长沙市既有铁路干线隔音隧道设计研究*

王薇，尹俊涛，丁篷，黄叙

(中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

近年来随着我国城镇化进程加快，城市不断扩大，许多原来处于城市边缘的铁路干线，逐步成为深入城市居民密集区的过境城市铁路干线。经过几次提速，穿越城区铁路列车在运行过程中产生的噪音给铁路沿线的城市居民生活带来了严重的不良影响［1－2］，治理铁路噪声污染的问题刻不容缓。现阶段可采用的降噪措施中，对于高层建筑物，修建隔音墙、隔音屏障的减噪措施远远不能满足要求，只能通过隔音隧道的修建达到理想的降噪效果。因此，隔音隧道作为公认为交通干线降噪中效果最显著的措施之一，日益受到人们的重视［3－5］。

目前，国内外对隔音隧道日益重视，国内已有少量的公路隔音隧道工程应用实例，这些都为长沙市内铁路干线隔音隧道的实现提供了借鉴。但至今为止，对城市内既有铁路干线隔音隧道的设计和施工方法以及隔音隧道空气动力学研究还处于前期阶段。所以，根据长沙市铁路干线的特点，展开铁路隔音隧道设计流程、方法等方面的研究，对长沙市内铁路干线隔音隧道的设计研究具有现实参考意义。

1 长沙市主城区隔音隧道修建可行性分析

1.1 主城区铁路沿线噪音污染现状

根据铁路部《铁路边界噪声限值标准》，在距铁路外侧轨道中心线30 m处，昼夜间等效声级限值Leq≤70 dB，居民区噪声值超过以上值的铁路线段即为有潜在需要采取降噪措施修建隔音隧道的铁路路段。随着长沙市列车产生的噪音越来越大，列车经过时30 m处居民住宅窗外噪声值达到80 dB，鸣笛时更高达 90 dB［5－7］，如今长沙市主城区内已有20 km铁路沿线的居民受到列车噪声的极大影响。因此，必须要采取必要的降噪措施来减轻或消除铁路噪音污染。然而对于长沙铁路沿线的高层、小高层建筑物，修建隔音墙、隔音屏障的减噪措施对于高层的居民几乎不起任何降噪效果［8－9］。所以，在长沙市内修建隔音隧道迫在眉睫。

1.2 隔音隧道修建范围确定

隔音隧道能最有效地解决铁路噪音问题，但其修建费用较高、涉及方面多，需要通过评估确定需要修建铁路隔音隧道的路段范围，达到利用合理的资源取得最佳的降噪效果。

根据北京市地下铁道设计研究所对某声屏障的测试结果，声屏障对铁路两侧过高的建筑物(7层以上)基本不起屏蔽作用。因此，当60 m范围内有超过7层的噪音敏感建筑物时［10－12］，可以纳入可能需要修建隔音隧道的线路段，并进行实地调研分析。通过对长沙市区内京广铁路线沿线两侧环境的实地调研分析，最后确定长沙市区既有铁路(京广线)修建隔音隧道的位置，具体修建地点如表1所示。

表1 长沙市区京广铁路隔音隧道修建区段Table 1 Railway soundproof tunnel section of Beijing－Guangzhou railway construction in Changsha

2 长沙市既有铁路干线隔音隧道设计研究

修建隔音隧道是将铁路噪音控制在一个允许范围的有效措施，以便解决长沙市铁路两侧的噪音污染问题。铁路隔音隧道在消除、减小铁路噪音污染问题的前提下，也要确保列车的运营安全，设计中要考虑的因素众多［13－14］。铁路隔音隧道既有隧道结构的特点，需要考虑高速列车通过时的空气动力学效应;同时又是位于地面之上的建筑物，还需考虑地面环境荷载如自然风荷载等问题。因而必须综合隧道和地面建筑物的特点，充分考虑不同荷载及组合作用，进行隔音隧道安全性、功能性和耐久性等方面的设计［15－17］。

2.1 铁路隔音隧道总体设计流程

城市内铁路干线隔音隧道的规划设计直接关系到对铁路两侧城市环境、城市经济和列车运营安全，在规划设计中需要考虑到包括安全、经济和社会环境影响等多方面的一系列问题。主要工作内容包括工程可行性研究工作、隔音隧道选型设计以及隔音隧道的结构设计，同时结合对隔音隧道的数值模拟分析，形成铁路隔音隧道的总体设计流程图，如图1所示。

图1 铁路隔音隧道整体设计流程图Fig.1 Design flow chart of railway soundproof tunnel

2.2 隔音隧道截面形式和隔音板材料分析研究

2.2.1 截面形式选择

长沙市区内京广铁路线线路段为双线轨道，通过对长沙市铁路隔音隧道截面形式的研究，因拱形要求较大的修建空间，所以长沙市区京广线铁路隔音隧道可以考虑选取的截面形式有圆弧形截面和矩形截面两种形式。但考虑到圆弧形的结构截面形式对于承受隧道列车风比较有利，以及形式美观符合城市景观的因素，因此隔音隧道截面形式选用圆弧形设计。又根据TB1003－2005《铁路隧道设计规范》和《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》中的要求，双线隧道断面面积应不小于80 m2;在分析了长沙市区京广线轨道间距、建筑界限要求及今后的维护施工空间要求，并通过数值模拟验算其在空气动力学作用下的安全性，推荐采用100 m2净空的断面形式，如图2所示。

图2 隔音隧道断面内轮廓(净面积100 m2隧道断面)Fig.2 Section inner contour of railway soundproof tunnel

2.2.2 隔音板材料研究

隔音隧道隔音板既要起到隔音、吸声降噪的作用，又要承受外部风荷载、雪荷载及隧道内部的列车风荷载的作用，要综合考虑隔音效果和结构受力方面的要求，现阶段已经应用在公路、城市轻轨上隔音隧道的隔音材料有多种，如表2所示。

表2 隔音板材料比较Table 2 Comparison of insulation materials

长沙属亚热带季风气候，四季不甚分明。春末夏初多雨，夏末秋季多旱;春湿多变，夏秋多睛，严冬期短多雨，暑热期长。全年无霜期约275 d，年平均气温16.8～17.2℃，极端最高气温为40.6℃，极端最低气温为－12℃。在长沙这种自然环境变化较大的地区，铁路隔音隧道材料的除了强度方面的要求外，还要有良好的耐候性。通过对铁路隔音隧道材料的分析对比，根据长沙市的气候特点，PC耐力板虽然造价偏高，但从耐候性、耐久性方面看，相对于其他类型的隔音材料来说，比较适合应用在长沙市的环境下。

2.3 铁路隔音隧道空气动力学安全性分析

研究表明，当列车以200 km以上时速通过铁路隧道时，产生的空气动力学效应会造成旅客和乘务人员耳膜明显不适、舒适度降低，同时也会降低隔音隧道结构的稳定性［18－20］。穿长沙城区而过的京广铁路线列车最高时速160 km，将来有可能通过旧线改造提速到200～250 km/h。因此，采用有限元软件对列车通过时的隧道空气动力学效应以及由高速列车脉动风引起的风致响应进行三维数值模拟研究，为降低高速列车的空气动力学效应提出一些指导性建议是非常具有工程价值的。

2.3.1 计算物理模型

本文机车模型根据CRH2动车组建立。为控制计算规模，采用3节车编组，列车全长76.5 m，车宽3.38 m，高度3.70 m，如图3 所示。

隔音隧道横断面采用前面长沙市区铁路隔音隧道初步设计确定的断面模型，建立计算区域时，考虑到流场的充分发展，在保证计算精度的前提下尽量控制计算规模，经多个模型的初步计算比选，最终确定的计算模型如图4所示。

图3 CRH2列车计算模型Fig.3 Calculation model of CRH2 －Train

图4 隧道空气动力学效应计算模型示意图Fig.4 Model for the calculation of tunnel aerodynamic effect

2.3.2 隔音隧道压力场变化规律研究

通过数值模拟分析发现，隧道结构在列车通过时受到大幅度正负压波动空气压力的作用，在进行动力分析时，对其简化计算为:周期为T=0.2 t，波动幅值如表3和4列出的正负压幅值的周期荷载作用。其中t为列车进入到完全驶出隧道的时间。

表3 时速200 km列车通过隔音隧道时壁面测点最大压力Table 3 Maximum pressure when the train go through soundproof tunnel with the speed of 200 km Pa

表4 时速250 km列车通过隔音隧道时壁面测点最大压力Table 4 Maximum pressure when the train go through soundproof tunnel with the speed of 250 km Pa

由表3和表4可以看出，时速为250 km的列车对隔音隧道中所产生的空气动力学压力效应，无论是在形成的压强上，还是在所产生的压强差，都明显高于时速为200 km的列车;在隧道中点时最大压力高达1 691.3 Pa，并产生了3 075.1 Pa的压力差。因此，在既有铁路干线上修建隔音隧道可能导致乘客严重的不适感，同时也会降低隔音隧道结构的稳定性，需采用降速等措施减少空气动力学效应带来的不利影响。

2.3.3 隔音隧道荷载频谱分析

由3.4.2对隔音隧道内空气压力场的分析，表明时速200 km/h和250 km/h的列车通过隔音隧道时，隧道结构将承受正负压变化幅值较大的气动波动力作用;在这种波动荷载反复作用下，如果设计时没有充分考虑隧道气动疲劳荷载破坏效应的话，将会导致隔音隧道结构正常使用年限缩短，甚至出现疲劳破坏而威胁到列车的运营安全。因此，有必要对高速列车下的隔音隧道作空气动力学疲劳荷载谱分析。

通过模拟分析时速分别为200 km/h和250 km/h的列车通过隔音的气动力疲劳荷载谱，并对列车通过隧道时的空气动力疲劳荷载谱的最高频率进行了统计，如表5所示。

表5 列车通过隧道时隧道气动力疲劳荷载谱最高频率Table 5 Highest frequency of aerodynamic fatigue load when the train go through soundproof tunnel

从以上对时速200 km/h和250 km/h列车通过隧道时隧道受到气动疲劳荷载谱频域图及表5对其的统计可以看出，隧道内每个断面测点的气动疲劳荷载幅值主要集中在0.008～0.44的低频率段，频率范围在0～80 Hz内;但列车时速250 km情况下幅值较时速200 km情况下大，说明随着列车速度的提高，隧道内气动力荷载的变化也更加剧烈，对结构造成的疲劳受力影响也越大。因此设计中除了对隔音隧道的静力进行计算外，还要充分考虑到气动疲劳荷载的作用，确保隔音隧道在运营期间的耐久性和安全性。

3 总结与展望

(1)提出了既有铁路干线隔音隧道的总体设计流程图，并结合长沙市铁路干线的实际情况，对长沙市隔音隧道的修建进行了设计研究。

(2)通过对隔音隧道进行空气动力学分析，发现隧道内气动疲劳荷载幅值主要集中在0.008～0.44 Hz，属于低频率段;且降低列车时速能够明显缓解隔音隧道的空气动力学效应，同时也能减弱气动力荷载变化的剧烈程度，减小对结构造成的疲劳影响，从而提高铁路隔音隧道在结构受力上的安全性。

［1］周义，李梦玄.铁路干线交通噪音及分割效应对城市住宅价值的影响－以武汉市京广线南环段为例［J］.华中农业大学学报(社会科学版)，2011，94(4):82－87.

ZHOU Yi，LI Mengxuan.The effect of railway noise and segmentation effect to urban residential－take the south ring road of wuhan beijing－guangzhou route section as an example［J］.Journal of Huazhong Agricultural University(Social Science Edition)，2011，94(4):82 －87.

［2］邓跞，施洲，刘兆丰.台风地区高速铁路混凝土声屏障结构分析研究［J］.铁道标准设计，2009(7):117－120.

DENG Li，SHI Zhou，LIU Zaofeng.The analysis of concrete structural noise barrier of high speed railway in the typhoon［J］.Railway Standard Design，2009(7):117 －120.

［3］张健.铁路防风栅抗风性能风洞试验研究与分析［J］.铁道科学与工程学报，2007，4(1):13－17.

ZHANG Jian.The wind tunnel test research and analysis of railway windbreak resistant performance［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(1):13 －17.

［4］周裕德，张玮晨，祝文英.城市道路声屏障实例及全封闭屏障的展望［J］.工程建设与设计，2009(3):17－26.

ZHOU Yude，ZHANG Weichen，ZHU Wenying.Examples city road noise barrier and the future full closed barrier［J］.Construction and Design，2009(3):17 －26.

［5］王庭佛，徐剑.道路全封闭声屏障的实践［J］.环境工程，2004，22(6):50 －53.

WANG Tingfo，XU Jian.Practice of fully － enclosed sound barrier［J］.Environmental Engineering，2004，22(6):50－53.

［6］姜晓青.噪音终结者－应用于京津高铁的赢创PLEXI－GLAS SOUNDSTOP(R)隔音板［J］.国外塑料，2009，27(1):24－25.

JIANG Xiaoqing.Noise Terminator－ PLEXI－GLAS SOUNDSTOP(Sound insulation board)which applied to the Beijing Tianjin High － speed Rail［J］.Foreign Plastics，2009，27(1):24 －25.

［7］胡宏斌.城市快速路全封闭隔音隧道设计浅析［J］.中国建材科技，2009，18(4):64 －67.

HU Hongbin.Design of City full closed sound insulation of Expressway Tunnel［J］.China Building Materials Science and Technology，2009，18(4):64 －67.

［8］马娜.上海轨道交通明珠线二期全封闭声屏障工程设计［J］.现代城市轨道交通，2005，2(3):41 －42.

MA Na.Fully enclosed sound barrier design of Pearl line stage 2 of Shanghai rail transit［J］.Modern Urban Transit，2005，2(3):41 －42.

［9］马娜.上海轨道交通6号线全封闭声屏障工程设计［J］.现代城市轨道交通，2010，6(5):38 －39.

MA Na.Fully enclosed sound barrier design of Shanghai Metro Line［J］.Modern Urban Transit，2010，6(5):38－39.

［10］Howea M S，Iidab M.Influence of separation on the compression wave generated by a train entering a tunnel［J］.International Journal of Aeroacoustics，2003，2(1):13－33.

［11］Baron A，Mossi M，Sibilla S.The alleviation of the aerodynamic drag and wave effects of high－speed trains in very long tunnels［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89(5):365 －401.

［12］Fukuda T，Ozawa S，Iida M，et al.Propagation of compression wave in a long tunnel with slab tracks［J］.Quarterly Report of RTRI，2005，46(3):188 －193.

［13］Howe M S，Iida M，Maeda T，et al.Rapid calculation of the compression wave generated by a train entering a tunnel with a vented hood［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，297(1):267 －292.

［14］Howe M S，Iida M，Fukuda T.Influence of an unvented tunnel entrance hood on the compression wave generated by a high －speed train［J］.Journal of Fluids and Structures，2003，17(6):833 －853.

［15］Fujii K，Ogawa T.Aerodynamics of high speed trains passing by each other［J］.Computers ＆ Fluids，1995，24(8):897－908.

［16］Ogawa T，Fujii K.Numerical investigation of three－dimensional compressible flows induced by a train moving into a tunnel［J］.Computers ＆ Fluids，1997，26(6):565－585.

［17］Shin C H，Park W G.Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel［J］.Mechanics Research Communications，2003，30(4):287 －296.

［18］杨宇光，朱克勤，席葆树.高速列车进入隧道时的一维非等熵流［J］.清华大学学报(自然科学版)，2000，40(5):95 －98.

YANG Yuguang，ZHU Keqin，XI Baoshu.The one dimensional isentropic flow when high－speed train entering tunnel［J］.Journal of Tsinghua University(Natural Science Edition)，2000，40(5):95 －98.

［19］梅元贵，周朝晖，耿烽.高速铁路隧道初始压缩波一维流动模型的数值分析方法［J］.空气动力学学报，2006，24(4):508 －512.

MEI Yuangui，ZHOU Zhaohui，GENG Feng.Numerical analysis method of high speed railway tunnel initial compress wave in one － dimensional flow model［J］.Journal of Gas Dynamics，2006，24(4):508 －512.

［20］周朝晖，梅元贵，许建林.高速列车通过截面突变隧道时压力波的数值模拟研究［J］.铁道学报，2007，29(6):34－39.

ZHOU Zhaohui，MEI Yuangui，XU Jianlin.The numerical simulation research on pressure wave when the highspeed train go through the tunnel cross section［J］.Journal of the China Railway Society，2007，29(6):34 －39.