城市軌道交通噪聲控制的探討
1 概述
城市軌道交通以其運量大、速度快、安全可靠、時間準確等諸多優點,已經在大城市公共交通中得到人們的認可,但其產生的噪聲問題亦不容忽視。城市軌道交通要走可持續發展的道路,在解決好交通的同時也要確保良好的生活環境。
2 城市軌道交通噪聲產生的機理
城市軌道交通引起的噪聲可分為:輪軌噪聲、動力系統噪聲、特定結構噪聲及氣動噪聲等。理論分析和實驗研究表明,在城市軌道交通中噪聲的主要來源是輪軌作用而產生的噪聲。當列車通過軌道結構時,由于軌面和車輪踏面都存在各種不平順,軌道結構和車輛都會產生振動,輪軌表面越不平順,振動越強烈,同時噪聲也越大。
1) 輪軌噪聲。當列車以一定的速度通過軌道時,車輛和軌道將產生振動,從而向外界輻射聲波。這種噪聲,一是列車行駛在成洪水危害的集水區進行綜合治理,減少災害性洪水的發生,并修筑排洪渠、跌水等工程以疏導可能發生的洪水,避免洪水對路基的沖刷。半徑很小的曲線上所發出的“尖嘯聲”;二是車輪滾過鋼軌接頭時所發出的“撞擊聲”;三是車輪與鋼軌接觸面之間的微小不平造成有節奏的“轟隆聲”亦稱滾動噪聲。
2) 動力系統噪聲。主要來自牽引電動機、壓縮機、發電機、齒輪箱及空調器等設備的運轉噪聲,此類噪聲的大小取決于車輛的性能優劣。它是城市軌道交通的主要噪聲來源之一。
3) 特定結構噪聲。在地下行駛的列車會引起車體和軌道結構的振動,而后者又會激起地鐵隧道的振動,并引起靠近隧道或直接建在隧道上的建筑物振動,從而導致噪聲向建筑物內的第二次輻射。而且列車在封閉狹長的隧道內高速行駛,會形成強大的活塞風噪聲。當地鐵內的通風機開動時,還會產生一定的機械和氣流噪聲。當列車行駛在高架結構上時,還會激發高架結構的振動從而向鄰近建筑物輻射噪聲。
4) 氣動噪聲。它是車輛與空氣相互作用產生的,它與速度和車輛的外輪廓有關。
5) 接觸網與集電弓之間產生的摩擦聲。
城市軌道交通產生的噪聲是上述噪聲的綜合效果,并且受列車運行狀態和軌道設備狀態的影響。
3 城市軌道交通噪聲的控制
降低噪聲、減小振動主要是通過衰減振源、避免結構共振、隔離傳播途徑、吸聲等方法進行,應根據不同的防治目標確定最佳的防治措施。
3. 1 控制噪聲源城市軌道交通中噪聲的主要來源是輪軌噪聲、車輛設備產生的噪聲和架空接觸網與集電弓之間的摩擦聲,活塞風和通風系統引起的噪聲只存在于地鐵中,由高架結構的振動而輻射的噪聲只產生于高架結構中。
1) 輪軌噪聲的控制。一方面,通過優化軌道結構,減少激振源達到減振降噪的目的;另一方面,還可以通過改變軌道結構的振動參數來控制振動,從而起到抑制噪聲的作用。影響軌道結構振動特性的主要參數是質量、阻尼和剛度。其振動微分方程可以表示為: [M]v + [C]v + [ K]v = F(t) , 式中[M] 、[C] 、[ K] 分別為質量、阻尼和剛度矩陣。具體的方法如下: 在涉及到曲線時,盡量少用小半徑曲線。這是由于小半徑曲線會增大輪軌作用力,加速鋼軌磨耗,也因此產生較大的噪聲。鋪設無縫線路。減少鋼軌接頭數量,從而減少列車與鋼軌接頭的撞擊聲。采用重型鋼軌。重型鋼軌的垂向剛度大可以有效降低列車沖擊而引起的鋼軌垂向振動,從而減少噪聲。另外增加鋼軌質量提高了軌道框架剛度,可以減小受載后軌道的變形,為車輪運行提供一個較為平順的軌面,從而減小列車運行時的輪軌轟鳴聲。選用合適的道床形式。增加道床參與振動的質量,增加軌下基礎彈性,提高軌下結構的阻尼參數,從而降低軌道結構的振動, 減少噪聲。道床有碎石道床和整體道床,在地面線部分宜采用碎石道床,地下線和高架線宜采用整體道床。碎石道床分為彈性軌枕道床和道碴墊道床,前者是在枕下加設橡膠墊,后者是在道碴底下加設橡膠墊,兩者都能有效地降低振動。整體道床分為無枕式和軌枕式,無枕式整體性好,剛度大,因此沖擊振動比軌枕式大得多。軌枕式整體道床包括短枕式和長枕式。上海地鐵選用了長枕式,效果良好。另外彈性支承塊式整體道床和浮置板式整體道床的減振效果十分顯著。彈性支承塊式軌道結構由彈性支承塊、道床板和混凝土底座及配套扣件構成。彈性支承塊是由橡膠靴套包裹的鋼筋混凝土支承塊及塊下大橡膠墊板組成。浮置板式軌道結構系統采用三層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板,鐵墊板下橡膠墊板,板下橡膠墊板) 和在浮置板兩側設置的橡膠墊組成。定期打磨鋼軌頂面,消除軌頂面不平順,從而減小列車運行時的轟鳴聲。采用減振扣件和鋪設軌道減振器。在我國城市軌道交通中使用的主要扣件有: D T 系列的D T Ⅱ 至D T Ⅵ 型和WJ 系列的WJ21 至WJ24 型,他們能滿足一般地段的減振要求。軌道減振器俗稱“科隆蛋”,能有效減少振動和噪聲,主要用于減振要求較高的地段。
2) 車輛設備產生的噪聲控制。進行車輛輕量化設計。減少自重,從而減小輪軌間的相互作用力,降低噪聲。
采用彈性車輪和充氣橡膠輪胎。在車輪上加設橡膠件能有效吸收和衰減一部分由車輪產生的噪聲,改善噪聲的頻譜特性。
采用直線電機牽引。使動力系統不需要從旋轉運動轉換成直線運動,省去齒輪箱等一系列傳動機構,從而減少噪聲源。
采用徑向轉向架。以消除列車在曲線上運行時產生蠕滑,從而消除列車通過曲線時的“尖嘯聲”。
3) 隧道和高架結構的振動而輻射的噪聲的控制。地鐵隧道上方建筑物的基礎可設置彈性裝置(如橡膠墊塊等) 能有效地降低振動。對于那些防振要求很高的建筑物,如精密儀器實驗室, 軌道交通線路應盡可能繞避,或遷移建筑物。高架橋宜采用混凝土梁,盡量少用鋼梁,橋梁支座采用橡膠支座,橋梁兩側設置隔音板。
4) 集電系統的噪聲控制。盡量減少集電弓的數量,安裝集電弓外罩,提高接觸網的拉力。
3. 2 控制噪聲傳播途徑城市軌道交通噪聲傳播的主要媒介是空氣。控制噪聲傳播途徑的基本原理是在噪聲傳播過程中,在聲源和接受點之間設置障礙物,避免直達聲,使受聲點只接受透射聲和繞射聲,并可利用屏障本身所具有的吸音性能在傳播途徑中消耗聲能量,以降低接受點的聲能強度。
1) 在線路兩側設置聲屏障。可利用沿線的土堤、路塹和其他建筑物作為聲屏障,根據情況也可專門設計隔音墻,為有效控制聲透射和聲繞射,隔音墻的材料選用、墻的厚度和高度設計是關鍵。
2) 線路兩側大密度種植樹木,形成樹障。
3) 設置車輪隔音罩和在車輛兩側設置下裙邊。
4) 采用密封車體設計,減小噪聲進入車內。
5) 在隧道內、車內以及聲屏障靠近聲源的一側應采用吸音涂層,以減少聲反射。
3. 3 運營階段產生的環境影響需經過各種治理設施治理,并達到國家和地方規定的排放標準(濃度標準和總量標準) 后,才能消除。因此,按照“三同時”原則,所有污染治理設施均要精心設計, 同時按照“清潔生產”的原則,尚需選用低污染設備,嚴禁選用國家已公布淘汰的污染環境的工藝和設備。
3. 4 鐵路工程環境保護設計應解決鐵路工程建設運營中產生的環境影響,而鐵路產生的環境影響隨著鐵路技術的進步、管理手段的提高而變化。總之,鐵路技術進步的同時,也減緩了對環境的影響,如鐵路電氣化改善了鐵路沿線的大氣環境質量。與環境保護關系密切的未來鐵路發展方向有:鐵路高速化產生的噪聲干擾較目前大; 鐵路電氣化產生的電磁干擾,主要是對居民收看電視質量有所影響,同時也消除了大部分廢氣排放;鐵路密集化,隨著電子技術的發展,未來同一條線路上列車對數遠較現在密集,且高速,其產生的噪聲干擾較目前大;車站卸放的旅客列車垃圾遠較目前多,站車垃圾的收集、回收、處置將成為重要問題;機車車輛檢修模塊化, 隨著電子技術的發展,實現列車運行全程監控,較小的技術故障在列車運行中即能解決,大大提高列車的途運時間,檢修時拆下舊模塊,換上新模塊,模塊集中檢修, 這樣就使目前的檢修設施大為減少且集中,對于解決污水處理、廢氣治理將大有好處。
3. 5 隨著鐵路技術的進步和管理的現代化,未來鐵路環境保護設計應著重解決以下幾方面的問題:加強鐵路沿線生態環境保護,建設鐵路綠色長廊;加強鐵路噪聲防護,建設鐵路清靜長廊; 加強鐵路站車垃圾收集、回收、處置;建設鐵路衛生車站;加強鐵路電磁防護,清新千家萬戶。
3. 6 為了更好地貫徹環規,建議鐵道部適時出臺以下標準規范:鐵路工程環境保護設施劃分標準、鐵路噪聲治理工程設計規范、鐵路站車垃圾處置工程設計規范。
4 結語
鐵路要發展,環境要保護,這是人類永久一致的目標。但是這既是一項科學技術工作,又是一項科學的管理和組織宣傳工作。所以,應該共同努力并行動起來保護人類賴以生存的環境。
參考文獻:
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