王 帅
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)
摘 要：为研究城市轨道交通高架线两侧噪声传播特点与规律，探索声环境敏感点的降噪防治措施，以拟建成都地铁5号线工程为研究对象，选取适合的预测模式，确定出各个技术参数并模拟计算出噪声预测结果，通过类似既有上海轨道5号线工程的大量实测数据有效验证了预测结果的正确性和可靠性。在此基础上的研究结果表明：水平方向上桥梁两侧声影区内，噪声级随着距离增加而增强；而在声照区内，噪声级则随距离的增加而减弱。垂直方向上高架线噪声影响最严重区域为周边建筑物5层楼附近，因此要特别关注并加强该区域的降噪治理工作。
关键词：轨道交通；高架线；噪声；模式预测法；传播规律
随着我国城市轨道交通的飞速发展，其给人们带来方便快捷的同时也带来了噪声、振动等环境影响，尤其是通过城区及周边的高架线路。近些年来，一些城市轨道交通部分线路选择以高架桥方式敷设，因为相对于地下线路，高架线具有施工简单、风险低、对管线影响小、能耗相对较低并且投资省的优势[1]。但噪声影响问题也无疑成为建设高架轨道线路的障碍之一，通过模式预测与实测相结合的方式探索噪声沿不同水平距离、垂直高度的传播规律，对于有针对性地提出轨道交通高架线路的噪声防治措施具有重要意义。
1.1 城市轨道交通特点
以我国目前拟建城轨项目—成都地铁5号线为研究对象，工程北起新都区香城大道，南至天府新区回龙路，全长49.0 km，其中地下线42.25 km，高架线6.45 km，过渡段0.3 km；共设车站41座[2]。轨道交通以其鲜明的优势，在城市公共交通系统中逐渐占据了不可动摇的领先地位，具有运量大、速度快、舒适性佳、安全性高、能充分利用空间及节能减排等特点。轨道交通高架段列车声源位置相对较高[3-4]，其噪声传播持续时间短、噪声量大、传播面广，且具有暂时性和间歇性等特点。
1.2 噪声预测模式的确定
铁路噪声预测方法的选择应根据工程和噪声源的特点确定，目前以采用模式预测法和比例预测法两种方法为主。比例预测法以研究对象现场实测的噪声数据为基础[5-6]，根据工程前后声源的变化和不相干声源声能叠加的理论进行预测，虽然方法简单、预测结果可靠，但受较严格使用条件的限制，仅适用于既有线改、扩建项目，不适用于本次新建项目的研究。而模式预测法适用于所有项目，主要依据经验公式和声学理论计算方法预测噪声。拟建成都地铁5号线噪声影响主要来自轮轨噪声、空气动力学噪声、机电系统噪声及桥梁结构噪声[7]，当列车在高架桥上运行时，可近似当作成运动有限长线声源，在确定必要技术参数的基础上本次研究选用模式预测法进行噪声预测。
1.3 噪声预测模型
1.3.1 预测点的等效声级
任一预测点处的等效连续声级可按下式进行计算
(1)
式中，LAeq，p为评价时间内预测点的等效计权A声级，dB(A)。
(2)
式中，Lp，A为单独列车通过某预测点处的等效连续声级，可视为A计权声级或倍频带声级，dB(A)；Lp0，i为列车最大垂向指向性方向辐射的噪声源强，列车通过时段的参考点等效声级；m为列车通过列数；C为固定噪声源修正项，dB(A)。
1.3.2 预测点处的总等效声级
(3)
1.3.3 等效时间
城轨列车运营噪声的作用时间采用等效时间teq，i，可按下式进行计算
(4)
式中，li为第i类列车的列车长度，m；vi为第i类列车的运行速度，m/s；d为预测点到线路的距离，m。
1.3.4 列车噪声修正项
列车运行噪声的修正项Ct，i，按下式计算
(5)
式中，C t，v，i为城轨运营噪声速度修正，dB；Ct，θ为城轨运营时噪声垂直指向性修正，dB；Ct，t为线路和轨道结构对噪声影响的修正，dB；C t，d，i为城轨运营噪声几何发散式损失，dB；C t，a，i为城轨运营噪声的大气吸收，dB；C t，g，i为城轨运营噪声地面效应引起的声衰减，dB；C t，b， i 为城轨运营噪声屏障声绕射衰减，dB；Ct，h，i为城轨运营噪声遇城市建筑引起的衰减，dB；Cw为频率计权修正，dB。
2.1 源强确定
高架段列车源强采用相似车辆类比源强。在V=60～70 km/h，60 kg/m无缝长钢轨、整体道床、箱形梁条件下，噪声源强为84～88 dBA(距轨道中心线7.5 m，高于轨面1.5 m)。
2.2 线路技术条件
钢轨：采用60 kg/m U75V 无螺栓孔新钢轨，一次性铺设跨区间无缝线路。
道床：高架线地段采用短枕承轨台式整体道床。
扣件：高架线及出入段线采用YXD-3A型扣件。场段碎石道床采用弹条Ⅰ型扣件，整体道床采用DJK5-1型分开式扣件。
2.3 列车参数
根据工程运输组织资料，车辆选用B型车，车体长度21.0 m，最大宽度2.8 m，车辆高度3.81 m。车辆采用铝合金或不锈钢车体。
2.4 列车运行速度
列车设计速度目标值为80 km/h，最大运行速度为100 km/h；各预测区间实际列车运行速度按列车运行图确定。
2.5 列车对数
按近期大交路254对/d进行预测。
2.6 运营时间
列车每日运营时间为早6：00～晚24：00，共18 h。其中昼间运营16 h(6：00～22：00)；夜间运营2 h(22：00～24：00)。
值得注意的是：由于城市轨道交通夜间车流量相对较小，24∶00之后不再运营，若预测时还按传统铁路模式夜间运行时间8 h考虑，在该时间段上计算出的噪声能量平均声级，即等效连续A声级值会变得很低，夜间基本不会出现超标现象，显然不太合理。因此，应结合轨道交通夜间运行时段短、列车对数少的特点，将夜间运行时间调整为2 h进行预测，这样才能更好地反映轨道交通噪声影响程度。
3.1 水平方向不同距离受轨道噪声影响的规律
3.1.1 预测模型验证
以拟建成都地铁5号线高架段一侧某一衰减断面作为分析样本，在该断面上垂直且距桥梁外轨中心线10～200 m范围由远及近依次选定12个预测点，在不考虑背景噪声及声屏障的基础上，按列车正常运营时速80 km，运用上述理论预测模型和技术参数逐一计算出各个预测点的噪声值。而后选取与研究对象工程特点、线路技术条件、列车参数、运行车速、列车对数、桥梁高度等相类似的既有上海轨道5号线工程(类比情况对照详见表1)作为实测对象，同样在垂直且距桥梁外轨中心线10～200 m范围做衰减断面类比监测，得出与预测相对应12个点位的实测值[8]进行比较分析，以验证本次噪声理论计算结果的正确性。水平方向上噪声理论预测值与类比实际监测值结果对比见图1。
表1 类比工程噪声影响技术参数对照
技术类比条件拟建成都地铁5号线既有上海轨道5号线工程特点城市轨道交通,全长49km,其中高架桥6.45km城市轨道交通,全长17.21km,其中高架桥16.76km线路技术条件采用60kg/m无螺栓孔新钢轨,无缝线路;整体道床,分开式扣件采用60kg/m焊接长钢轨,无缝线路;整体道床,分开式扣件列车参数B型车,6辆编组(4动2拖)B型车,6辆编组(4动2拖)速度目标值80km/h80km/h列车对数254对/d276对/d研究区段桥梁高度12～14m12～14m桥梁结构箱形梁箱形梁
注：拟建成都地铁5号线与既有上海轨道5号线噪声影响技术类比条件基本相似，具有可比性
通过比较分析可以得出，在噪声水平传播方向上，本文理论预测结果与类比工程现场实测结果的总体趋势基本一致。图1中预测值与实测值之所以存在1～3 dB的差值，是由于本文预测值没有考虑叠加环境本底值影响所致。因此，通过比较验证说明本文所选取的噪声预测模型较为合理，在水平方向声环境影响预测上具有一定的可靠性与可行性。
图1 本文预测值与实测值对比(水平方向)
3.1.2 噪声影响传播规律
从图1可以看出，列车速度为80 km/h时，地面距外轨中心10 m处的预测等效连续A声级为67.1 dB，地面30 m处的等效连续A声级为68.3 dB，到60 m处增大到69.4 dB，而90 m处却衰减到64.9 dB，120 m处减小至61.8 dB。从预测结果的整个趋势可以看出，在地面距离外轨中心线水平10～60 m范围内，不同测点增幅为1 dB左右；而在60～120 m范围内，不同测点减幅为3～5 dB。类比工程既有上海轨道交通5号线的实测结果也与本次理论预测值的变化趋势相一致。
进一步分析可知，在靠近铁路高架桥两侧的预测断面上，列车辐射噪声传播规律是随着距离的增大而逐渐增高的，增幅较小。而当距离增加到60 m左右时噪声级达到顶峰，60 m以外噪声级则随着距离的增大而逐渐降低，且降幅相对较大。
根据声学传播特点，通常人们主观上认为声音会一直遵循着随着距离的增大而逐渐降低的衰减规律，这种规律往往忽视了声源垂直高度影响。城市轨道高架桥梁通常高度较高，声源高度达10～20 m，不同于普通低路基的是在靠近高架桥两侧会形成一定面积的声影区，而声影区的具体范围与高架桥梁的高度密切相关[9]。
通过理论研究及大量的实测数据表明，在桥梁两侧声影区范围内，噪声不遵循声音传播规律，而是随着距离的增加而逐渐增大。而当距离增大到超过声影区与声照区的过渡点时(位于声照区)，噪声则开始随着距离的增大而逐步降低，并且衰减量相对较大。本次预测研究对象成都地铁5号线高架桥高度为12.8 m，地面距轨道中心线30～60 m恰好处在声影区内，噪声呈现增大趋势；而地面距轨道中心线60～120 m处于声照区，噪声呈现衰减趋势。因此，本次研究对象距外轨水平地面60 m处噪声辐射声级达到最大。
通过对各地轨道交通经过市区段的调查统计结果可知，经过城市的轨道高架桥高度普遍都在12～13 m。由此可以推测在无其他条件影响的情况下，城区段受列车噪声影响最严重的地段也是地面距离外轨中心线60 m处的位置，而建筑物恰好建在60 m到80 m的范围居多。因此在对城区轨道交通噪声采取防治措施时要考虑并注意到这一点。
3.2 垂直方向不同高度受轨道噪声影响的规律
3.2.1 预测模型验证
为验证轨道交通沿垂直方向上理论预测结果的正确性，以拟建成都地铁5号线理论计算为基础，结合类比工程既有上海轨道交通5号线的实测值作为研究样本。预测与类比监测对象均选取距离高架桥水平距离38 m的一处高层住宅，周围有围墙，围墙外有绿化带环绕。选取的楼房一、二层均为商业或其他用途，3层以上为居民住宅。因此，本次研究采取由第3层开始至31层隔层预测与类比实测的方法，覆盖面较广，同时考虑周边绿化带与围墙的绕射衰减，得出距声源不同垂直高度处的等效连续A声级，其预测与类比实测结果见图2。
图2 本文预测值与实测值对比(垂直方向)
通过比较分析可以得出，在噪声垂直传播方向上，本文理论预测结果与类比工程现场实测结果的总体趋势基本一致。图中预测值与实测值之所以存在1～3 dB的差值，同样是由于本文预测值没有考虑叠加环境本底值影响所致。因此，说明本文所选取的噪声预测模型较为合理，在垂直方向声环境影响预测上具有一定的可靠性与可行性。
3.2.2 噪声影响传播规律
从图2数据分析可以得出，所预测高层建筑靠近声源一侧各个楼层等效声级均高于64 dB(A)，部分楼层甚至超过70 dB(A)。较低楼层噪声影响相对较大，5～15层(距离线路垂直距离为15～45 m左右)室外空间环境噪声值最大；而在17层以上(距离线路垂直距离50 m以上)，噪声等效声级随高度的增大而缓慢降低。类比工程既有上海轨道交通5号线实测值与本次理论预测值的变化趋势也基本吻合。
通过进一步研究可以看出，3层高度楼层噪声预测值约65 dB(A)，较上面楼层噪声级低5 dB(A)左右，最高噪声级则出现在建筑物5层附近。究其原因主要是因为轨道交通高架桥声源平均高度在13 m左右，敏感建筑1～3层还基本处于高架桥、行道树及围墙的“声影区” [10]。5层左右的高度恰好与高架桥轨面以上声源高度相持平，与运行列车的距离最近且声源远远高出了行道树、围墙等的阻隔，完全处于“声照区”范围内，所以噪声影响最为严重区域往往出现在高层建筑5层楼附近。因此对临铁路高架桥一侧的高层建筑一定要加强5层及周边楼层的降噪防治措施，最大程度控制轨道交通噪声对居民生活的干扰。
本文介绍了适合城市轨道交通高架线列车运营噪声的预测模式和方法，确定预测模型与技术参数，并经相类似工程的大量实测数据进行了验证。在所得预测及类比实测数据的基础上，进一步研究了列车运行声场随不同水平距离、不同垂直高度变化的传播分布规律，为轨道交通两侧声环境敏感点的噪声防治与治理提供了具有针对性的理论依据。
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WANG Shuai
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)
Abstract： In order to study the characteristics and laws of the noise on both sides of the elevated line of urban rail transit and explore prevention and control measures， the proposed urban rail project—Cheng Du Metro Line 5 is chosen as research object. Appropriate forecasting model is selected， various forecasting parameters are determined and the noise prediction results are simulated. A large number of data similar to Shang Hai Metro Line 5 effectively verify the accuracy and reliability of the simulated results. The research results show that in the horizontal direction and within the noise affected area， the noise level rises with the increase of the distance on both sides of the bridge. But in insonified zone， the noise level lowers with the increase of distance. In the vertical direction， the most serious noise area affected by the overhead line is located near 5th floor of adjacent buildings， where the noise prevention should to be reinforced．
Key words： Rail transit; Viaduct; Noise; Model prediction method; Propagation law
文章编号：1004-2954(2016)05-0152-04
收稿日期：2015-10-09； 修回日期：2015-10-26
作者简介：王 帅(1985—)，男，工程师，2007年毕业于兰州交通大学环境与市政学院环境工程专业，工学硕士，主要从事铁路噪声环境影响评价与环保设计工作，E-mail：rockshuai007@163.com。
中图分类号：U239.5；X820.3
文献标识码：A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.034
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