轨道吸音板在北京地铁工程中的设计与应用

2015-03-16刘玮

铁道勘察 2015年2期

关键词：北京地铁轮轨测点

刘　玮

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Application and Test of Track Acoustical Slab in Beijing Subway Engineering

LIU Wei

轨道吸音板在北京地铁工程中的设计与应用

刘玮

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Application and Test of Track Acoustical Slab in Beijing Subway Engineering

LIU Wei

摘要轨道吸音板由优质低碱普通硅酸盐水泥、吸声陶粒等固结而成，一般放置于轨枕或整体道床上，直接吸收轮轨一次噪声。结合北京地铁工程情况，介绍轨道吸音板的结构特点、降噪机理，并对降噪值进行理论预测分析。通车后隧道内现场测试表明，降噪效果可达3 dB(A)以上。

关键词吸音板轨道降噪

近年来，我国大力发展城市轨道交通建设，线路里程不断延长，客流量不断增大，地铁已成为我国各大城市的重要交通方式。由于列车车轮、钢轨表面伤损及轨道结构不平顺的影响，城市轨道交通车辆运行将不可避免地产生振动和噪声，直接影响旅客乘车的舒适性。创造低噪声的乘车环境，建立“以人为本”的环境友好型地铁已成为轨道交通建设发展的必然趋势。为适应地铁行车密度大、维修时间短的特点，轨道吸音产品不仅要保证降噪效果，还应具有良好的耐久性。

轨道吸音板作为主型轨道吸音产品，目前已在德国、日本、韩国及香港等城市轨道交通中得到成功应用，降噪效果可达3.9～6.2 dB(A)。与城市轨道交通技术发达国家相比，我国尚无成熟的轨道吸音板产品，大多都在研究试验阶段。上海地铁3号线虽然引进试铺过德国吸音板，但并未规模采用。北京地铁昌八联络线地下段约4.3 km梯形轨枕减振地段要求铺设轨道吸音板，本文以此为工程依托，系统开展轨道吸音板的研制应用及降噪效果测试工作。

1轨道吸音板的结构特点

轨道吸音板是利用优质低碱普通硅酸盐水泥作为粘接剂，将一定级配的吸声陶粒固结而成的降噪结构。轨道吸音板不仅应具有较好的降噪效果，还应结合具体工程的特点，满足使用安全，节能环保，便于实施安装及拆卸维护的要求。北京地铁轨道吸音板设计具有以下特点。

1.1　采用门形结构

轨道吸音板呈长方形，铺设在梯形轨道道床上，沿轨道纵向排成纵列，每块板长570 mm，板缝为30 mm。研究表明，在吸音材料与刚性壁之间留一定距离的空腔，可有效改善对低频噪声的吸声性能，当腔深为入射声波的1/4波长时，吸声系数最大。因此，本次设计的轨道吸音板横断面设计为门形，底部采用凹槽结构，可有效提高降噪效果，节省原材料成本。门形结构的空腔也保证了足够的排水空间(如图1所示)。

图1　梯形轨枕地段轨道吸音板的布置

1.2　增加结构强度

轨道吸音板铺设于道床中间，必须满足维修人员行走作业及紧急情况下人员疏散的要求。因此，轨道吸音板的设计强度一般不低于8 N/mm2。换轨现场试验结果表明，轨道吸音板内布置玻璃纤维加强筋可防止换轨时钢轨冲击引起轨道吸音板碎裂，甚至折断的现象。因此，本工程轨道吸音板通过设置玻璃纤维筋等措施对结构强度进行优化，其强度可以满足运营及养护维修需要。

1.3　增强结构稳定性

为增强吸音板结构安装后的稳定性，避免列车冲击振动对结构的可能破坏，轨道吸音板四周设置有缓冲胶垫，可避免吸音板与邻近结构的刚性接触。缓冲胶垫填充轨道吸音板与道床间的缝隙，也可避免杂物掉入，有利于保证轨道结构的良好使用状态。

2轨道吸音板的降噪机理及效果验证

轨道吸音板放置于轨枕或整体道床上，利用声学上的空腔共振和孔隙吸声原理，直接吸收与其最接近的轮轨一次噪声，达到降低轮轨噪声的目的。轮轨噪声声波入射到采用多孔吸声材料预制而成的吸音板板面后，沿着孔结构进入吸音板中，激发孔结构内部的空气振动，空气与孔壁摩擦产生热传导作用后，由于空气的粘滞性，孔结构内将产生相应的粘滞阻力，使振动能(声能)不断转化为热能而消耗，从而使声波衰减，达到降低轮轨噪声的目的。

2.1　降噪值理论预测

声波在地下隧道空间内辐射、传播且不断反射，由于直接声源和反射声源的叠加效应，噪音污染源难以消除。根据室内声场的研究理论，轨道吸音板降噪值采用统计声学和几何声学的方法进行预测。

设S为表面积，ā为平均吸音系数(比1小得多)，房间系数R按下式计算

设R1、R2分别为轮轨噪音声源附近放置吸音板前后的房间常数，LW为轮轨噪音声源的声功率级，则距声源r处相应的声压级分别为

放置轨道吸音板前后轮轨噪音声源的声压级之差，即各点的吸声降噪量为

可以看出，当测点不受直射声影响时降噪量最大，该式可简化为

设V为体积，混响时间T可按下式计算

代入前式得

根据北京地铁8号线的实际工程条件，隧道壁吸音系数取0.06，吸音板吸音系数取0.9，吸音板表面积为1.2 m2，圆形盾构直径为5.4 m，铺设吸音板前后的混响时间及吸音板理论降噪量分别为

2.2　实测降噪效果

昌八联络线运营期间，选取工况相同(圆形盾构，梯形轨枕，车速72 km/h)的两个断面进行实车对比测试，测点分别布置于道心、道床表面及隧道壁上。不同位置处的噪声测试对比结果见表1。

表1　各测点监测结果及插入损失计算　dB(A)

根据测试结果，铺设轨道吸音板后，道心噪声降低3.7 dB(A)，道床噪声降低3.2 dB(A)，隧道洞壁噪声降低3.9 dB(A)，不同位置处的噪声插入损失值基本相同。由于理论预测的噪声降低值仅考虑轨道吸音板上表面的降噪效果，忽略了侧表面的降噪功能及轨道吸音板铺设对噪音直射角度范围的影响，因此，与理论预测值相比，实测噪声降低值更大。噪声插入损失值的1/3倍频程如图2～图4所示。

图2　道心测点插入损失值1/3倍频程

图3　道床测点插入损失值1/3倍频程

图4　隧道洞壁测点插入损失值1/3倍频程

根据噪声插入损失的1/3倍频程分析，轨道吸音板的降噪效果在1 000 Hz左右达到最大值，不同位置的降噪频域范围略有差异，道心处轨道吸音板在200～315 Hz、630～3 000 Hz范围降噪效果较为明显，道床处及洞壁处轨道吸音板在200～400 Hz、630～20 000 Hz范围有较显著的降噪效果。总体上看，轨道吸音板降噪效果较好，北京地铁轨道吸音板的设计应用是合理可靠的。

3结论

利用国际先进技术，并结合我国城市轨道交通的特点，轨道吸音板在北京地铁工程中首次规模应用，现场使用效果良好，降噪效果可达3 dB(A)以上。轨道吸音板不仅可用于地下段的噪声治理，也可配合声屏障、高弹性扣件的使用，进一步降低高架线的噪声辐射水平，避免噪声对沿线居民正常生活的影响。随着我国城市轨道交通建设的不断发展，轨道吸音板具有良好的推广前景。

参考文献

[1]雷小燕，圣小珍.铁路交通噪声与振动[M].北京：科学出版社，2004

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004

[3]张驰.噪声污染控制技术[M].北京：中国环境科学出版社，2006

[4]常亮，翟婉明，蔡成标，等.高速铁路无砟轨道吸音板降噪效果仿真分析[J].铁道建筑，2013(10)：88-91

[5]仲新华，谢永江，汪佳薇.铁路无砟轨道水泥基吸声板的研制[J].噪声与振动控制，2008(6):105-107

[6]杨新文，翟婉明，刘荣珍.铁路无砟轨道吸声板降噪效果分析[J]. 中国铁道科学，2010，31(6):38-41

[7]马筠.对无砟轨道吸声板降噪措施效果的评价与分析[J].噪声与振动，2008，35(3):111-113

[8]马保国，朱洪波，董荣珍,等.轨道交通噪声控制结构设计及吸声材料研究[J].铁道科学与工程学报，2005(2)

[9]闫利成,李国辉,张建龙.时间序列分析在某滑坡变形监测预报中的应用[J].铁道勘察，2014(5)

中图分类号：U213

文献标识码：A