既有地铁轨道噪声过大的原因分析及对策

朱万旭，张瑞东，刘 玮，张 庆，周红梅,4

(1.广西科技大学 土木工程学院，广西 柳州 545006；2.桂林理工大学 土木工程学院，广西 桂林 541004；3.中铁工程设计咨询集团有限公司 轨道工程设计研究院，北京 100055；4.柳州汉西鸣建材发展有限公司，广西 柳州 545006)

地铁作为城市轨道交通主要的形式之一，极大地方便了人们的出行。然而地铁在运行过程中产生的噪声给人们的生活和工作带来了很多不良的影响。如何有效地治理地铁噪声成为轨道交通运营者和相关科研工作人员所关注的重点。

目前治理轨道交通噪声主要通过两种途径：一种是通过降低轮轨结构的振动和摩擦，以减少噪声的产生，即主动降噪；一种是在噪声传播途中对其进行削弱，减少到达受声点时噪声能量的大小，即被动降噪。

在主动降噪方面，国内外目前主要采用以下几种方法：①各类新型减振型板式轨道以及浮置板轨道结构，不同研究结果均表明这类结构固有频率低，减振效果好，能够有效减少噪声的产生[1-3]；②阻尼钢轨，其降噪频段主要位于 1 000～5 000 Hz[4-5]；③钢轨动力吸振器[6]。

主动降噪方法在理论上是一种直接有效的控制噪声的手段，但是其制作成本高，对于生产制造和安装的工艺有较高的要求，并且其降噪效果会随设备的老化而有所降低，在使用后期需要进行大量的维护和更换。考虑到我国已存在大量既有地铁线路，无法在短时间内大规模对轨道系统进行改造，结合目前国内的生产水平，采用被动降噪方法来治理地铁噪声较为符合我国目前的国情。

目前，在地铁的轨道上铺设吸声板逐渐成为国内治理地铁噪声的一个新方向[7]。但经过相关的试验和现场测试表明，仅仅在地铁轨道上铺设吸音板，其降噪效果是有限的。根据国外轨道噪声治理的相关经验，在轨道两侧安放一定高度的遮挡物能够有效地降低列车向两侧辐射出的轮轨噪声和气动噪声。本文以此为出发点，拟以道床吸声板结合轨道两侧安装吸声矮墙作为配套设施，作为一种治理地铁噪声问题的新思路。

1 地铁线路噪声分析

一地铁线路通车后，在车辆运行过程中产生了过大的噪声，时有投诉事件发生。对该线路沿线进行勘查和分析，得到该地铁线路噪声过大的原因如下。

1)经过长时间的使用，钢轨减振扣件下面的减振橡胶垫逐渐磨损，继而弹性失效，使得扣件上的弹条松动，扣压力降低15%左右。此时会出现钢轨扣件减振失效现象，列车经过时振动响应增强，产生大量的振动噪声。

2)通过现场测量可知，在轨道直线段，固定钢轨的相向扣件不在同一水平线上，有的相对错位达到40 mm 左右。使得在列车运行过程中两侧钢轨的受力不均衡，造成振动增加，从而导致噪声增加。

3)对钢轨表面进行观察，发现钢轨产生了严重的波浪形磨损现象，导致钢轨表面严重不平顺。当列车从上面经过时，车轮与不平顺的钢轨频繁地发生碰撞和摩擦，产生大量的噪声。从现场测量数据可以得到钢轨波磨的波长范围在50～150 mm,波磨深度在 0.1～0.5 mm。

4)隧道中的混响强度较大，但隧道本身没有进行过表面的吸声处理，隧道内部尚未采取任何有效的被动降噪措施，也是造成地铁噪声偏大的一个重要因素。

2 噪声治理措施

通过分析该地铁线路噪声过大的原因，发现该线路上安装有相应的减振降噪设施，但是有的设施在安装时没有严格控制工艺标准，并且后期维护不到位，导致设施老化失效，反而加重了地铁线路环境中的噪声问题，因此在治理该线路噪声问题上应该先采取一些主动降噪手段予以修复。

1)沿线检查地铁钢轨扣件，对于磨损严重的减振橡胶垫进行更换，将弹条松动的扣件重新夹紧。

2)适当调整或者增加固定钢轨的扣件，减小轮轨之间的振动响应。

3)对钢轨表面进行打磨以减少其波磨现象，降低车辆通过时产生的振动和摩擦。

前期研究表明，我国地铁噪声主要以轮轨噪声为主，声压级峰值主要位于500～1 000 Hz。考虑到该线路中并未安装被动降噪设施，拟在轮轨噪声源附近安装道床吸声板以及轨道两侧吸声矮墙。

3 吸声板与吸声矮墙组合治理噪声方案

3.1 吸声材料及其降噪原理

在前期研究中，本课题组用陶粒作为骨料，普通硅酸盐水泥作为黏结剂，掺加聚丙烯纤维、外加剂制成陶粒混凝土，该材料经检测其吸声性能可以达到国家Ⅰ级，并且该材料在一定厚度的情况下还具有良好的隔声性能。

陶粒颗粒表面仅包裹一层非常薄的水泥净浆作为胶结层，将骨料颗粒彼此黏结起来，使内部形成大量相互贯通的孔隙。这些多孔结构细密均匀，彼此互通并且延伸到外部表面，从而形成一种特殊的多孔结构混凝土。

噪声经过这种特殊的多孔结构时，引起孔隙内部空气振动，空气与孔隙间固体筋络发生摩擦，由于黏滞性和热传导效应，声能被不断转化为热能而消耗掉，从而使声波衰减，达到吸声降噪的目的[8]。

3.2 吸声板降噪效果实测分析

为了进一步了解吸声板的降噪性能，对一地铁长度为 1 500 m的铺设了吸声板的线路进行降噪效果实测。采用INV3018C-24位高精度噪声数据采集仪、INV9206型声压传感器和HS6020型活塞式声压校准计进行检测。分别在铺设吸声板的道床以及地铁隧道壁进行测点布置，具体见图1。

图1 测点布置

对道床铺设吸声板前后2种工况进行测试。为了保证结果的准确性，每个测点进行20组的数据采集，单组数据采集时间保持60 s，2种工况下各测点的声压级平均值见表1，测点声压级的1/3倍频程谱见图2。

表1 2种工况下各测点声压级平均值对比表B

图2 测点声压级

通过表1可以看出，在地铁道床上铺设吸声板后，隧道壁的平均降噪量为4.3 dB，道床上的降噪量为4.0 dB。从图2可以看出，道床上铺设吸声板对中高频噪声降噪效果较好，而中低频噪声的降噪效果还需进一步提高。

3.3 轨道两侧吸声矮墙降噪原理

由于在目前的应用和测试中，道床吸声板仅仅布置在道床水平线的高度上，而轮轨接触面在其之上，因此产生的一部分轮轨噪声会从轨道两侧辐射出去。

当在轨道两侧安装一定高度和厚度的吸声矮墙后，由于陶粒混凝土吸声矮墙有足够的隔声性能，轮轨噪声将被以下2种方式所削弱。

1)一部分噪声将在列车底部、吸声板和两侧的吸声矮墙之间不断反射，逐渐被底部安装的道床吸声板和两侧的矮墙所吸收。

2)另一部分噪声将在列车车身和吸声矮墙之间的空隙中不断反射，声能被吸声矮墙逐渐削弱后，最终从矮墙的上方绕射出去。

4 吸声板和吸声矮墙组合方案的吸声降噪效果预测

4.1 计算模型的简化与设计

为了方便计算，对地铁隧道结构进行简化，假设轮轨振动噪声声波在轨道地面以及两侧隧道壁上会发生多次反射，声能经多次反射后会辐射到车厢中。轮轨噪声直射隧道壁的角度范围如图3所示。

图3 轮轨噪声直射隧道壁的角度范围

根据《地铁设计规范》(GB 50157—2013)中对地铁车辆主要技术规格以及行车限界的要求[9]，设计出相应结构尺寸的水泥基陶粒吸声板和吸声矮墙。在轨道中间安装吸声板，在轨道两侧竖立吸声矮墙，整体效果如图4所示。

图4 铺装陶粒混凝土吸声矮墙后轮轨噪声的传播

4.2 理论降噪效果计算

在地铁隧道内的声场由直达声场和混响声场叠加而成，其中混响声场占主导地位。由吸声量与降噪量之间的关系[10]，可以得到铺装陶粒吸声板和吸声矮墙后的吸声降噪量。

(1)

式中：ΔLP为吸声降噪量，dB；A1为未安装吸声板和吸声矮墙时的房间常数，m2；A2为安装吸声板和吸声矮墙后的房间常数，m2。

隧道壁为普通钢筋混凝土材料，其吸声系数α1取值为0.03;根据混响室法测得的平均吸声系数,陶粒混凝土吸声材料的吸声系数α2取值为0.74。计算过程中取吸声板的纵向宽度为0.8 m，吸声矮墙的安装高度为0.8 m，以20 m隧道长度作为封闭空间单元，根据吸声量计算公式，求出铺装前后的房间常数。

将铺装前后的房间常数A1，A2代入式(1)可得吸声降噪量ΔLP为

通过分析可知，在地铁道床铺设陶粒吸声板和轨道两侧安装吸声矮墙，理论降噪量可以达到10.1 dB。考虑到实际应用中合理的结构设计及表面处理对降噪效果的提高，预计其综合降噪量可达10～12 dB。

5 结论

1)地铁噪声的产生有多方面的原因，仅仅采用主动减振降噪手段无法有效地控制地铁噪声，并且对于安装和后期维护有很高的要求，治理地铁噪声应该从主动和被动2方面着手。

2)课题组研发的陶粒混凝土达到国家Ⅰ级吸声产品的标准，以其为原材料制做的吸声板和吸声矮墙可以通过工厂预制，运输至现场直接进行铺设安装，其工艺简单，费用经济，便于后期的维护和更换，在满足降噪要求的同时经久耐用、绿色环保。

3)单独使用道床吸声板对地铁噪声的降噪效果有限，以吸声矮墙作为其配套降噪措施从声学理论上可行，经理论计算，其降噪效果可以达到10～12 dB。

4)陶粒混凝土吸声板和吸声矮墙作为新型轨道交通吸声降噪材料，对轨道交通产生的振动噪声和气动噪声具有良好的治理效果，在轨道交通工程上的应用前景十分广阔。

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