西成鐵路東平站大跨度橋梁半封閉聲屏障設計方案研究

朱瑋杰

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 環境與設備設計院，陜西 西安 710043）

1 概述

隨著我國城鎮化的迅速發展、“八縱八橫”鐵路網的快速推進及城市軌道交通的發展，新建線路與既有線路在城市建成區段的接軌需要以高架橋的形式實現，相應出現了左右線引入既有線、多線大跨度橋梁、多線變單線橋梁等復雜特殊結構橋梁形式。同時，我國軌道交通的經濟帶動作用明顯，車站的建成將使車站周邊快速建成諸多高層建筑，接軌的城市建成區大多數已劃定為1 類、2 類聲環境功能區[1-4]。為了滿足聲環境質量要求，需要采取針對性措施進行噪聲治理。

自我國首個全封閉式聲屏障建成以來，陸續在哈齊客運專線、深圳地鐵六號線等軌道交通項目中采用封閉式聲屏障技術，改變了原有僅采用直立式聲屏障輔以隔聲窗的噪聲治理措施，較立式聲屏障4～8 dB的降噪效果提高至15 dB以上[5-11]，有效降低了軌道交通噪聲的影響，保證了當地聲環境質量現狀達標。目前封閉式聲屏障設置位置主要為單線橋或雙線橋，橋梁及聲屏障跨度相對較小，尚未在高架橋站區設置封閉式聲屏障，不涉及站區渡線及信號設備避讓問題，亦尚未出現多線橋至單線橋過渡段設置封閉式聲屏障的案例。

根據環評批復要求，西寧至成都鐵路(以下簡稱“西成鐵路”)在東平站設置半封閉聲屏障1 處，該站位于海東鐵路樞紐中，承擔西成鐵路接入蘭新高速鐵路和擬建曹家堡綜合交通樞紐前的待避功能，為三線橋站，橋高約15～40 m，跨度20.3 m，出站后三線橋過渡為2 個單線橋引入既有蘭新高速鐵路海東西站，聲屏障設置段落包括三線橋段和單線橋段。東平站段線路與既有平阿高速公路并行，根據青海省聲環境功能區劃，該段為1類聲功能區，涉及6～20層高層小區噪聲敏感點5處、學校和醫院等特殊噪聲敏感點3處，需采用封閉式聲屏障滿足噪聲治理要求。為此，進一步比選設計總體方案以確定最優方案，從結構和運營安全角度考慮開展防腐、防雷設計，針對極端天氣和跨越立交段開展防風、防雪、保溫、排水等輔助設計。

2 設計方案研究

2.1 梁部結構方案比選

目前國內尚無大跨度橋梁設置封閉式聲屏障的工程案例，在設計方案研究階段，為減少封閉式聲屏障結構的設置高度和跨度，從梁部結構方案角度比選了U 型梁方案、箱梁單線+雙線橋方案，以及箱梁一幅三線橋方案。

U 型梁自身結構形式對輪軌噪聲有一定的遮蔽效應[12]，可充分利用橋梁結構降低聲屏障高度，繼而降低聲屏障設計難度，但目前國內軌道交通U型梁設計實踐均集中在單雙線，東平站大小里程兩側咽喉區道岔渡線集中，三線道岔區U型梁設計困難且施工難度大，質量難控制，若采取U 型梁“單線+雙線”并列布置，在滿足曲線段超高要求的前提下將導致腹板布置空間局促，難以滿足大型機械養護要求。

根據環評要求，為實現降噪效果，需封閉橋梁右側兩線，目前雙線封閉式聲屏障設計已有工程實例可供參考，通過車站來優化線間距布置，橋梁采用“單線+雙線”并置，聲屏障設置可在雙線梁上，減小聲屏障設置跨度。因此，對一副三線橋和“單線+雙線”并置方案進行了研究，東平站兩側咽喉區道岔渡線集中，采用“單線+雙線”布置則單線預架梁施工困難且預架梁孔數相對較少，道岔區受渡線影響仍需設置三線結構，而一副三線橋方案考慮結構設計整體剛度好、結構對稱且施工相對方便，推薦一幅三線橋方案。

2.2 聲屏障形式選擇

封閉式聲屏障結構形式主要為門形和拱形，雖然拱形封閉式聲屏障在景觀效果、抗風、抗雪、雨水排放等方面表現較好，但從設計、施工、運維、造價等多角度考慮，門形封閉式聲屏障具有柱腳底板尺寸小、對橋面系及四電專業影響小、型鋼加工和安裝方便、不需單獨搭建安裝平臺、運營維護不需單獨配置檢修通道或檢修車、單位造價和維護成本低等優點。此外，從安全角度考慮，外覆式聲屏障較插入式聲屏障可避免因單元板插入深度不足導致單元板松脫或竄出的安全隱患問題，而且在三線橋聲屏障過渡到單線橋聲屏障區段，可利用外敷式聲屏障的結構層尺寸變化，使聲屏障板材順接，避免出現漏聲現象。因此，工程采取門形外敷式半封閉聲屏障形式。

2.3 聲屏障結構設計方案確定

從聲屏障結構考慮，對一幅三線橋全框架中間不設柱、一幅三線橋全框架中間設柱、一幅三線橋包雙線3個結構設計方案進行了比選(詳見表1)，雖然一幅三線橋包雙線方案可減小聲屏障跨度，但受站區渡線影響，在咽喉區仍會出現聲屏障結構覆蓋全部三線橋的段落，并且該方案需在股道中間設立基礎，聲屏障立柱易與轉轍機位置發生沖突，增加現場安裝困難，同時對鐵路的運營和維護有一定影響。因此，聲屏障結構形式考慮全框架聲屏障設計方案，其中一幅三線橋全框架中間不設柱方案較一幅三線橋全框架中間設柱方案，增大了結構的跨越能力，結構內部空間較大，對聲屏障的施工安裝干擾小，便于后期工務的檢修，但缺點是大跨度的剛度較差，需要加大鋼結構載面尺寸和一些構造措施來滿足結構要求，并需要進行結構驗算。

表1 方案比選

2.4 聲屏障結構驗算

目前國內尚無三線橋大跨度聲屏障工程案例，為保證本工程滿足規范要求，采用軟件建立計算模型，主結構立柱和橫梁采用型鋼，型鋼尺寸為截面高度390 mm、截面寬度300 mm、腹板厚度10 mm、翼緣厚度16 mm；檁條采用C 型檁條，檁條尺寸為截面高度180 mm、截面寬度170 mm、卷邊寬度20 mm、厚度3 mm；材料為Q355D 型鋼，支撐立柱柱腳按固接形式建立，建立模型如圖1所示。

圖1 聲屏障計算模型建立

通過對模型輸入恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、列車氣動荷載、接觸網荷載、地震荷載等一系列荷載參數，確定單項反力和組合反力結果，在標準組合包絡條件下，驗證聲屏障頂柱最大位移、鋼梁最大擾度及最大應力比均滿足規范要求。同時，對柱腳節點進行驗算，單個螺栓抗拉承載力，按 15%～20%的富余量考慮，根據計算結果得出立柱錨固螺栓及底板下混凝土壓應力也均滿足規范要求。通過建模驗證，三線大跨度橋梁(中間不設柱)半封閉聲屏障設計方案可行。

2.5 聲屏障結構降噪目標

為滿足環評批復要求，外覆式聲屏障要求降噪系數≥0.7，隔聲量≥30 dB。根據環評預測結果(見表2)，基于一層、五層、十層、十五層和十八層，分別對鐵路運營后的噪聲超標量進行了預測，再結合聲屏障措施采納之后確定了預測值，達到理想的降噪效果。

表2 半封閉聲屏障聲學預測 dB

3 聲屏障主體結構設計

3.1 設計要求及設計參數

（1）聲屏障結構安全等級一級，主體結構設計使用年限100年，螺栓設計使用壽命均為50年，聲屏障吸隔聲材料設計使用壽命為25年，金屬部件的防腐年限不小于25年。

（2）荷載情況?；撅L壓為0.50 kN/m2(重現期100年)，地面粗糙度B類，屋面活荷載為0.50 kN/m2，列車氣動風壓為0.32 kN/m2，風壓高度變化系數μz、陣風系數βgz按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)取值，三線橋全框架半封閉聲屏障μz取值為1.47、陣風系數βgz取為1.58，單線全框架半封閉聲屏障μz取值為1.62、陣風系數βgz取為1.55?；狙簽?.25 kN/m2(重現期100 年)，建筑結構的安全等級二級，結構的重要性系數1.0，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.1 g，建筑場地類別為II類，場地特征周期0.35 s。

3.2 聲屏障結構形式

全框架半封閉聲屏障結構形式采用門式框架，三線橋全框架半封閉聲屏障立柱均采用型鋼，型鋼尺寸為截面高度390 mm、截面寬度300 mm、腹板厚度10 mm、翼緣厚度16 mm，間距2 m。橋梁邊墻內側接觸網立柱與聲屏障立柱合并；三線橋全框架聲屏障基礎與橋梁邊墻用8根M30的高強螺栓連接。單線橋全框架半封閉聲屏障立柱采用型鋼，型鋼尺寸為截面高度250 mm、截面寬度250 mm、腹板厚度9 mm、翼緣厚度14 mm，間距2 m。接觸網立柱與聲屏障立柱合建。聲屏障基礎與橋梁邊墻用6根M27高強螺栓連接。聲屏障立柱基礎按設計要求在現場預埋在邊墻內。三線橋半封閉聲屏障和單線橋半封閉聲屏障剖面如圖2和圖3所示。

圖2 三線橋半封閉聲屏障剖面

圖3 單線橋半封閉聲屏障剖面

3.3 材料材質選擇和確定

屋面材料選擇外敷式，從下往上共7 層，依次為穿孔底板、內防水層、吸音層、外防水層、面板、隔聲板龍骨(含鋁合金夾具)和隔聲板。

（1）穿孔底板。1 mm厚穿孔壓型鋁錳鎂合金板，防腐為正面PVDF兩涂兩烤預輥涂烤漆面板(氟碳樹脂含量不低于70%)，烤漆干膜厚度≥25 μm。板厚1 mm，肋高28 mm，肋間距205 mm，有效寬度為820 mm，穿孔率23%，孔徑3 mm?；模呵姸取?15 MPa；抗拉強度145～195 MPa；鋁板基材符合《一般工業用鋁合金板、帶材》(GB/T 3880—2012)，防腐涂層符合《建筑用鋁型材、鋁板氟碳涂層》(JG/T 133—2000)。

（2）內防水層。內防水層采用的透汽膜材料物理性能指標應符合《透汽防水墊層》(JC/T 2291)的相關規定，并選用 Ⅱ 型，其規格不應低于50 g/m2。

（3）吸聲層。吸聲材料的燃燒性能為A級，采用離心環保玻璃棉，密度32 kg/m3，厚度為100 mm；符合《建筑絕熱用玻璃棉制品》(GB/T 17795—2008)規定，纖維直徑≤8.0 μm，渣球含量(粒徑大于0.25mm)≤0.3%，密度偏差≤15%，燃燒性能A 級不燃。降噪系數≥0.8。

（4）外防水層。鋪設在聲屏障內隔聲板的內側，具有擋水、透汽功能，可將外界水與空氣氣流阻擋在聲屏障吸聲層外部，同時能將外覆式聲屏障系統吸聲層中的潮氣排出。外防水層采用的透汽膜材料物理性能指標應符合《透汽防水墊層》(JC/T 2291)的相關規定，并選用 Ⅱ 型，其規格不應低于50 g/m2。

（5）面板。采用金屬直立鎖邊板，其板寬為400 mm，直立肋高65 mm。板材采用1.0 mm 厚鋁鎂錳板材。正面采用兩涂兩烤預輥涂烤漆面板，正面漆膜厚度≥25 μm。免維護使用年限達到40年。板型需帶有3條與板肋平行通長波紋，起加強作用，避免出現卷曲現象。采用直立鎖邊方式。鎖邊立縫的開口方向應視屋面的排水方向鎖定，需向下并朝雙曲面面板的下坡方向，避免雨水進入。

（6）隔聲板龍骨。采用Q235B鍍鋅方鋼。

（7）隔聲板。隔聲板材采用3 mm 厚鋁錳合金單板，板材上不能出現弧狀彎曲、凹痕、鑄板凹陷、下陷、外彎、波痕、翹曲、突變或其他可見變形情況。板材表面需進行氟碳樹脂噴涂處理，氟碳樹脂含量不應低于70%，表面氟碳樹脂涂層厚度≥40 μm，且需經過至少三涂三烤工藝，背面無涂層。鋁合金板材屈服強度≥115 MPa；抗拉強度145～195 MPa；鋁板基材符合《一般工業用鋁合金板、帶材》(GB/T 3880—2012)，防腐涂層符合《建筑用鋁型材、鋁板氟碳涂層》(JG/T 133—2000)。

4 聲屏障輔助設計

該段聲屏障工程位于海東市平安區，年最低氣溫較低，風速較大，從結構和運營安全、應對極端天氣和保證跨越立交段安全等角度出發，聲屏障的輔助設計重點解決防腐、防雷、防風、排水和防雪等問題。

4.1 防腐設計

所有外露及隱蔽的鋼構件(除不銹鋼材質外)必須進行防腐處理，防腐處理前應對鋼材除銹，除銹等級應達到Sa3 級。外露的系桿、斜支撐、檁條及型鋼立柱均采用熱浸鍍鋅。所有外露螺栓、螺母防腐應采用多元合金共滲+鋅鉻涂層+封閉層，防腐年限不小于25年。接合部的外露部位和緊固件，工地焊接區及經常碰撞脫落油漆部位在構件安裝后需補涂防腐底漆1道。埋入混凝土的鋼構件、高強螺栓連接摩擦面、構件剖口部位不得刷油漆或油污。

4.2 防雷設計

將外覆式聲屏障3 mm厚鋁制隔聲板作為接閃器，避雷引下點以不大于10 m×10 m的網格分布，在每個防雷引下點位置，通過鍍鋅鋼板連接件作為引下線，將電流引至主鋼結構與接地點，形成避雷體系。電流傳遞方式：雷電→鋁隔聲板→隔聲板龍骨→板肋固定夾→全咬合高強板→固定支座→鍍鋅鋼板引下線→屋面檁條→主鋼結構→接地點。

4.3 防風設計

選用高品質固定座及固定螺釘，保證屋面板與固定座、固定座與檁條的可靠連接，在檐口位置增設抗風扣件，對檐口位置進行加強。外覆式聲屏障系統施工前應由專業的檢測機構進行抗風揭試驗，抗風揭試驗試件需與實際工程中一致。

4.4 排水與防雪設計

聲屏障帽檐或邊緣采用排水引流措施，聲屏障頂部橫向排水采用檁托起坡，聲屏障頂部排水坡度采用5‰，避免聲屏障邊緣滴水結冰或形成連續水流引起接觸網故障?？缭焦?、市政道路等處外覆吸聲板底部設置集水溝，溝內沿縱向設3‰的排水坡度，同時采用電伴熱防止集水溝底部出現冰凌現象，聲屏障外部增加2 道碎雪裝置，位于屋面檁條處沿線路方向每隔250 mm設置。

5 結論

（1）西成鐵路東平站工程方案復雜，噪聲敏感點受既有高速公路影響，聲環境質量現狀超標，列車運營將加劇對周邊環境的噪聲影響，環評批復要求采用半封閉聲屏障降低噪聲影響。設計階段從降噪效果、方案可實施性、結構安全性及運營維護等方面進行綜合比選，最終采用三線大跨度橋梁半封閉聲屏障，將隨西成鐵路開通運營同步投入使用。

（2）該聲屏障采用的20.3 m大跨度橋梁封閉式聲屏障國內尚無應用案例，聲屏障主體結構設計需要處理好站場、軌道、橋梁、接觸網等專業之間的銜接，滿足相關專業的要求；同時，必須檢算結構的整體穩定性以保證結構安全。施工過程中，還需高度關注預埋螺栓精度、現場加工焊接質量，以及安裝、施工工藝、施工組織等環節。

（3）隨著國家環境保護要求的不斷提高，未來可能會有越來越多的鐵路項目采取封閉式聲屏障措施以實現降噪效果。本次三線大跨度橋梁半封閉聲屏障的設計，為后續鐵路項目類似封閉式聲屏障設計積累了經驗，對于鐵路噪聲防治技術的發展具有積極意義。