城市轨道交通噪声控制的探讨
1 概述
城市轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、时间准确等诸多优点,已经在大城市公共交通中得到人们的认可,但其产生的噪声问题亦不容忽视。城市轨道交通要走可持续发展的道路,在解决好交通的同时也要确保良好的生活环境。
2 城市轨道交通噪声产生的机理
城市轨道交通引起的噪声可分为:轮轨噪声、动力系统噪声、特定结构噪声及气动噪声等。理论分析和实验研究表明,在城市轨道交通中噪声的主要来源是轮轨作用而产生的噪声。当列车通过轨道结构时,由于轨面和车轮踏面都存在各种不平顺,轨道结构和车辆都会产生振动,轮轨表面越不平顺,振动越强烈,同时噪声也越大。
1) 轮轨噪声。当列车以一定的速度通过轨道时,车辆和轨道将产生振动,从而向外界辐射声波。这种噪声,一是列车行驶在成洪水危害的集水区进行综合治理,减少灾害性洪水的发生,并修筑排洪渠、跌水等工程以疏导可能发生的洪水,避免洪水对路基的冲刷。半径很小的曲线上所发出的“尖啸声”;二是车轮滚过钢轨接头时所发出的“撞击声”;三是车轮与钢轨接触面之间的微小不平造成有节奏的“轰隆声”亦称滚动噪声。
2) 动力系统噪声。主要来自牵引电动机、压缩机、发电机、齿轮箱及空调器等设备的运转噪声,此类噪声的大小取决于车辆的性能优劣。它是城市轨道交通的主要噪声来源之一。
3) 特定结构噪声。在地下行驶的列车会引起车体和轨道结构的振动,而后者又会激起地铁隧道的振动,并引起靠近隧道或直接建在隧道上的建筑物振动,从而导致噪声向建筑物内的第二次辐射。而且列车在封闭狭长的隧道内高速行驶,会形成强大的活塞风噪声。当地铁内的通风机开动时,还会产生一定的机械和气流噪声。当列车行驶在高架结构上时,还会激发高架结构的振动从而向邻近建筑物辐射噪声。
4) 气动噪声。它是车辆与空气相互作用产生的,它与速度和车辆的外轮廓有关。
5) 接触网与集电弓之间产生的摩擦声。
城市轨道交通产生的噪声是上述噪声的综合效果,并且受列车运行状态和轨道设备状态的影响。
3 城市轨道交通噪声的控制
降低噪声、减小振动主要是通过衰减振源、避免结构共振、隔离传播途径、吸声等方法进行,应根据不同的防治目标确定最佳的防治措施。
3. 1 控制噪声源城市轨道交通中噪声的主要来源是轮轨噪声、车辆设备产生的噪声和架空接触网与集电弓之间的摩擦声,活塞风和通风系统引起的噪声只存在于地铁中,由高架结构的振动而辐射的噪声只产生于高架结构中。
1) 轮轨噪声的控制。一方面,通过优化轨道结构,减少激振源达到减振降噪的目的;另一方面,还可以通过改变轨道结构的振动参数来控制振动,从而起到抑制噪声的作用。影响轨道结构振动特性的主要参数是质量、阻尼和刚度。其振动微分方程可以表示为: [M]v + [C]v + [ K]v = F(t) , 式中[M] 、[C] 、[ K] 分别为质量、阻尼和刚度矩阵。具体的方法如下: 在涉及到曲线时,尽量少用小半径曲线。这是由于小半径曲线会增大轮轨作用力,加速钢轨磨耗,也因此产生较大的噪声。铺设无缝线路。减少钢轨接头数量,从而减少列车与钢轨接头的撞击声。采用重型钢轨。重型钢轨的垂向刚度大可以有效降低列车冲击而引起的钢轨垂向振动,从而减少噪声。另外增加钢轨质量提高了轨道框架刚度,可以减小受载后轨道的变形,为车轮运行提供一个较为平顺的轨面,从而减小列车运行时的轮轨轰鸣声。选用合适的道床形式。增加道床参与振动的质量,增加轨下基础弹性,提高轨下结构的阻尼参数,从而降低轨道结构的振动, 减少噪声。道床有碎石道床和整体道床,在地面线部分宜采用碎石道床,地下线和高架线宜采用整体道床。碎石道床分为弹性轨枕道床和道碴垫道床,前者是在枕下加设橡胶垫,后者是在道碴底下加设橡胶垫,两者都能有效地降低振动。整体道床分为无枕式和轨枕式,无枕式整体性好,刚度大,因此冲击振动比轨枕式大得多。轨枕式整体道床包括短枕式和长枕式。上海地铁选用了长枕式,效果良好。另外弹性支承块式整体道床和浮置板式整体道床的减振效果十分显著。弹性支承块式轨道结构由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成。弹性支承块是由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块及块下大橡胶垫板组成。浮置板式轨道结构系统采用三层水平垫板(钢轨下橡胶垫板,铁垫板下橡胶垫板,板下橡胶垫板) 和在浮置板两侧设置的橡胶垫组成。定期打磨钢轨顶面,消除轨顶面不平顺,从而减小列车运行时的轰鸣声。采用减振扣件和铺设轨道减振器。在我国城市轨道交通中使用的主要扣件有: D T 系列的D T Ⅱ 至D T Ⅵ 型和WJ 系列的WJ21 至WJ24 型,他们能满足一般地段的减振要求。轨道减振器俗称“科隆蛋”,能有效减少振动和噪声,主要用于减振要求较高的地段。
2) 车辆设备产生的噪声控制。进行车辆轻量化设计。减少自重,从而减小轮轨间的相互作用力,降低噪声。
采用弹性车轮和充气橡胶轮胎。在车轮上加设橡胶件能有效吸收和衰减一部分由车轮产生的噪声,改善噪声的频谱特性。
采用直线电机牵引。使动力系统不需要从旋转运动转换成直线运动,省去齿轮箱等一系列传动机构,从而减少噪声源。
采用径向转向架。以消除列车在曲线上运行时产生蠕滑,从而消除列车通过曲线时的“尖啸声”。
3) 隧道和高架结构的振动而辐射的噪声的控制。地铁隧道上方建筑物的基础可设置弹性装置(如橡胶垫块等) 能有效地降低振动。对于那些防振要求很高的建筑物,如精密仪器实验室, 轨道交通线路应尽可能绕避,或迁移建筑物。高架桥宜采用混凝土梁,尽量少用钢梁,桥梁支座采用橡胶支座,桥梁两侧设置隔音板。
4) 集电系统的噪声控制。尽量减少集电弓的数量,安装集电弓外罩,提高接触网的拉力。
3. 2 控制噪声传播途径城市轨道交通噪声传播的主要媒介是空气。控制噪声传播途径的基本原理是在噪声传播过程中,在声源和接受点之间设置障碍物,避免直达声,使受声点只接受透射声和绕射声,并可利用屏障本身所具有的吸音性能在传播途径中消耗声能量,以降低接受点的声能强度。
1) 在线路两侧设置声屏障。可利用沿线的土堤、路堑和其他建筑物作为声屏障,根据情况也可专门设计隔音墙,为有效控制声透射和声绕射,隔音墙的材料选用、墙的厚度和高度设计是关键。
2) 线路两侧大密度种植树木,形成树障。
3) 设置车轮隔音罩和在车辆两侧设置下裙边。
4) 采用密封车体设计,减小噪声进入车内。
5) 在隧道内、车内以及声屏障靠近声源的一侧应采用吸音涂层,以减少声反射。
3. 3 运营阶段产生的环境影响需经过各种治理设施治理,并达到国家和地方规定的排放标准(浓度标准和总量标准) 后,才能消除。因此,按照“三同时”原则,所有污染治理设施均要精心设计, 同时按照“清洁生产”的原则,尚需选用低污染设备,严禁选用国家已公布淘汰的污染环境的工艺和设备。
3. 4 铁路工程环境保护设计应解决铁路工程建设运营中产生的环境影响,而铁路产生的环境影响随着铁路技术的进步、管理手段的提高而变化。总之,铁路技术进步的同时,也减缓了对环境的影响,如铁路电气化改善了铁路沿线的大气环境质量。与环境保护关系密切的未来铁路发展方向有:铁路高速化产生的噪声干扰较目前大; 铁路电气化产生的电磁干扰,主要是对居民收看电视质量有所影响,同时也消除了大部分废气排放;铁路密集化,随着电子技术的发展,未来同一条线路上列车对数远较现在密集,且高速,其产生的噪声干扰较目前大;车站卸放的旅客列车垃圾远较目前多,站车垃圾的收集、回收、处置将成为重要问题;机车车辆检修模块化, 随着电子技术的发展,实现列车运行全程监控,较小的技术故障在列车运行中即能解决,大大提高列车的途运时间,检修时拆下旧模块,换上新模块,模块集中检修, 这样就使目前的检修设施大为减少且集中,对于解决污水处理、废气治理将大有好处。
3. 5 随着铁路技术的进步和管理的现代化,未来铁路环境保护设计应着重解决以下几方面的问题:加强铁路沿线生态环境保护,建设铁路绿色长廊;加强铁路噪声防护,建设铁路清静长廊; 加强铁路站车垃圾收集、回收、处置;建设铁路卫生车站;加强铁路电磁防护,清新千家万户。
3. 6 为了更好地贯彻环规,建议铁道部适时出台以下标准规范:铁路工程环境保护设施划分标准、铁路噪声治理工程设计规范、铁路站车垃圾处置工程设计规范。
4 结语
铁路要发展,环境要保护,这是人类永久一致的目标。但是这既是一项科学技术工作,又是一项科学的管理和组织宣传工作。所以,应该共同努力并行动起来保护人类赖以生存的环境。
参考文献:
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[2] 张 晨,黄继东,韩通新. 预测高速铁路电磁辐射的一种有效方法[J ].中国铁道科学.2000,(21) 2 :86292.
[3] 史集芬. 再谈高速电气化铁路的电磁兼容问题[J ]. 铁道工程学报. 1998 , (4) :1232126.
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