軌道振動和噪聲污染治理
地鐵、輕軌等城市軌道交通會給市民和旅客帶來便捷,同時也會給沿線的居民和建筑物帶來振動及噪聲等環境污染的公害。因此,控制城市軌道交通的振動和噪聲污染,已經成為環境保護領域急待研究和解決的重要問題。
1 城市軌道振動和噪聲的來源與危害
1．1城市軌道交通振動的來源
軌道交通的主要振動源為:機車車輛動力系統的振動,通過車輪與軌道結構的動態相互作用,引起軌道結構的振動;這些振動通過地基又傳給周圍的建筑物。車輪和鋼軌長期相互作用都會產生磨耗,輪子可能失圓或產生扁疤,鋼軌可能會產生波浪形磨耗。狀態不良的輪軌相互作用會使振動加劇。
1．2城市軌道交通振動的危害
可能造成的不利影響主要有: （1）機車和客車的平穩性降低,影響舒適度,直接影響列車內的駕駛人員和乘客;（2） 過大的振動加速度會造成軌道部件,尤其是鋼軌和道床的提前損傷,甚至破壞;（3） 鋼軌的高頻振動產生了地鐵噪聲;（4） 過大的振動會影響貼近地鐵隧道或直接建在地鐵隧道上面的建筑物的使用;（5）某些地區,振動可能使隧道周圍的軟弱地層(如飽和砂土或粉土) 產生液化,嚴重的地方可能威脅到地鐵列車的運行安全,乃至人們的生命安全。
振動對建筑物的影響,輕微的會出現墻皮剝落、墻壁龜裂、地板裂縫,嚴重則導致基礎變形或下沉。像地鐵的運行是一個長期的、每天均持續很長時間的過程,即使不足以在短時間內對建筑物產生明顯的影響,長期積累之后,對建筑物的疲勞損傷、安全性能下降等方面的結果如何,都需要進行較為準確的評估。
1．3城市軌道交通噪聲的來源
城市軌道交通包括地鐵，輕軌，高架鐵路等形式。 對于不同的軌道交通形式， 其噪聲產生機理和來源也不盡相同， 噪聲的傳播方式和影響程度也不一樣。 綜合考慮，噪聲的產生主要來源于三個方面：
（1） 機械噪聲及結構噪聲，包括：
滾動噪聲： 這是由于物理結構方面引起的噪聲污染。因為車輪踏面和鋼軌表面并不是完全絕對平滑，表面粗糙凸,凹不平和鋼軌表面傷痕等原因都會使車輛在鋼軌上運行不是單純的滾動, 而是在滾動的同時在極小范圍內產生跳動, 輪間出現一定的沖擊, 使鋼軌和車輪產生強迫振動而發出噪聲。
沖擊噪聲： 輪軌沖擊噪聲是車輪通過鋼軌接頭和道岔部分以及車輪踏面擦傷以及剝離處由于沖擊而產生的噪聲。從噪聲源來考慮， 分為軌道振動噪聲和車輪振動噪聲兩種情況。 沖擊噪聲與滾動噪聲不同之處是沖擊，而且是不連續的。
摩擦噪聲： 摩擦噪聲是車輛通過小半徑曲線和道岔時產生的高頻率的刺耳聲， 在曲線區段，盡管車輪踏面有一定錐度， 車輛仍然不能以純滾動通過曲線， 由于輪軌之間的摩擦，產生了刺耳尖叫聲。
結構噪聲： 由于輪軌表面相互作用產生的振動通過軌道、橋梁、地基等傳遞，導致橋梁、地下結構、附近建筑墻壁、樓板振動而產生輻射噪聲。
（2）車輛設備的噪聲：包括通風機、 壓縮機、 牽引電機的噪聲。
（3） 車輛運行時的空氣動力噪聲。城市軌道交通噪聲主要是由列車運行時輪軌相互撞擊產生的，這種噪聲通過空氣傳播到附近建筑物， 從而給建筑物及人們的生活帶來不利影響。
1.4城市軌道交通噪聲的危害
噪聲是由空氣振動推動粒子以波的形式被耳朵接受。波的壓力轉換成離子和電子形式被耳蝸細胞接受， 制造刺激從而被大腦感知為聲音，噪聲對人的影響是一個復雜的問題。不僅與噪聲性質有關，而且還與每個人的生理狀態及社會生活等多方面因素有關。 噪聲級越高， 對人的危害性越大，即使噪聲級較低， 雖然不能直接危害人的健康，但也會影響和干擾人的正常活動。 噪聲對人的危害主要是： 造成人的聽覺疲勞或聽力損傷；影響人身體健康；干擾談話和擾亂睡眠； 對兒童學習造成危害以及影響人們的工作和正常生活。
2 城市軌道的減振降噪的綜合措施
城市軌道交通的振動與噪聲是不同的, 因而治理時需要針對其特性采取有針對性的措施。但噪聲與振動問題也是相關的, 在制定治理規劃時, 可采取綜合整治措施。發展城市軌道交通必然要解決其噪聲與振動問題。由于引起噪聲與振動的原因是多方面的, 決定了其控制措施也是多方面的，下面列舉一下城市規道的減振降噪的綜合治理措施。
2. 1 車輛的減振降噪措施
（1) 對機車車輛動力系統的轉動部件進行轉子動力學設計,使系統的工作頻
遠離共振區和不穩定區,盡量避免電磁耦合激發振動和噪聲。
（2) 在機車車輛上使用新型減振器,能有效地降低振動和噪聲。目前在國內外的城市軌道交通中,金屬- 橡膠復合減振器是應用最為廣泛的減振降噪裝置。這是由于橡膠在很寬的溫度范圍內具有獨特的粘彈行為,不僅可以象鋼彈簧一樣通過彈性形變來吸收、儲存沖擊能量,而且還可以通過分子鏈相對運動而大幅度地消耗能量。然而,橡膠件既是減振降噪的主要部分,也是影響使用壽命的關鍵部分。以少量具有納米片層結構的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復合,可顯著降低材料的疲勞生熱,延緩疲勞破壞過程,從而改善橡膠的強度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能,使減振器的質量和機車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。除金屬- 橡膠復合減振器外,目前國際上開始將自適應(有源/ 半有源) 電/ 磁流變液減振器用于車輛的懸架系統和轉向架系統,以有效地調節系統的阻尼或剛度特性。
（3) 在車輛動力驅動系統中應用直線電機技術,可省去齒輪箱等一系列傳動機構,減少了許多噪聲源,噪聲水平比一般車輛可降低大約10 dB(A) 。
（4) 采用徑向轉向架能避免車輪在鋼軌上的蠕動,使車輛能順利地通過曲線，減少輪軌磨耗和消除常規轉向架通過曲線時的尖叫聲,因而噪聲比一般車輛降低近20 dB(A) 。
（5) 采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術,通常可減振降噪2～10 dB（A）。像北京地鐵13 號線車輛上采用了車輪降噪阻尼器，可以有效消除中高頻尖叫聲，從而實現控制輪軌噪聲的目的。
（6) 用改變車輪結構的方法來改變噪聲的發射性能,可降低輪軌噪聲。如德國通過把制動盤放在輪心上來減少噪聲,試驗結果證明對1 kHz 以上的噪聲大約可降低5 dB(A) 。
2. 2 軌道結構的振動和噪聲控制
軌道結構主要由鋼軌、扣件及軌下基礎組成。根據振動理論,輪軌之間的振動噪聲與軌道各部件的質量、剛度以及結構阻尼密切相關。軌道結構的減振降噪主要是通過改變結構參數來實現。在國內外軌道交通減振降噪研究成果的基礎上,結合我國軌道交通的實際,對軌道結構的減振降噪可采取下列有效措施:
（1) 采用焊接長鋼軌,可減少因列車通過鋼軌接頭所產生的振動噪聲。北京地鐵十三號線和五號線的軌道在具備無縫線路鋪設條件的地段,全部鋪設無縫線路，有效地降低噪聲和減少振動。
（2) 采用鋼軌打磨技術,以控制軌道的不平順度,保證輪軌接觸面的良好狀態,從而獲得良好的減振降噪效果。實踐表明,鋼軌打磨后,在振動頻率為8～100 Hz 范圍內,振動噪聲可下降4～8 dB(A) 。
（3) 采用防振型鋼軌,在鋼軌軌腰兩側粘貼(或包覆) 防振吸音材料(如橡膠、樹脂等) ,可有效地減少噪聲。
（4) 采用減振型扣件(如雙重鐵墊板式、剪切型、壓縮型和低剛度型等扣件) 。為了增加軌道的彈性,北京八通線的鋼軌扣件采用雙彈性墊層設計,即在軌下和分開式扣件鐵墊板下均設靜剛度系數較小的橡膠墊板。
（5) 采用彈性支承塊式無碴道床軌道。目前我國軌道交通主要采用支承塊式混凝土整體道床,由于只有扣件彈性墊板一個減振環節,其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設置一層橡膠墊,便能大大降低軌道整體支承剛度,顯著提高軌道的減振降噪性能。但在北京地鐵依舊是采用支承塊式混凝土整體道床。
（6) 采用浮置板式軌道結構。該結構使用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡膠支座上,浮置板兩側用彈性材料固定,形成一種質量- 彈簧系統。該系統含三層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、浮置板下橡膠板) 和一層側向墊板。該種軌道結構在共振頻率下的放大倍數很低,減振降噪效果非常顯著。
2. 3 高架線路和橋梁的減振降噪措施
目前,國內外城市軌道交通的高架橋結構大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內存在聲學模態,腔內的聲場共振可能使橋梁的上下兩個面的輻射聲增加,而且,箱形梁橋的底面是大面積的平面,聲輻射效率比較高,因此,有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類技術:
（1) 在箱形梁腔內設置隔聲板,將箱形梁腔內的聲學共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外,則可有效降低橋梁振動噪聲。
（2) 在箱形梁腔內安裝動力吸振器,這是控制橋梁振動噪聲最有效的方法。
（3) 鋪設輕質吸聲橋面和路面。高架軌道交通線的橋面是聲反射面,降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過時的噪聲。近年發展起來的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射。即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土,既不影響檢修者行走,又有一定的吸聲效果。但是,多孔混凝土對1 kHz 以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想,而高架軌道交通噪聲中以500 Hz 為中心的中低頻噪聲占主要成分，因此對這類噪聲可以使用發泡混凝土。
（4) 在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結構,可以大大降低橋梁振動的輻射噪聲。高架軌道交通噪聲的各個聲源中,橋梁振動的輻射噪聲對周邊環境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養是設計這類吸聲結構的要點。
（5) 設置聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施。現有的吸聲型聲屏障均為板式結構,所用的吸聲材料分別有多孔材料(如泡沫玻璃等) 、穿孔板加纖維類吸聲材料、微穿孔板等; 但其頻帶窄,尤其是低頻段吸聲系數小,通常只有0. 5 左右,這是現有吸聲型聲屏障的共同缺點。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結構對低頻噪聲比較主要采用支承塊式混凝土整體道床有效,但在中高頻段的吸聲系數往往很低。總之,由于交通噪聲主要分布在100 Hz～5 kHz ,單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內達到滿意的吸聲效果。因此,國內外都把研究阻抗復合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。像北京五號線和十三號線在在敏感地帶都設了聲屏障。