聲。所有結構縫隙采取封堵措施，避免漏聲；聲屏障屏體間采用企口連接，增加隔聲密封性。

(5) 減振設計。對聲屏障與基礎和鋼結構連接采用橡膠解耦減振處理；控制鋼結構變形量和提高屏體剛度，減少二次振動輻射噪聲。

(6) 道間疏散平臺與下方的吸聲板形成T型矮屏障，阻擋遠軌噪聲。全封閉聲屏障頂部開口處，預留消聲百葉安裝孔洞，為進一步采取降噪措施預留條件。

全線根據不同敏感點性質，分別采取直立式、半封閉和全封閉聲屏障措施后，所有敏感點聲學預測結果達標或與通車前基本相同，達到聲學降噪要求。

4.2 工藝設計

直立式聲屏障采用直立的懸臂鋼立柱結構，半封閉和全封閉式聲屏障采用門形封閉鋼框架結構，鋼立柱通過與預埋螺栓連接的方式固定于橋梁護欄板或結構側墻上。聲屏障鋼立柱標準間距為2 m，直立式聲屏障屏體由下至上分別為金屬吸聲屏、透明隔聲窗和金屬吸聲屏；封閉式聲屏障屏體由下至上分別為金屬吸聲屏、透明隔聲窗、金屬吸聲屏和聚碳酸酯板。在部分橋梁護欄板內側和疏散平臺下方設置了共振吸聲板，增加低頻降噪效果并起道間矮屏障作用。1號線采用的各種形式聲屏障實例如圖6～8所示。

5 降噪效果測試

圖6 直立式聲屏障外景Fig.6 Exterior view of vertical noise barrier

圖7 半封閉聲屏障內景Fig.7 Interior view of semi-closed noise barrier

圖8 全封閉聲屏障俯視圖Fig.8 Overhead view of fully-enclosed noise barrier

聲屏障施工安裝后，對各類聲屏障降噪效果進行了測試?？紤]結構振動二次輻射噪聲的不利影響[18]，測試點均選取《環(huán)評報告》中列車噪聲源強參考點位置即與橋面等高、距軌道中心線7.5 m處，降噪量為列車噪聲源強測試點的插入損失。測試結果為：直立式聲屏障降噪量為11～12.7 dB(A)，半封閉聲屏障降噪量為15 dB(A)，全封閉聲屏障降噪量為20～24.5 dB(A)。

工程通車運營后，對《環(huán)評報告》中要求的一期18處，二期30處聲敏感點監(jiān)測結果顯示，所有敏感點均能滿足聲環(huán)境質量標準要求或聲環(huán)境能夠與通車前基本相同即噪聲增量小于0.5 dB(A)。

6 結 論

在寧波1號線設計過程中，結合工程特點對聲屏障設計任務、原則和專業(yè)接口進行了認真地梳理和總結，對聲屏障進行了多項專題研究，得到以下結論：

(1) 應綜合考慮聲學功能、施工工藝、運營維護等要求，并結合工程的整體效果確定聲屏障景觀方案。

(2) 通過對內部熱環(huán)境、火災排煙和聲學降噪效果的仿真計算，全封閉聲屏障頂部有2 m寬通風排煙口時，可以滿足本工程的各項要求。

(3) 全封閉聲屏障開口后，對敏感點達標距離分析應該考慮敏感點建筑的類型，并通過仿真計算進行校核。

(4) 采取多項聲學處理和工藝設計措施后，本工程的噪聲測試結果達到預期要求。

本工程具有代表性和創(chuàng)新性，對國內城市軌道交通聲屏障設計工作有一定的參考價值。