浅谈城市轨道振动和噪声污染的综合治理方法

浅谈城市轨道振动和噪声污染的综合治理方法摘要：本文主要介绍了城市轨道交通噪声与振动的来源与危害以及城市轨道交通减振降噪措施，并谈了北京市交通轨道振动和噪声污染的一些具体治理方法。关键词：城市轨道振动和噪声减振降噪控制措施引言：地铁、轻轨等城市轨道交通会给市民和旅客带来便捷,同时也会给沿线的居民和建筑物带来振动及噪声等环境污染的公害。因此,控制城市轨道交通的振动和噪声污染,已经成为环境保护领域急待研究和解决的重要问题。1城市轨道振动和噪声的来源与危害1．1城市轨道交通振动的来源轨道交通的主要振动源为:机车车辆动力系统的振动,通过车轮与轨道结构的动态相互作用,引起轨道结构的振动;这些振动通过地基又传给周围的建筑物。车轮和钢轨长期相互作用都会产生磨耗,轮子可能失圆或产生扁疤,钢轨可能会产生波浪形磨耗。状态不良的轮轨相互作用会使振动加剧。1．2城市轨道交通振动的危害可能造成的不利影响主要有:（1）机车和客车的平稳性降低,影响舒适度,直接影响列车内的驾驶人员和乘客;（2）过大的振动加速度会造成轨道部件,尤其是钢轨和道床的提前损伤,甚至破坏;（3）钢轨的高频振动产生了地铁噪声;（4）过大的振动会影响贴近地铁隧道或直接建在地铁隧道上面的建筑物的使用;（5）某些地区,振动可能使隧道周围的软弱地层(如饱和砂土或粉土)产生液化,严重的地方可能威胁到地铁列车的运行安全,乃至人们的生命安全。振动对建筑物的影响,轻微的会出现墙皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝,严重则导致基础变形或下沉。像地铁的运行是一个长期的、每天均持续很长时间的过程,即使不足以在短时间内对建筑物产生明显的影响,长期积累之后,对建筑物的疲劳损伤、安全性能下降等方面的结果如何,都需要进行较为准确的评估。1．3城市轨道交通噪声的来源城市轨道交通包括地铁，轻轨，高架铁路等形式。对于不同的轨道交通形式，其噪声产生机理和来源也不尽相同，噪声的传播方式和影响程度也不一样。综合考虑，噪声的产生主要来源于三个方面：（1）机械噪声及结构噪声，包括：滚动噪声：这是由于物理结构方面引起的噪声污染。因为车轮踏面和钢轨表面并不是完全绝对平滑，表面粗糙凸,凹不平和钢轨表面伤痕等原因都会使车辆在钢轨上运行不是单纯的滚动,而是在滚动的同时在极小范围内产生跳动,轮间出现一定的冲击,使钢轨和车轮产生强迫振动而发出噪声。冲击噪声：轮轨冲击噪声是车轮通过钢轨接头和道岔部分以及车轮踏面擦伤以及剥离处由于冲击而产生的噪声。从噪声源来考虑，分为轨道振动噪声和车轮振动噪声两种情况。冲击噪声与滚动噪声不同之处是冲击，而且是不连续的。摩擦噪声：摩擦噪声是车辆通过小半径曲线和道岔时产生的高频率的刺耳声，在曲线区段，尽管车轮踏面有一定锥度，车辆仍然不能以纯滚动通过曲线，由于轮轨之间的摩擦，产生了刺耳尖叫声。结构噪声：由于轮轨表面相互作用产生的振动通过轨道、桥梁、地基等传递，导致桥梁、地下结构、附近建筑墙壁、楼板振动而产生辐射噪声。（2）车辆设备的噪声：包括通风机、压缩机、牵引电机的噪声。（3）车辆运行时的空气动力噪声。城市轨道交通噪声主要是由列车运行时轮轨相互撞击产生的，这种噪声通过空气传播到附近建筑物，从而给建筑物及人们的生活带来不利影响。1.4城市轨道交通噪声的危害噪声是由空气振动推动粒子以波的形式被耳朵接受。波的压力转换成离子和电子形式被耳蜗细胞接受，制造刺激从而被大脑感知为声音，噪声对人的影响是一个复杂的问题。不仅与噪声性质有关，而且还与每个人的生理状态及社会生活等多方面因素有关。噪声级越高，对人的危害性越大，即使噪声级较低，虽然不能直接危害人的健康，但也会影响和干扰人的正常活动。噪声对人的危害主要是：造成人的听觉疲劳或听力损伤；影响人身体健康；干扰谈话和扰乱睡眠；对儿童学习造成危害以及影响人们的工作和正常生活。2城市轨道的减振降噪的综合措施城市轨道交通的振动与噪声是不同的,因而治理时需要针对其特性采取有针对性的措施。但噪声与振动问题也是相关的,在制定治理规划时,可采取综合整治措施。发展城市轨道交通必然要解决其噪声与振动问题。由于引起噪声与振动的原因是多方面的,决定了其控制措施也是多方面的，下面列举一下城市规道的减振降噪的综合治理措施。2.1车辆的减振降噪措施（1)对机车车辆动力系统的转动部件进行转子动力学设计,使系统的工作频远离共振区和不稳定区,尽量避免电磁耦合激发振动和噪声。（2)在机车车辆上使用新型减振器,能有效地降低振动和噪声。目前在国内外的城市轨道交通中,金属-橡胶复合减振器是应用最为广泛的减振降噪装置。这是由于橡胶在很宽的温度范围内具有独特的粘弹行为,不仅可以象钢弹簧一样通过弹性形变来吸收、储存冲击能量,而且还可以通过分子链相对运动而大幅度地消耗能量。然而,橡胶件既是减振降噪的主要部分,也是影响使用寿命的关键部分。以少量具有纳米片层结构的有机改性蒙脱土与橡胶进行插层纳米复合,可显著降低材料的疲劳生热,延缓疲劳破坏过程,从而改善橡胶的强度、耐蠕变、耐疲劳和耐老化等综合性能,使减振器的质量和机车车辆的舒适性、安全性得到较大的提高。除金属-橡胶复合减振器外,目前国际上开始将自适应(有源/半有源)电/磁流变液减振器用于车辆的悬架系统和转向架系统,以有效地调节系统的阻尼或刚度特性。（3)在车辆动力驱动系统中应用直线电机技术,可省去齿轮箱等一系列传动机构,减少了许多噪声源,噪声水平比一般车辆可降低大约10dB(A)。（4)采用径向转向架能避免车轮在钢轨上的蠕动,使车辆能顺利地通过曲线，减少轮轨磨耗和消除常规转向架通过曲线时的尖叫声,因而噪声比一般车辆降低近20dB(A)。（5)采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术,通常可减振降噪2～10dB（A）。像北京地铁13号线车辆上采用了车轮降噪阻尼器，可以有效消除中高频尖叫声，从而实现控制轮轨噪声的目的。（6)用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能,可降低轮轨噪声。如德国通过把制动盘放在轮心上来减少噪声,试验结果证明对1kHz以上的噪声大约可降低5dB(A)。2.2轨道结构的振动和噪声控制轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论,轮轨之间的振动噪声与轨道各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。轨道结构的减振降噪主要是通过改变结构参数来实现。在国内外轨道交通减振降噪研究成果的基础上,结合我国轨道交通的实际,对轨道结构的减振降噪可采取下列有效措施:（1)采用焊接长钢轨,可减少因列车通过钢轨接头所产生的振动噪声。北京地铁十三号线和五号线的轨道在具备无缝线路铺设条件的地段,全部铺设无缝线路，有效地降低噪声和减少振动。（2)采用钢轨打磨技术,以控制轨道的不平顺度,保证轮轨接触面的良好状态,从而获得良好的减振降噪效果。实践表明,钢轨打磨后,在振动频率为8～100Hz范围内,振动噪声可下降4～8dB(A)。（3)采用防振型钢轨,在钢轨轨腰两侧粘贴(或包覆)防振吸音材料(如橡胶、树脂等),可有效地减少噪声。（4)采用减振型扣件(如双重铁垫板式、剪切型、压缩型和低刚度型等扣件)。为了增加轨道的弹性,北京八通线的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。（5)采用弹性支承块式无碴道床轨道。目前我国轨道交通主要采用支承块式混凝土整体道床,由于只有扣件弹性垫板一个减振环节,其减振效果并不理想。如在扣件垫板和支承块下各设置一层橡胶垫,便能大大降低轨道整体支承刚度,显著提高轨道的减振降噪性能。但在北京地铁依旧是采用支承块式混凝土整体道床。（6)采用浮置板式轨道结构。该结构使用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡胶支座上,浮置板两侧用弹性材料固定,形成一种质量-弹簧系统。该系统含三层水平垫板(钢轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、浮置板下橡胶板)和一层侧向垫板。该种轨道结构在共振频率下的放大倍数很低,减振降噪效果非常显著。2.3高架线路和桥梁的减振降噪措施目前,国内外城市轨道交通的高架桥结构大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的内部空腔在轨道交通噪声主要频段内存在声学模态,腔内的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加,而且,箱形梁桥的底面是大面积的平面,声辐射效率比较高,因此,有必要研究箱形梁的减振降噪措施。目前箱形梁的降噪处理有以下几类技术:（1)在箱形梁腔内设置隔声板,将箱形梁腔内的声学共振频率向上移至轨道交通噪声的主要频段以外,则可有效降低桥梁振动噪声。（2)在箱形梁腔内安装动力吸振器,这是控制桥梁振动噪声最有效的方法。（3)铺设轻质吸声桥面和路面。高架轨道交通线的桥面是声反射面,降低桥面的声反射可以大大降低列车通过时的噪声。近年发展起来的各种多孔混凝土都可以有效降低桥面的声反射。即在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土,既不影响检修者行走,又有一定的吸声效果。但是,多孔混凝土对1kHz以下的中低频噪声的吸声效果不够理想,而高架轨道交通噪声中以500Hz为中心的中低频噪声占主要成分，因此对这类噪声可以使用发泡混凝土。（4)在高架桥上安装吸声天棚或悬挂空间吸声体等吸声结构,可以大大降低桥梁振动的辐射噪声。高架轨道交通噪声的各个声源中,桥梁振动的辐射噪声对周边环境尤其是低楼层有较大影响。高吸声、安全、美观、易清洗保养是设计这类吸声结构的要点。（5)设置声屏障是降低轨道交通运行噪声的一种有效措施。现有的吸声型声屏障均为板式结构,所用的吸声材料分别有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纤维类吸声材料、微穿孔板等;但其频带窄,尤其是低频段吸声系数小,通常只有0.5左右,这是现有吸声型声屏障的共同缺点。常见的微穿孔板和其他抗性吸声结构对低频噪声比较主要采用支承块式混凝土整体道床有效,但在中高频段的吸声系数往往很低。总之,由于交通噪声主要分布在100Hz～5kHz,单纯阻性吸声或抗性材料都难以在如此宽的频率范围内达到满意的吸声效果。因此,国内外都把研究阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、提高降噪效果的主要方向。像北京五号线和十三号线在在敏感地带都设了声屏障。3北京市交通轨道振动和噪声污染的综合治理方法3.1北京城市铁路噪声控制北京市城市快速轨道交通工程——西直门到东直门城市铁路，始于西直门，经回龙观，北苑，望京等新建居民小区，止于东直门，全长40.85公里，是北京市第一个地面高架线路的城市快速轨道交通工程。北京城铁采用了新线一次性铺设无缝线路,实现了地面线轨道铺设技术的突破,消灭了钢轨接头,减少了振动源。设计施工过程中，在敏感地带已经采用了声屏障和金属弹簧减震器等减振降噪措施。本线路修建声屏障长约7Km，占全线路总长的17.6％，声屏障采用形式包括全封闭式、半封闭式和直立式。半封闭式高度一般为5.5米到6.5米，直立式高度一般为2到3.5米，声屏障材料主要采用：镀锌钢板＋离心玻璃绵板＋镀锌穿孔钢板＋耐力隔声板以及陶粒吸声板＋FC水泥隔声板两大类，其中桥梁声屏障约占57％，大部分测点降噪郊果在8.3－9.6dB，路堤式声屏障占43％，大部分测点降噪郊果在7.6－10.9dB，对于全封闭式路堤声屏障，降噪郊果可达27.8dB。在西直门车站指挥中心穿过高架桥地段以及和平里居民塔楼地段,采取了特殊隔振措施。北京西直门交通枢纽位于繁华的北京二环西北角西直门地区中心，紧邻城铁西直门站，西侧是三栋已立项开发的高档写字楼,东侧是改建的国铁北京北站,周围是公交站点;还有环线地铁站,城铁西直门站为高架三层框架钢筋混凝土结构,站台设在第三层,除两条正线外还有一条存车线,城铁车站结构与相邻的华融公司开发的写字楼的地下结构连通为一体,地下为超市及停车场。所以，虽然就对城铁的减振要求而言,目前国内尚无规范要求，但在西直门指挥中心高架桥段，采用了钢弹簧浮置板隔振技术方案钢弹簧浮置板隔振系统是将轨道固定在钢筋混凝土质量平台上,平台再放在主要由柔性弹簧组成的隔振器上,这个质量平台可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹簧传到基础结构上。钢弹簧浮置板道床对于西直门指挥中心高架桥区段，可降低Z计权振动值19dB，对于东西门地下隧道区段，可降低Z