城市轨道交通噪声与振动问题的研究

2014-07-25杨振丹

天津建设科技 2014年2期

□文 /杨振丹

近年来，我国城市轨道交通建设呈快速发展的态势，截至2015年共规划93条线路，总里程约2 600 km。随着大城市轨道交通网络的不断发展、地铁运力的不断提升，交通运输产生的环境振动及噪声问题目前已被列为世界七大环境公害之一，引起了社会各界的普遍关注。

1 噪声与振动评价标准

目前国际上还没有一套标准的城市轨道交通噪声评价方法和指标，各国对噪声和振动的控制情况也没有统一标准，其控制原则是根据本国国情采取各种手段使危害减少到附近沿线居民和建筑物能够承受的程度。可供借鉴的轨道交通噪声评价标准主要有国际铁路标准化组织（ISO）的ISO 3381—1976(E)《声学-轨道车辆内部噪声测量》、我国GB 3096—2008《声环境质量标准》和GB/T 15190—94《城市区域环境噪声适用区划分技术规范》。

上海市DB31/T 470—2009《城市轨道交通（地下段）列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》推荐性地方环境标准2010年3月开始施行，这是我国首部控制地铁振动和噪声的地方标准，该标准中严格规定了列车运行引起的沿线住宅室内振动与结构噪声的限值及其测量方法，对城市结构振动和噪声限值做出了明确规定[1]。其中，城市轨道交通（地下段）沿线，位于《上海市环境噪声标准适用区划》中的1类、2类、3类和4类声功能区内的住宅，分别适用表1中对应的结构振动限值和表2中对应的结构噪声限值，城市轨道交通（地下段）应同时满足时段等效声级与最大声级的控制要求。

表1 城市轨道交通（地下段）列车运行引起的住宅室内振动限值 dB

表2 城市轨道交通（地下段）列车运行引起的住宅室内结构噪声限值 dB

北京市地方标准《地铁噪声与振动控制措施应用规范》（征求意见稿）中对北京市地铁噪声和振动的控制措施进行了相应规定，提出地铁噪声与振动控制措施应与主体工程同时设计、同时施工、同时投入使用并应符合环境保护设施竣工验收的要求。

国内其他城市对于地铁噪音和振动的测量和控制尚没有明确标准，但各地每年因轨道交通振动噪声引发的投诉事件总体呈上升趋势。因此，如何采取切实可行的防治措施，将地铁所产生的噪声和振动对环境的影响降低到最低程度显得尤为重要。

2 地铁振动的防治措施

2.1 建筑物对地铁振动的响应

地铁列车运行时引起车辆对轨道产生冲击，传递到轨道结构，再通过隧道结构传递到周围土层，进而激发临近建筑物或构筑物（地面和地下）产生振动，这种振动可能诱发室内结构的振动，产生噪声。根据地铁振动的产生、传播和作用特点，其对周围环境的影响可以分为3个阶段。振动产生阶段，即列车车轮对轨道的冲击产生激励；振动传播阶段，即振动通过轨道基础和衬砌结构向周围土介质和地面传播；振动作用阶段，即振动作用在沿线地面建筑上，进而诱发建筑结构的振动和噪声[2]。

影响地铁列车振动传播的因素很多，主要包括地铁列车质量和运行速度、轮轨类型、轨道状况、隧道结构、地层（岩石）条件、建筑物类型和材料性能等。相关研究表明，轨道交通振源强度较大，在没有实施有效隔振措施的情况下，地铁的影响范围可达其中心线的100 m以外，而中心线对应的地面附近可测得的最大值达到85 dB，严重影响沿线人们的正常生活和工作。在采取有效隔振措施的情况下，地铁的影响范围大为减少，中心线对应的地面附近可降至70 dB以下。人们感觉到受干扰的振动级大约在72 dB，低于62 dB时，振动对人们的影响可以忽略。

2.2 防治措施

根据上述建筑物对地铁振动的响应分析，目前针对地铁减振措施的研究主要从3方面出发：降低振源的激振强度、切断或削弱传播途径上的振动、对需要减振的对象进行被动隔振等。

1）振源控制。地铁列车的振源强度主要由列车和钢轨以及两者之间的接触关系确定，试验证明，车辆载重的减小可使得受影响建筑振动幅度有所降低；径向转向架的使用则使轮轴始终处于曲线的径向位置，使车轮能够顺利通过曲线，从而减少轮轨的磨耗并且减小噪声；采用弹性车轮、阻尼车轮和车轮踏面打磨等车轮平滑措施，可有效降低车辆振动强度。另外，根据现有地铁的运营维护经验，设备选型和招标时选择合理的轨道结构类型，尽量采用阻尼钢轨、重型钢轨和无缝焊接长钢轨，运营期间对钢轨表面进行定期打磨，钢轨接缝处加强保养等措施，均可以有效缓解地铁振动影响。

2）振动传播途径控制。根据日本铁路的研究经验，轨道结构（包括基础）所产生的振动能量占全部振动的35%左右。轨道结构既作为振源，又是传播途径中的一个重要环节，直接影响最终的振动效应。地铁一般都采用整体道床，其中有包套式短枕整体道床、塑料短枕整体道床、浮置板式整体道床等。这几种道床型式都可以有效改善轨道的不平顺状况，减轻列车的振动，降低线路的噪声。一般来说，从减振效果来说碎石道床优于整体道床，但碎石道床稳定性差、养护工作量大、自重大、轨道建筑高度较大且道床易污染，因此宜采用整体道床。其弹性不足的问题可以利用减振效果好的弹性扣件或其它减振措施弥补。整体道床中浮置板式整体道床减振效果显著，尤其是低频减振效果更好。值得指出的是，无论是碎石道床还是整体道床，都可在碎石或混凝土板底面设置橡胶减振垫，减振效果可达10～15dB[3]。

屏障隔振也是一种常见的隔振方法，用来阻碍或改变振动波向屏蔽区域的传播，目前有2种隔离模式：弹性基础、减振沟和减振墙。一般来说，减振沟越深，其有效隔振频率的下限就越低，减振效果就越好，它们可以完全切断振动波的传播，只要沟的深度足够，就可以获得理想的隔振效果。减振墙主要是指在地层下打入柱桩，形成柱列和柱阵，减振效果十分显著。采用这种措施防止地铁振动对沿线建筑的干扰，在国外已有成功案例。

3 地铁噪声的防治措施

城市轨道交通噪声的防治，应从控制噪声源和噪声的传播途径2方面考虑，尽量减少噪声对沿线居民的干扰。

3.1 噪声源控制

相关理论分析和试验研究表明，噪声最主要的来源是轮轨。与铁路干线车辆不同，现代城市轨道交通车辆减振和悬挂系统得到了很大改善并采用了弹性车轮和降噪车轮，所以轮轨噪声的控制主要是控制轨道结构，这也是城市轨道交通最主要的噪声源。结合目前国内地铁设计和运营现状，应用最多的主要是下列几种控制措施。

1）线路设计尽量不采用小半径曲线，对运营的小半径曲线应加强其维修养护，定期进行钢轨涂油工作，以减少轮轨摩擦产生的尖叫声。

2）轨道设计采用重型轨道结构并采取减噪措施，如采用普通碎石道床，比混凝土整体道床减少2～3 dB[3]；全线通长铺设无缝线路能有效减少噪声；在钢轨与轨枕、轨枕与道床之间增加弹性垫层、在轨腰处涂防噪层；定期打磨钢轨顶面，消除轨顶不平顺。

3）铺设超长无缝线路、减振扣件等都能有效减少噪声。据国外测试资料统计，铺设无缝线路后轮轨噪声平均降低7 dB；如法国的轻轨车轮中镶有一层弹性硬橡胶，轨道下设有弹性垫层，因而车辆运行平稳，当列车以70 km/h速度行驶时，车厢内噪声只有68 dB[3]。

4）在轨腰处涂防噪层并定期打磨钢轨顶面，消除轨顶不平顺。据统计，当钢轨出现深达0.5mm以上的波形磨耗时，轮轨噪声迅速增大，打磨后噪声可降低10dB左右[3]。

3.2 噪声传播途径控制

有条件的地带可设树障。应在轨道边侧种乔木，再种灌木，一般它的容声量为0.3 dB/m。在声源和受声点之间设计声屏障，使声波碰到屏障折射，不直接传到收声点，一般在靠声源一侧，贴有吸声材料，以减少反射，设计好的声屏障能降低噪声10 dB[4]。

除了从减振降噪方面考虑轨道交通噪声的防治措施外，还可以在条件允许的情况下，改变临路第一排受轨道噪声影响明显的环境保护目标的使用功能。例如可将幼儿园、学校等噪声敏感建筑更改为商用建筑等。另外，可考虑将面向噪声源的敏感建筑改装隔声窗并加设通风空调装置，从而减少噪声对这些建筑的影响。同时，在城市规划时，尤其是建设对噪声敏感的幼儿园、学校、住宅、医院等建筑时，规划、环保、交通等管理部门应通力合作，科学布局、合理规划，避免产生新的噪声敏感点。