1 概述
1 . 1 加快发展城市轨道交通的必要性城市化是世界各国共同的发展趋势。发达国家城市化进程的经验教训告诉我们: 住房、环境和交通是影响城市发展的三大要素, 尤以交通为甚。当前我国经济快速增长, 城市人口急剧增加, 特别是近 40 个百万人口以上的大城市, 城市交通问题日益尖锐, 从而轨道交通工具迅速起步。地铁、轻轨和单轨是最主要的轨道交通形式。随着 99 年北京地铁“复八线”的建成通车, 我国在北京、天津、上海和广州建成的城市轨道交通线路已超过100 公里。我国快速轨道交通建设正面临着大发展的历史性机遇。
1 . 2 高架轨道交通
城市轨道交通按走行方式分为地下、地面和高架三种。高架轨道交通作为一种经济、实用、高效、安全的快速交通模式, 成为城市轨道交通建设的世界性趋势。它相对于其它走行方式的优势在于:
(1)高架轨道交通经济, 建设周期短。
高架轨道交通的优越性是很明显的: ①高架线路造价为地下线的 1/3, 高架车站的建设费用为地下车站的 1/9, 运营费用是地下线的 1/3。建设一条地下线的资金可以建三条同样长度的高架线。②由于高架线是在地面上建设, 建造速度快, 适应了大城市发展的需要。
(2)相对地面线与地面道路交通相冲突的缺点, 高架轨道交通更为高效和实用。
(3)与普通道路交通运输形式相比, 高架轨道交通在完全封闭的系统中运行, 安全性更好。
1 . 3 高架轨道交通的三大问题
振动、噪声和城市景观是高架轨道交通的三大问题。世界各国都非常重视高架轨道交通的振动噪声以及它与周边环境相协调的研究。对于振动噪声问题, 由于高架轨道交通大多穿越或位于闹市区和居民区, 因此轮轨噪声、车辆噪声等声源产生的振动噪声对周围环境的影响变得十分突出。振动噪声问题成为建设高架轨道交通的最大障碍, 能否将振动与噪声控制在最低限度内, 是高架轨道交通在城市可行与否的关键。
2 高架轨道交通振动、噪声源
2 . 1 主要振动源
(1)列车速度对结构的竖向动力影响按 Chua 在文章中提供的车速 80km/h (22m/s)来考虑[ 1 ] , 根据桥梁结构振动学, 可不记列车速度对结构动力的影响。
主要与车辆动力机械运转及技术参数有关, 如弹簧刚度、簧上质量、簧下质量等。
(3)轨道结构振动
主要是与轨道结构参数有关, 如: 质量、刚度、阻尼等。
(4)轮轨不平顺
大量研究表明: 轮轨不平顺是引起轮轨振动的主要原因, 主要包括车轮的不平顺和轨道的不平顺。
2 . 2 主要噪声源
轨道交通系统的噪声源有
(1)机械噪声及结构噪声
①车辆运行时轮轨部产生的噪声。
滚动噪声
由于车轮踏面和钢轨表面粗糙, 凹凸不平, 钢轨表面伤痕等原因, 车辆在钢轨上运行不是单纯的滚动, 而是滚动的同时在极小的范围产生跳动, 轮轨间出现一定冲击, 使钢轨的车轮产生强迫振动而发出的噪声。
冲击噪声
轮轨冲击噪声是车轮通过钢轨接头、道岔部分以及车轮踏面擦伤、剥离后在钢轨上运行时由于冲击而产生的噪声。从噪声源来考虑, 分为轨道振动和车轮振动而引起噪声两种情况。冲击噪声与滚动噪声不同的是其冲击, 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频率较高的刺耳的“吱吱”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, 这正是产生强烈刺耳尖叫声的根本原因。
②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、楼板振动而辐射噪声。
(2)车辆设备的噪声
通风机、压缩机、牵引电机噪声。
(3)车辆运行时的空气动力噪声
总之, 高架轨道交通噪声源种类繁多, 其噪声具有宽频带特征, 从0- 6kHz, 因此对其传播控制是一个比较复杂的问题。
3 高架轨道交通振动噪声的控制
对于振动噪声控制主要采取振源与声源控制、振动传播与声传播控制以及承受物控制三个方面进行。其中, 从振源及声源进行控制是根本途径, 对于交通系统来说分为线路防振降噪和机车防振降噪两个方面, 但这种防振降噪是有一定限度的, 通常是从规划上或设计上着手。从规划上着手是一种比较主动的方式, 而从设计上着手则是一种被动的方式。
3 . 1 从振源及声源角度采取的防振降噪措施
(1)车辆的防振与降噪措施
各国在研制新型轨道交通车辆时, 采取了如下几方面的防振降噪措施。
①采用了弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等。
采用这些经过特殊处理的车轮, 可减振降噪 2- 10dBA。如在巴黎地铁中有 4 条线以及里昂、马赛、墨西哥等城市轨道交通车辆和日本跨坐式独轮交通车辆均采用充气橡胶车轮, 这种车轮比普通钢轮, 可降低噪声10dBA。
②用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能, 降低轮轨噪声。
国外一些国家, 把制动盘放在轮辐上来减少噪声的发射。如德国的一些车辆就采用这种方法, 试验证明对 1000Hz 以上的噪声有明显的改善, 大约减少噪声5dB 左右。
③运用线性电机驱动及径向转向架。
温哥华、多伦多、底特律、大阪等城市在八十年代的轨道交通系统中, 采用了线性电机车辆。该车型采用线性电机牵引、径向转向架及自动控制等三项新技术。由于采用线性电机牵引, 动力系统不需要从旋转运动转换成直线运动; 省去了齿轮箱等一系列传动机构, 减轻了轮轨间磨损, 减少了许多噪声源, 因而噪声比一般车 33 城市高架轨道交通体系振动与噪声控制辆降低了10dBA 之多。此外, 由于采用径向转向架, 车辆能顺利地通过曲线, 减少轮轨磨耗和消除常规固定轴距转向架通过曲线时刺耳的尖叫声, 因而噪声比一般车辆降低近 20dBA , 特别适用于高架轨道交通系统。
④采用磁悬浮技术
由法国、德国、日本、加拿大等国家研制成功磁悬浮列车, 改变了 原来轮轨粘着作用, 使车体悬浮在导轨上面行驶, 其振动小、噪声低。
(2)轨道结构振动与噪声控制措施
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钢轨各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。轨道结构的减振降噪, 也就可以通过改变结构的参数实现。
①无缝线路
将标准轨焊接成长钢轨, 减少钢轨接头数量, 从而减少接头冲击引起的振动噪声。测试结果表明: 在钢轨接头处, 轮轨噪声比非接头部位增加5- 7dBA。
②减振型钢轨
在钢轨腰部粘贴防振吸音材料, 如橡胶, 其降噪声效果显著。测试表明, 采用弹性钢轨, 可降低噪声 4- 8 (响度单位) , 特别适用于高架铁道需特殊降噪地段。
③减振型扣件
轨道的弹性, 尤其是整体道床, 主要取决于扣件弹性, 国内外都作了大量研究工作, 研制开发了满足不同减振要求的钢轨扣件。如在减振要求较高地段, 上海、新加坡、德国科隆地铁均采用了轨道减振器扣件, 减振效果显著, 能有效地减少对周围环境的干扰。
④减振型轨下基础
为了适用于不同减振要求, 各国都对传统的碎石道床与整体道床作了大量改进研究工作, 开发了各种减振型轨下基础。主要有: 在碎石道床的基础上, 研制了弹性轨枕道床和道碴垫道床, 增加道床弹性, 有效降低道碴振动, 与一般碎石道床相比, 有 5- 15dB 减振。在整体道床基础上, 开发了短轨枕包套式和弹性长轨枕整体道床。在日本新干线特殊减振地段, 采用了防振型板式轨道。在新加坡、香港地铁中, 特殊减振地段浮置板结构, 减振效果非常显著。
⑤进行轨道不平顺管理
钢轨打磨后, 在振动频率为 8- 100Hz 范围内, 振动下降4- 8dBA , 站台上的振动下降 5 - 15dBA。控制轨道不平顺是降低轮轨之间振动与噪声的有效措施。
3 . 2 传播过程中控制振动噪声的方法
(1)项目规划
美国交通部门对城市高架轨道交通系统的振动与噪声评估作了大量的研究工作, 得出了为防振降噪而进行项目规划的一系列方法。大致分三个阶段: Screen ing P rocedu re 主要针对项目决策阶段, 用来确定在一定距离范围内, 由轨道交通诱发的振动噪声出现的可能性, 供决策 参 考。 General A ssessm en t 与 Detailed A nalysis 用于评价振动噪声的潜能或程度。 GeneralA ssessm en t 指在确定线路方位时对振动噪声的评估, 供规划线路参考。Detailed A nalysis 则用于项目的实施阶段, 评价振动噪声的影响, 比如, 选择不同的土建结构形式可能产生不同程度的振动噪声, 供设计参考。
(2)桥梁防振降噪措施
①选择低噪声桥梁形式, 采用箱形梁比较合理。
国外轻轨高架桥结构大多采用箱形梁形式, 据日本在山线对各种构造形式、断面形式、跨度的桥梁进行对比试验结果, 表明控空板形式噪声最低。近年来, 新建的巴黎地区快速铁路高架桥和新加坡高架铁道均采用箱形梁。
②采用橡胶支座
(3)设置声屏障
声屏障是一种降低噪声的有效措施。技术发达的美国、日本、英国、法国、澳大利亚及香港地区, 都在主干线上修建声屏障并取得了较好的治理效果。
3 . 3 地基与建筑物振动噪声控制措施
建筑物本身可采用宽基础, 加固地板, 隔振垫等, 也可对建筑物表面贴附吸声、隔声材料。高架轨道沿线的建筑物在选材及结构选型方面应加以重视。特别应选择隔声性能好, 抗振性能好, 质量轻的建筑材料或结构型式。如陶粒混凝土材料具有良好的吸音隔声能力和良好的动力性能, 容重轻、弹性模量低、变形性能好, 可以用于轨道沿线建筑物的建设中; 而空间网架结构, 因其良好的动力性能, 也可以作为轨道沿线大跨建筑物的合理选型加以考虑。
