城市轨道交通线路噪声关键影响因素分析

杨洋

文章以广西某地区城市轨道中的一段线路作为试验路段，将钢轨踏面的磨耗值定作实验变量，采集了整条线路的噪声声压级，对曲线地段钢轨打磨前和打磨后的数据进行系统分析，试图探究出轮轨噪声的发声机理，提出一套用以降低轮轨噪声的具体方案，为广西乃至西南地区的城市轨道交通发展提供理论依据。

地铁噪声;钢轨磨耗;钢轨打磨;小半径曲线

U491.9+1A381345

0 引言

在城市轨道交通行业蓬勃发展的同时，地铁列车运营过程中产生的振动和噪声问题也不容忽视。广西某地轨道交通自开通运营以来就不断收到乘客与地铁司机对列车客室内噪声过大问题的反馈，这些噪声不仅在一定程度上对乘车市民出行舒适度造成了影响，还会对长期处于噪声环境下工作的地铁司机的身心健康造成危害。而目前在我国西南地区还没有一套完善的针对噪声污染的整治措施，因此设法降低城市轨道的振动和噪声，让人类与自然的关系更加和谐，成为了社会各行业所重点关注的问题。

如何对地铁列车运行中的所产生的噪声问题进行整治是国内外学者近年研究的热点：李克飞等[1]对城市轨道交通轮轨噪声影响因素进行分析，针对性地研究了速度调整、钢轨打磨、车轮镟修、钢轨阻尼降噪装置等主动控制措施的降噪效果，并提出轮轨噪声的防治措施建议;冯陈程[2]提出了通过车内噪声测量结果反推钢轨波磨幅值的间接测量方法，针对车内异常噪声，从控制声源的角度提出了短波长钢轨波磨的打磨限值，从车辆和轨道的角度提出了改进建议;澳大利亚昆士兰大学铁路工程技术中心学者R.D.Batten[3]基于使用所测得的接收力和速度数据的高效波纹变速发展模型，分析了现场站点上轮轨相互作用的频域动力学，将波纹波长基于模型的预测与通过对每个站点处测得的轨道轮廓进行光谱分析而得出的预测进行比较，提出了一种在测得的轨道轮廓上使用光谱分析的方法，用于分离相对于轨枕位置而变化的两个主要波状波长。尽管如此，针对我国西南地区轨道交通的噪声整治措施还不够成熟。

为了解决我国西南地区地铁列车运行过程中产生的噪声给人们造成的不利影响，本文以广西某地区城市轨道中的一段线路作为试验路段，将钢轨踏面的磨耗值定作实验变量，采集了整条线路的噪声声压级，对曲线地段钢轨打磨前和打磨后的数据进行系统分析，

试图探究出轮轨噪声的发声机理，提出一套用以降低轮轨噪声的具体方案，为广西乃至我国西南地区的城市轨道交通发展提供理论依据、夯实行业基础。

1 噪声产生原因及测试方法

据乘客反映，乘坐地铁时经常会出现列车行驶到某个别区间时车内噪声明显变大的现象。当地铁运行速度<60 km/h时，产生噪声的主要来源是列车辅助设备以及牵引电机，当列车速度在60～80 km/h范围内时，噪声主要是由轮轨噪声以及空气动力噪声组成的[4]。经调查，噪声明显增大区段多为钢轨磨耗严重地段亦或是曲线地段。为此，本试验以钢轨磨耗状态为变量，分别对钢轨打磨前后进行系统地车内噪声及车辆振动数据测试。如表1所示为地铁列车噪声限值要求。

1.1 地铁噪声剖析

通过对上海、深圳、广州三地轨道交通的噪声检测调查进行系统分析，上海地铁[5]在通过半径为350 m的小半径曲线时，现场检测噪声声压级最大值达140 dB;深圳地铁[6]在通过半径<400 m的曲线段时，噪声声压级最大值达110 dB;广州地铁[7]在通过最小半径为200 m的曲线时，噪声声压级最大值为136 dB。三地地铁在通过小半径曲线时，都普遍存在噪声超限的问题，由此可以看出，不仅钢轨磨耗是产生噪声的主要原因，小半径曲线也是产生噪声的重要来源之一。由于小半径曲线可能存在欠超高和过超高，导致钢轨外轨产生较大的磨耗，内轨轨头及轨颚容易出现裂纹，而且小半径曲线路段受力复杂，易造成钢轨轨面剥落、钢轨接头错位等问题，不易保持轨道几何形位。不仅如此，列车在曲线上运行时还会产生滑动摩擦，由于曲线半径过小，离心作用和滑动摩擦力就会增大，使轮轨之间产生更大的噪声。

1.2 列车车厢内噪声测试

本试验严格按照《声学-轨道车辆内部噪声测量》（GB/T 3449-2011）[8]和《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》（GB/T 14892-2006）[9]进行布点及测试。由于噪声的主要来源是轮轨接触造成的，考虑到车厢内不同位置、不同高度所接受到的噪声数值不尽相同，特别是越靠近车厢地面的位置，测得的噪声声压级越高，因此，选择合适的测试高度与位置变得极为重要。

（1）测试对象：广西某地铁车厢。

（2）测试线路：正线全长32.1 km，包含曲线110条，其中R≤450 m的曲线共27条（上行14条，下行13条），其中最小曲线半徑为330 m。道床为钢弹簧浮置板道床。

（3）测试设备：HS6288E型多功能噪声分析仪和由Brüel & Kjr声学与振动测量公司生产的4292-L型球型噪声采集器，该设备使用12个扬声器在单声道配置中，通过球形分布均匀地辐射声音。

（4）测试布点：本试验挑选了几个极具代表性的位置进行噪声声压级测试：司机驾驶室座位处、驾驶室与客室的连接处、客室乘客座位处、客室车门处及两车厢的连接处，在这些位置分别架设噪声采集装置，布点图见图1。依照上述两个标准将架设在驾驶室和客室座位处的设备高度定为1.2 m，其余位置按照标准中的站立值1.6 m架设。

2 地铁列车噪声数据分析

2.1 静态列车空调噪声分析

为了对地铁噪声进行全方面的分析，考虑到车厢内空调系统运作时会产生机械噪声，为排除其他噪声因素的影响，在测试车厢内空调噪声数据时列车保持静止状态，再测试一组列车静止时不开空调的噪声数据与其进行数据对比。测试结果如下页图2、图3所示。

由图2、图3数据可以看出，当列车静止且空调系统关闭时，车厢内噪声值均处于60 dB以内，2号车厢内的噪声值略低于1号车厢，其中驾驶室、空调机下方和两车厢的连接处噪声相对较大，最大噪声声压级为58 dB。当列车静止同时空调系统运作时，车厢内噪声声压级在70 dB左右浮动，1号车厢与2号车厢噪声值大致相同，空调机下方与两车厢连接处的噪声值略大，而处于驾驶室内的声压级最大，达到了77 dB。因此，空调系统产生噪声并不是主要的噪声污染源，且列车静止时车内噪声符合规范要求。

2.2 曲线钢轨打磨段数据测试分析

轨道交通噪声产生的最主要原因是钢轨磨耗和小半径曲线。通过不同区段的噪声对比分析发现，列车行驶在小半径曲线时产生的噪声比行驶在其他区段时的噪声大，现针对此问题对该市地铁1号线A—M下行路段进行检测调查。

利用多功能噪声分析仪检测出目前试验路段全线噪声区间普遍在78～86 dB之间，仅在部分曲线段噪声较为突出，当曲线半径R≤400 m时，噪声峰值可达到94.3 dB。线路专业人员对A—M下行路段噪音较大曲线段各部要素参数进行了复核，通过现场核对、检算比较，曲线超高、过超高和欠超高符合《铁路维修规则》[10]中有关规定（未被平衡欠超高≤75 mm，困难情况下≤90 mm;未被平衡过超高≤30 mm，困难情况下≤50 mm）;曲线半径、长度、列车速度要求等均符合《地铁设计规范》[11]等国家、行业有关规范要求。此路段小半径曲线要素如表2所示。对该下行曲线段H—J（K12+934～K13+739）钢轨进行调查，钢轨类型为TB60 kg，主要存在曲下股轨面部分波磨、曲上股轻微掉块等病害。

针对以上钢轨的不良现象，立即对其钢轨廓形数据进行分析并制定打磨方案，采用美国HARSCO RGH20C钢轨打磨车对H、I、J三条路段的上下股钢轨进行8次反复打磨。下股钢轨打磨前存在比较明显的波磨，波磨深度大约为0.02 mm、波长为30 mm，打磨石轨面波磨基本消除，焊缝不平顺得到较大幅度缓解。

对钢轨打磨前后的廓形与设计廓形进行对比，分析指标主要为GQI和廓形偏差量。下行K13+700段上股钢轨打磨后，钢轨廓形对比GQI指标由打磨前的58.6提高到81.6;下股钢轨打磨后，钢轨廓形对比GQI指标由打磨前的45提高到60.1。打磨前测量点GQI均值为52.7分，打磨后GQI均值为71.4分，提高了35.5%。

根据表3廓形法向偏差对比分析，本次钢轨内侧、顶面、外侧分别打磨0.3 mm、0.1 mm、0.1 mm，打磨前曲线上股与设计廓形最大偏差约为0.62 mm，曲线下股与设计廓形最大偏差约为0.75 mm;打磨后曲线上股与设计廓形最大偏差约为0.40 mm，曲线下股与设计廓形最大偏差约为0.68 mm。

2.3 列车噪声数据分析

为测试列车噪声数据，本试验特选取广西某城市轨道交通A—M段作为试验路段，分别记录H、I、J段钢轨打磨前后车厢内噪声数据变化。图4为列车在A—M段运行时驾驶室内噪声声压级变化。由图4可知，每一段线路的噪声各不相同，大多数线路噪声都超过了限值，噪音平均值最高为92.2 dB，其峰值范围为90～94.4 dB，曲线半径为340 m，位于H—J段上行区间，道床为减振垫浮置板道床。该试验线路只有C、E、M三段线路的噪声符合规范要求，噪声最小声压级为78 dB，仅在试验路段中就有77%的区间线路不满足规范要求，而F段和H、I、J段噪声较大，远远超出了规范要求，最大声压级达92.2 dB。

图5、图6为列车在A—M段运行时，1号和2号车厢客室内的噪声声压级数据曲线图。由图5～6可见，打磨前除H、I、J段的噪声声压级较大外，其余路段的噪聲声压级均在规范限值附近上下波动，波动范围最大不会超过86 dB;列车在C、E、M三段线路处噪声较小，1号车厢噪声声压级最小值仅为77.3 dB，2号车厢噪声声压级最小值仅为77.1 dB，基本能与列车静止且空调系统运作时驾驶室内噪声数值持平。在钢轨打磨段，打磨前1号车厢的最大噪声声压级达94 dB，2号车厢最大噪声声压级达94.3 dB，打磨后1号车厢最大噪声声压级降至85.4 dB，2号车厢最大噪声声压级降至84.3 dB，其中J段线路打磨后噪声声压级低至规范限值以下，最低噪声声压级为82.3 dB。

对噪声较大区段进行打磨处理后发现，钢轨打磨后的轮轨噪声明显降低。因为钢轨打磨能使钢轨的磨耗减小，磨耗越小表明钢轨踏面平顺，列车运行时的轮轨噪声也随之减小，进一步证明了钢轨磨耗就是产生轮轨噪声的重要原因之一。

3 线路噪声整治措施

3.1 钢轨磨耗整治措施

面对钢轨磨耗、钢轨波磨、钢轨踏面不平顺等问题，应提高钢轨材质，增加轨条抗磨性能;采用轮轨润滑，降低轮缘和钢轨轨距角接触部位的磨损，减少有害摩擦;适度增加轨底坡，可使轮轨接触点靠近轨头中央，减轻轨头上圆角的应力集中，减少钢轨侧磨;合理设置曲线超高，加强曲线的综合养护，控制线路质量使其经常处于完好状态，使磨耗影响最小化;在每条线路设置钢轨廓形检测点，每3个月进行一次廓形检测，根据钢轨廓形的磨耗量推测钢轨磨耗趋势，当磨耗量变化速率加快时，积极安排打磨车进行打磨，使轮轨关系保持一个较好的状态;让钢轨打磨专家针对不同钢轨病害进行打磨优先级的确认判断，指导钢轨打磨作业安排及个性化打磨程序的设计等，以提升钢轨打磨工作效果;积极与其他地铁保持联系，汲取先进技术和经验，争取早日寻求彻底解决钢轨磨耗导致噪音过大问题的办法和措施。

3.2 小半径曲线整治措施

若小半径曲线段出现行车噪声超限的问题则需从以下几个方面做出应对措施：提高小半径曲线线路维修标准，加大路线几何状态的检查力度，减小圆曲线连续差差值，保持钢轨轨头圆顺度;加强对小半径曲线区域的涂油养护管理，结合钢轨磨耗数据，合理安排涂油周期和涂油量，以达到减小磨耗量的最佳效果;定期对线路进行平稳性检测，了解线路噪声和行车稳定性的变化，根据检测数据曲线判定行车状态;实时检测打磨后钢轨廓形变化，根据廓形变化趋势判断是否需要在缓直点二次打磨;当列车经过小半径曲线段时应适当降低车速;积极与其他地区城市轨道交通行业保持联系，汲取先进技术和经验，降低列车通过曲线时的噪声，争取早日寻求彻底解决小半径曲线行车导致噪音过大问题的办法和措施，提高旅客乘坐的舒适度。

3.3 其他噪声整治措施

除了上述列举的针对钢轨磨耗和小半径曲线两种不良因素的整治措施外，还可以通过其他方式对噪声进行有效控制：

（1）车内措施：为提高玻璃隔声性能，窗缝的密封处理可用叠合玻璃和夹层玻璃的方式使噪声最小化，并将高铁列车车门的隔音技术运用到地铁列车上;通过对铝合金车体进行约束阻尼处理或自由阻尼处理，提高车体结构阻尼、抑制共振，达到减振降噪的目的;将列车内部的底板换成隔音材料并对其进行加厚处理，以减小车内辐射噪声等。

（2）车外措施：采用无缝长钢轨消除钢轨接头，可以有效减少列车车轮对钢轨接头撞击而产生的振动与噪声;提高轨道板及轨下基础的弹性，减少车辆振动带来的噪声;在轨道板上铺设吸音泡棉，将部分轮轨噪声吸收，降低附属建筑产生的二次结构物噪声。

4 结语

本文对广西某地城市轨道交通运行过程中存在的车内噪声过大的问题进行深入探究，经现场测试后进行分析，包括地铁噪声剖析、列车车厢内噪声测试、列车空调噪声测试、小半径曲线及钢轨磨耗对噪声的影响等，得到以下结论：

（1）当列车静止且空调系统关闭时，车厢内噪声值均处于60 dB以内，最大噪声声压级为58 dB;当列车静止同时空调系统运作时，车厢内噪声声压级在70 dB左右浮动，驾驶室内的声压级最大可达77 dB，车内噪声均符合规范要求。因此，空调系统并不是主要的噪声污染源。

（2）小半径曲线主要存在曲下股轨面部分波磨、曲上股轻微掉块等病害，遂对H—J曲线段进行钢轨打磨。钢轨内侧、顶面、外侧分别打磨0.3 mm、0.1 mm、0.1 mm，打磨后钢轨GQI指标平均为71.4分，较打磨前52.7提高了35.5%。轨面波磨基本消除，焊缝不平顺得到较大幅度缓解。

（3）试验路段全线噪声区间普遍在78～86 dB之间，仅在部分曲线段噪声较为突出。当曲线半径R≤400 m时，噪声峰值可达到94.3 dB。在钢轨打磨段，打磨前最大噪声声压级达94.3 dB，打磨后最大噪声声压级降至84.3 dB，其中J段线路打磨后噪声声压级低至规范限值以下，最低噪声声压级为82.3 dB。打磨钢轨后的轮轨噪声明显降低，证明了钢轨磨耗就是产生轮轨噪声的重要原因之一。

（4）通过对地铁某线路钢轨磨耗量和小半径曲线的实验测试与数据分析，判断出钢轨磨耗量和小半径曲线是产生轮轨噪声的重要原因。鉴于以上问题，提出了相应整治措施，为西南地区轨道交通后期运维及噪声治理问题提供理论基础，为整个城市轨道交通行业更上一层楼打下了坚实的基础。

[1]李克飞，王 进，石 熠，等.城市轨道交通轮轨噪声主动控制措施应用研究[J/OL].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？ doi=10.13238/j.issn.1004-2954.202008030001，2020-11-23.

[2]冯陈程.地铁列车车内异常噪声原因分析及控制措施研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[3]R.D.Batten et al.Field and theoretical investigation of the mechanism of corrugation wavelength fixation under speed variation[J].Wear，2010，271（1）：278-286.

[4]闫国军.铁路沿线居住小区噪声现状测量及治理对策[A].城市化进程中的建筑与城市物理环境：第十届全国建筑物理学术会议论文集[C].中国建筑学会建筑物理分会，2008.

[5]扈 凯.上海地铁九号线车内噪声品质分析及优化[D].上海：上海工程技术大学，2015.

[6]杨 易，金新阳，王敏远，等.深圳地铁环境噪声与声屏障降噪数值模拟研究[J].城市轨道交通研究，2010，13（2）：23-27.

[7]刘仁福，熊 亮，魏晓婷，等.广州地铁7号线列客室噪声分析与整治措施[J].城市轨道交通研究，2020，23（4）：19-23.

[8]GB/T 3449-2011，声学 轨道车辆内部噪声测量[S].

[9]GB 14892-2006，城市轨道交通列车噪声限值和测量方法[S].

[10]吴细水，刘丙强.《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》主要内容及特点[J].中国铁路，2012（5）：15-18.

[11]GB 50157-2003，地鐵设计规范[S].