北京地铁八通线为城市居民出行提供了极大的方便,也带来了振动和噪声 问题 。车辆在传统的地铁轨道结构体系上运行,会对附近地面建筑物产生振动和噪声 影响 。一部分振动和噪声是由于轨道不平顺导致轮轨撞击而产生的,这种噪声通过空气介质传播到建筑物,称为一次噪声;由于轮轨撞击引起高架桥振动而产生的噪声称为二次噪声。振动通过轨道结构—道床—(高架桥桥墩—地基) —地基传到建筑物上,再通过建筑物结构本身的耦合放大而激发出楼板的低频振动,振动源中没有衰减掉的低频成分(20～500 Hz) 则通过墙壁和底板激发出固体声(二次噪声) 。
对城市轨道交通振动和噪音必须标本兼治,有针对性地采取减振降噪措施,确保在线路开通后取得良好的环境效益。
1 轨道结构设计
城市轨道交通产生振动和噪音的根源在于轮轨关系,因此必须改善轮轨关系,减少振动和噪声。
1.1 钢轨选择
钢轨的选择应保证轨道具有良好的动力响应特性和稳定性,在长期运营中保持良好的平顺性,养护维修量少,使用寿命长。材质强韧性差的钢轨经列车长期运营碾压后,其轨顶面将产生塑性流变而剥离掉块或出现波形磨耗,导致轨顶面不平顺。一些 工业 发达国家把60 kg/m 钢轨作为主要轨型,材料采用优质钢种, 以提高其强韧性,减少运营过程中出现的轨面不平顺。采用重型钢轨对降低噪声有利。八通线选择60 kg/m 钢轨作为正线的工作钢轨。
1.2 道床及扣件设计
八通线有一多半线路为高架线,应优先采用整体道床结构,以减少养护维修工作量,增加轨道的稳定性,保持轨道整洁、美观。为增加轨道的弹性,钢轨扣件采用双弹性垫层设计,即在轨下和分开式扣件铁垫板下均设静刚度系数较小的橡胶垫板,钢轨支点的整体静刚度为25～30 kN/mm 。整体道床块按6 m 间隔设计成条状,并与桥梁通过连接钢筋形成整体,增加惯性质量,降低道床的固有振动频率。
对于地面线,广泛采用碎石道床、预应力混凝土枕和弹性扣件。选用一级道碴,防止发生道床板结,保持轨道弹性。在采取轨道加强措施的同时,对路基填料和压实度提出了较高的要求,确保路基坚实、稳定、牢固。
1.3 铺设无缝线路
普通线路由于存在钢轨接头轨缝而造成轨面的原始不连续,列车通过时发生较大轮轨冲击而导致钢轨振动,产生冲击噪音。
由于北京地区的昼夜温差较大,在拆除侧模后,及时加盖草帘,避免产生温度裂缝。将标准长度的钢轨焊接成长钢轨,减少钢轨接头数量,可大大减少钢轨接头冲击引起的振动和噪音。大量测试结果表明,钢轨接头处的轮轨噪音比非接头部位增加5～7 dB (A) 。八通线在具备无缝线路铺设条件的地段,全部铺设无缝线路。
1.4 高架车站轨道减振措施
根据《八通线项目环境影响报告书》的预测,该线对沿线环境振动影响不大,因而没有提出轨道结构需采取减振措施的要求。但考虑到本线高架车站均为站桥合一的框架结构,车辆通过时将会激发车站框架的振动,对车站工作人员及设备不利,因此全部高架车站及四惠和四惠东站轨道均采取减振措施。根据既有地铁车站的振动情况和北京地铁轨道养护维修的经验,充分征求运营部门的意见,经论证决定采用轨道减振器扣件以降低轨道振动。
1.5 加强轨道养护维修
轮轨不平顺是导致轮轨冲击振动和噪音的主要原因,主要包括车轮不圆顺(存在扁疤、擦伤等) 及轨道不平顺(存在钢轨波浪磨耗、高低不平顺、钢轨接头、轨距突变等) 。
车轮存在扁疤后,轮踏面与轨面不规则接触,产生强烈的稳态振动和噪音。在列车运行中,轮轨不平顺使得轮轨关系恶化,引起动荷载明显增大,从而加速了轨道磨耗、破坏,导致轮轨振动和噪声增大。测试表明:经打磨轨道不平顺后,在振动频率为8～100 Hz 范围内,区间轨道振动下降4～8 dB , 站台轨道振动下降5～15 dB 。因此,控制轨道不平顺是降低轮轨噪声和振动的有效措施。
北京地铁八通线要制订严格的轨道养护维修计划,加强日常轨道几何状态的检查检测,及时消除轨道不平顺,定期对钢轨走行部位进行打磨,使轨顶不平顺≯0.2 mm 、轨头侧面不平顺不超过±0.3 mm 。加强车轮踏面的检测,定期镟轮消除扁疤。
2 噪声防护
噪声防护的对象主要是列车运行时辐射的稳态噪声和各种与列车有关的间歇(突发) 性噪声。八通线地铁的稳态噪声来源于列车运行时的轮轨噪声及机车动力装置的噪声。除了改进轨道结构设计外,还必须采取措施进行噪声治理。
2.1 防护方案
八通线采用在噪声敏感地区设置声屏障的办法, 改善沿线的噪声环境质量。根据噪声敏感点所处的位置,采用了直立型单面和双面吸声及下部直立、顶部为弧形的声屏障形式。
声屏障的位置要满足车辆限界和建筑接近限界要求、线路养护要求(不影响对地基、道床、轨枕、钢轨的保养维护工作) 及轨道 交通 安全运营之要求,声屏障结构要满足屏障本身的安全要求(能够抗风载、雪载及抗震) 。声屏障高度和长度设计要使声屏障安装完毕后能够得到较好的隔声降噪效果。
2.2 声屏障结构形式
根据不同的噪声敏感点及其所处环境,采取不同的结构形式。本工程采用国内外常用的直立式和直立加顶部弧形的声屏障形式,在声屏障中间的列车车厢高度位置设置透明部分,使列车内的乘客能够观赏到屏障外部的景观。
2.3 声屏障材料选择
声屏障的选材要兼顾其降噪隔声功能及外观,要综合考虑造价、质量和美观 问题 ,要做到高标准严要求。吸声材料应有较高的吸声和隔声效果,透明材料要有较好的耐老化、抗紫外线性能,避免日后出现降噪效果不理想、景观效果差及增加维护工作量。
吸声部分采用波浪吸声板, 面板及背板均采用1.2 mm 厚铝板,平均吸声系数NRC ≥0.90 , 隔音指数Rw ≥25 。内部吸声材料采用无碱憎水玻璃布包裹离心玻璃棉,平均吸声系数NRC ≥0.95 。透明部分采用夹胶玻璃,两外层为5 mm 厚玻璃, 中间为0.76 mm 厚透明胶膜,隔音指数Rw ≥25 。各部件间连接用胶垫采用热缩性能良好并耐老化的橡胶,建议采用SANOPRANE 热塑弹性体。通过在敏感地段实施声屏障隔声降噪措施后,可将列车运行产生的噪声降低到8 dB (A) 左右。
3 结语
从改进八通线轨道结构设计入手,从根源上降低轮轨冲击振动以减少噪音的产生,是改善八通线沿线环境敏感点噪声环境的主要措施。设置声屏障是降低一次噪声对周围环境影响的有效措施。通过标本兼治,将大大改善八通线沿线的声环境质量,使环境敏感点的声环境达到国家环境振动与噪声标准的要求,实现最大的环境效益。
