高架橋軌道減振措施的降噪效果量化分析

尹華拓

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高架橋軌道減振措施的降噪效果量化分析

尹華拓

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010）

總結地鐵高架敷設方式及噪聲控制技術發展歷程，對橋梁噪聲進行合理的簡化分析與拆解，調研部分軌道減振措施對橋梁二次結構噪聲的抑制效果，在此基礎上量化分析軌道減振對綜合降噪效果的規律，與以往工程中的定性做法相比，實用且有一定的創新和突破，可為今后其他實際工程高架橋綜合噪聲控制提供借鑒。

地鐵；高架；軌道；振動；噪聲

1 高架敷設方式及噪聲控制技術發展概要

城市軌道交通高架敷設方式起步于2002—2003年前后開通的北京地鐵13號線及上海地鐵3號線，其后幾年高架敷設方式逐漸增多，噪聲敏感段主要采取了聲屏障措施，但很多高架線路開通運營后即使安裝了聲屏障的地段也會出現噪聲投訴現象，噪聲成為高架敷設方式的主要制約因素[1]。

較早的高架橋地段并未考慮橋梁二次結構噪聲的影響，2008年發布的《環境影響評價技術導則城市軌道交通》（HJ 453—2008）將高架線噪聲簡化為單一聲源，忽略了不同噪聲源的發生部位、量值大小、頻譜特性及修正因子[2]，未考慮橋梁二次結構噪聲的影響。

北京地鐵13號線運營后在個別高架橋段增設了落地式隔聲屏（見圖1），以降低橋梁二次結構噪聲的影響，加裝落地式隔聲屏后，敏感點的列車通過時段噪聲降低了14.5 dB，說明橋梁二次結構噪聲影響顯著[3]。

隨后，上海率先針對高架噪聲開展了相關研究，并在2007年貫通運營的上海4號線高架鋼橋首先采用了鋼彈簧浮置板作為橋梁二次結構噪聲的控制措施，取得良好效果。在后續建設中，上海地鐵在高架噪聲敏感地段均采用了鋼彈簧浮置板或預制縱梁式軌枕等軌道減振措施來配合聲屏障作為噪聲控制手段。

圖1 北京13號線運營后追加的落地式隔聲屏

近年來，隨著城市軌道交通的不斷建設，采用高架敷設方式的線路也越來越多，為降低噪聲影響，廣州、鄭州、寧波等城市也開展了高架橋噪聲綜合控制方面的探索和研究[4]，但高架橋二次結構噪聲量值及其對總噪聲級的貢獻與線路、輪軌、橋梁結構等諸多因素有關，精準測試或理論計算預測均較難實現。故目前各地通行的做法是定性采取軌道減振措施配合聲屏障降噪。

定性措施可能過度、也可能不足，存在一定的盲目性。在目前的技術及應用狀況下，可將復雜問題簡單化處理，基本的技術路線如下：

1）通過大量測試及分析，取得高架橋噪聲主要組成和比例，進一步分析得到二次結構噪聲的量值及對總噪聲級占比規律。

2）以同樣的方法獲得不同軌道減振措施的降噪效果實測統計數據。

3）通過公式或仿真軟件進行軌道減振措施降噪效果的量化分析。

2 高架橋二次結構噪聲分析與拆解

軌道交通高架橋噪聲源包括輪軌噪聲、車輛動力噪聲、集電系統噪聲、空氣動力噪聲以及橋梁二次結構噪聲等，對速度≤120 km/h的城市軌道交通而言，車輛動力噪聲、集電系統噪聲及空氣動力噪聲對高架橋總噪聲級的貢獻很小，高架橋主要噪聲由輪軌噪聲和二次結構噪聲組成，其中二次結構噪聲包括軌道和橋梁，以橋梁為主（見圖2）。輪軌噪聲產生于梁面以上輪軌接觸部位，主要頻率范圍為400～1 000 Hz；橋梁二次結構噪聲在橋梁面板、腹板、底板及護欄等部位均會產生，主要頻率范圍為40～200 Hz[5]。

通過以下兩種方式將橋梁二次結構噪聲從總噪聲中拆解出來：

1）分別測試線路平面及縱斷面、軌道結構及狀態、列車運行工況及背景噪聲等相同的地面線及高架橋的列車通過時段噪聲值，高架橋總噪聲“減去”地面線總噪聲的“剩余噪聲”則可基本認為是橋梁二次結構噪聲。

圖2 城市軌道交通高架橋主要噪聲源及產生部位

圖3 地鐵高架噪聲典型頻譜曲線（北京13號線）

2）在高架橋梁體四周及同一斷面與線路一定距離（如7.5 m、15 m、30 m）及高度（如1.5 m、10 m、20 m）的位置同步測試列車通過時段的噪聲，然后借助噪聲分析軟件反推，即可求得橋梁二次結構噪聲。

借助上述方法，對北京、上海、廣州、西安、寧波等城市軌道交通工程中常規的混凝土梁橋進行了大量噪聲測試，經過統計分析可知，列車通過時段高架橋平均總噪聲級為82～87 dB，實際上主要由兩部分組成：其中從橋梁面以上向外輻射的噪聲包括輪軌噪聲及部分橋梁二次結構噪聲，噪聲分量平均為80～86 dB；從橋梁面以下向外輻射的噪聲主要為橋梁二次結構噪聲，噪聲分量平均為70～80 dB，計算公式為

其中，L總為總噪聲源強，dB；L為不同部位的噪聲源強，dB；為噪聲傳遞修正項，dB，不同噪聲源的修正項各不相同。

通過這種方法拆分得到的梁面以上噪聲（輪軌噪聲及部分橋梁二次結構噪聲）及梁面以下噪聲（橋梁二次結構噪聲）來進行具體敏感點的噪聲影響分析預測，有望比現有環評導則中單一線聲源的方法取得更準確的結果。將地鐵高架橋噪聲劃分為梁面以上及以下兩部分，主要是考慮到兩部分噪聲的控制措施不同：梁面以上噪聲主要通過隔聲及吸聲措施來控制，梁面以下噪聲主要通過軌道減振及梁型優化來控制。橋梁類型、線路條件及輪軌狀態的差異會使這兩個噪聲分量的量值及頻譜有所不同，比如像鋼橋的二次結構噪聲可能超過輪軌噪聲；此外，一些高架橋減振降噪措施實測未達到設計期望，設置的聲屏障或軌道減振措施并未使敏感點接收到的綜合噪聲有效降低，原因之一就在于針對梁面以上或梁面以下噪聲的控制措施并不匹配，單純偏重于降低其中1個噪聲源強而忽視了另一個噪聲源強的控制，對二者疊加總噪聲值的貢獻較小。

3 高架橋軌道減振措施應用及降噪效果

軌道減振一般分為中等減振、高等減振及特殊減振等3級，中等減振主要包括各類減振扣件（見圖4），高等減振包括減振墊浮置板、預制縱梁式軌枕（見圖5）及中檔鋼彈簧浮置板（見圖6）等，特殊減振主要是高檔鋼彈簧浮置板（見圖7）。這些減振措施各有一定的技術特點和適用性，在各城市軌道交通高架橋上均有應用，也積累了一些降噪效果實測數據（見表1）。

圖4 各類減振扣件

圖5 預制縱梁式軌枕

圖6 減振墊浮置板

圖7 鋼彈簧浮置板

表1 高架橋不同等級減振措施及主要技術指標

Tab.1 Different grade vibration damping measures and their main technical indexes for viaducts

定性分析，由于橋梁二次結構噪聲的主要頻率范圍為40～2 000 Hz，故固有頻率越低的軌道減振系統，對橋梁二次結構噪聲的抑制效果越好，但降噪效果越好的減振措施，其要求的最小軌道結構高度及軌道自重也越大。減振扣件及預制縱梁式軌枕軌道結構高度及自重可與普通軌道一致，但浮置板類的軌道結構高度及自重均需在普通軌道基礎上增加較多，在應用上會受到一定的制約。

3.1 減振扣件

減振扣件降低了鋼軌支承剛度，從而減緩輪軌沖擊振動并使輪軌作用力更為分散和均勻，從而減少橋梁梁體的振動并降低橋梁二次結構噪聲。因減振扣件輪軌系統的固有頻率相對較高，故其理論上降低橋梁二次結構噪聲的效果較為有限。

減振扣件在北京、上海、南京等多地城市軌道交通高架橋建設中均有應用，但系統性的降噪效果對比測試研究不多。

2013年上海地鐵張江實訓線曾對一種新型分體嵌套式減振扣件進行了在線實測，該扣件靜剛度約15 kN/mm，測得梁面Z振級減振效果6～7 dB，梁底降噪效果2.8 dB，有效降噪頻段為60～600 Hz（見圖8），梁底噪聲主要為橋梁二次結構噪聲[6]，這一測試結果對減振扣件較有代表性。

2014年，廣州地鐵4號線對黃閣汽車城—黃閣區間設有直立式聲屏障的情況下，換鋪浮軌式扣件后距離線路15 m、高1.5 m處降噪效果達到4.3 dB[7]，浮軌扣件比一般的減振扣件剛度更低，減振效果及相應降低橋梁二次結構噪聲的效果相對更好。

圖8 某減振扣件降噪效果頻譜曲線

值得注意的是，近年來各類減振扣件鋪設地段出現了較多的鋼軌波磨及嘯叫噪聲病害，故應用范圍不斷縮小，新線高架橋基本不再采用。

3.2 預制縱梁式軌枕

預制縱梁式軌枕的主體結構是由一對預制預應力混凝土縱梁及數根橫向鋼梁組成的框架結構，縱梁底部均勻設置減振墊，側面設緩沖墊，這種減振軌道有三重減振原理：一是高精度預制框架可保證鋪設后的軌道高平順性，從而降低輪軌振動及噪聲源強；二是預應力混凝土縱梁可沿線路方向將輪軌作用力的分布范圍擴大一倍，從而將基底動應力幅值降低50%，可有效降低振動水平；三是縱梁與減振墊組成質量彈簧系統，有載固有頻率約20 Hz，可有效抑制峰值頻率在60 Hz左右的地鐵運行引起的振動。

如圖9所示為某線路預制縱梁式軌枕與普通軌道在鋼軌垂向振動加速度及橋旁噪聲頻譜曲線的典型對比，可以看出：該減振軌道鋼軌在各個頻段的振動幅值都低于普通軌道，這是高精度軌道平順性的體現；該減振軌道的降噪效果體現在80 Hz及630 Hz左右2個頻段，分別對應橋梁二次結構噪聲及輪軌噪聲。

圖9 某預制縱梁式軌枕與普通軌道振動及噪聲對比頻譜曲線

根據預制縱梁式軌枕在多個地鐵高架橋鋪設段的實測統計，其針對橋梁二次結構噪聲的降噪效果為8～10 dB。

3.3 減振墊浮置板

減振墊浮置板主要由鋼筋混凝土道床及下部減振墊與側面緩沖墊組成，高架橋鋪設通常還需設限位結構。減振墊浮置板主要通過質量彈簧系統吸收輪軌振動能量，受減振墊材料性能限制，其固有頻率最低只可做到10～15 Hz，對抑制橋梁振動及二次結構噪聲具有較好的效果。

根據杭州某高架線開通前軌道牽引車40 km/h條件下的測試（見圖10），減振墊浮置板相對于普通軌道的（梁底）二次結構噪聲降低值為8～10 dB[8]。

圖10 某梁底減振墊浮置板及普通軌道噪聲頻譜曲線

3.4 鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板可利用鋼彈簧材料強度高、抗變形能力強的優勢，將鋼彈簧隔振器的剛度及浮置板的固有頻率設計得相對較低，固有頻率約6～10 Hz。

如圖11所示，為上海某高架線鋼橋鋪設的鋼彈簧浮置板與鋪設了普通軌道的鋼橋下的噪聲實測對比，可知鋼彈簧浮置板在≥40 Hz頻段均有良好的降噪效果，對鋼橋總噪聲級控制效果可達到將近18 dB[9]。

圖11 鋼梁下鋼彈簧浮置板與普通軌道噪聲頻譜曲線

無論是減振墊浮置板還是鋼彈簧浮置板，因其支承剛度較低，在列車荷載作用下，浮置板彎矩較大，故配筋量較大，浮置板只能采用短軌枕（見圖12），這加大了浮置板軌道幾何狀態的施工控制難度，尤其是曲線地段，故浮置板應用在橋上時，需采取綜合措施確保鋪軌精度及質量。部分地鐵工程也開始研究試鋪預制浮置板來解決這一問題，但也相應地帶來了運輸吊裝困難、造價進一步增加等問題。

圖12 鋼彈簧浮置板鋼筋籠

4 軌道減振措施的降噪效果量化分析

作為高架橋針對梁面以上噪聲所采取的主要控制措施，聲屏障的降噪效果已有定論，基本上直立聲屏障及半封閉聲屏障的降噪效果分別約為8 dB及14 dB，則根據上文分析的噪聲分源源強分析方法、分源噪聲傳遞計算公式以及搜集的軌道減振措施對橋梁二次結構噪聲的降噪效果，即可針對具體工點的噪聲敏感點開展相對環評導則而言更為精準的量化計算分析。

大量測試結果統計表明，一般的鋼筋混凝土梁橋地段，梁面以上噪聲聲級比梁面以下噪聲大6～10 dB，鋼橋的梁面以下噪聲則可能與梁面以上噪聲持平，由于2個噪聲的疊加是按對數進行疊加計算的，所以梁面以上噪聲與梁面以下噪聲的大小差值不同，會影響軌道減振措施對綜合降噪的必要性及實際貢獻[10]。

表2為某典型計算案例，該工點經過分析拆解的梁面以上、梁面以下噪聲源分別為84.5 dB、75.5 dB，前者比后者大9 dB，從該表可看出很多有價值的規律：

表2 梁面以上隔聲措施與軌道減振疊加降噪效果

1）量化證明了軌道減振措施配合聲屏障進行綜合降噪的必要性。假若僅采取聲屏障措施，而不采取軌道減振措施，則直立聲屏障及半封閉聲屏障的實際降噪效果分別僅達到6 dB、8.3 dB；若軌道系統配合采取預制縱梁式軌枕等減振措施，則直立聲屏障及半封閉聲屏障的實際降噪效果分別可以達到8 dB、12.7 dB；若軌道采取鋼彈簧浮置板減振措施，則疊加降噪效果還有進一步提升的空間。

2）軌道減振措施配合降噪的實際效果有賴于梁面以下噪聲與梁面以上噪聲的差值。當梁面以下噪聲值越接近梁面以上噪聲，采取軌道減振措施的綜合降噪效果越好；當梁面以下噪聲值低于梁面以上噪聲較多時，采取軌道減振措施對綜合降噪效果的貢獻越小。

3）單純的軌道減振措施的綜合降噪效果較為有限。當梁面以下噪聲值低于梁面以上噪聲值較多時，如果不采取聲屏障等隔聲措施降低梁面以上噪聲，而是僅采取軌道減振措施降低梁面以下噪聲，則對綜合噪聲的控制幾乎沒有效果。

4）軌道減振措施的等級與隔聲措施的等級需合理匹配。當梁面以上采取半封閉聲屏障時，軌道減振采取鋼彈簧浮置板的綜合降噪效果最好，這說明當梁面以上采取的隔聲措施越強，則采取的軌道減振措施等級也需要相應提高，具體的匹配需跟進梁面以上噪聲及梁面以下噪聲的差值經過計算加以確定。

5）并非所有噪聲敏感地段都需要采取軌道減振措施來配合降噪。當梁面以下噪聲值低于梁面以上噪聲值較多、且敏感點噪聲超標量相對較小時，采取直立聲屏障措施雖然效果有一定的折減（見表2），但也足以滿足噪聲控制的需求，這種情況下就無需采取軌道減振措施。

5 結語

隨著各大城市中心城區地鐵線網的逐步建成，未來郊區線路采用快速、高架敷設方式的線路會更多，高架橋綜合降噪的需求及必要性也會隨之增大。本文將地鐵高架橋噪聲簡化拆分為梁面以上噪聲及梁面以下噪聲兩個聲源，同時調研分析了軌道減振措施對橋梁二次結構噪聲的降噪效果，在此基礎上開展了軌道減振配合聲屏障進行綜合降噪的效果及規律量化分析，與現有環評導則噪聲影響預測僅將地鐵高架橋噪聲源單一化處理且未明確規定采取軌道減振措施配合降噪的做法相比，有一定的創新和突破。與目前我國高鐵領域正在探索的噪聲源精確識別方法相比，本文提出的這套方法的分析精度略有不足，但分析效率較高，方便工程應用，隨著不同工況條件下的實測數據與經驗積累越來越多，針對分析模型的參數不斷優化和細化，分析精度也將越來越高。這一整套分析方法已在廣州地鐵14號線的設計中得到初步應用。

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（編輯：曹雪明）

Quantitative Analysis of Noise Reduction Effect of Elevated Vibration Damping Track

YIN Huatuo

(Guangzhou Metro Design Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010)

This paper summarizes the subway viaduct and its noise controlling technology development history; dismantles and simplifies the secondary structural noise of viaducts reasonably; and surveys noise reduction effects of elevated vibration damping tracks. On this basis, a quantitative analysis of the contribution of a vibration damping track on the comprehensive effect of noise reduction is conducted. Compared to the existing qualitative practice, the new method is practical, includes certain innovations and breakthroughs, and can provide guidance for comprehensive noise control for viaducts in the future.

urban rail transit; viaduct; track; vibration; noise

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.010

U239

A

1672-6073(2018)04-0045-06

2018-01-02

2018-02-11

尹華拓，男，工學碩士，工程師，從事軌道結構設計和研究工作，yinhuatuo@dtsjy.com