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(huán)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(jīng)成為環(huán)境保護領(lǐng)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(tǒng)的振動,通過車輪與軌道結(jié)構(gòu)的動態(tài)相互作用,引起軌道結(jié)構(gòu)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(chǎn)生磨耗,輪子可能失圓或產(chǎn)生扁疤,鋼軌可能會產(chǎn)生波浪形磨耗。狀態(tài)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(wěn)性降低,影響舒適度,直接影響列車內(nèi)的駕駛?cè)藛T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(chǎn)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(qū),振動可能使隧道周圍的軟弱地層(如飽和砂土或粉土) 產(chǎn)生液化,嚴(yán)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(xiàn)墻皮剝落、墻壁龜裂、地板裂縫,嚴(yán)重則導(dǎo)致基礎(chǔ)變形或下沉。像地鐵的運行是一個長期的、每天均持續(xù)很長時間的過程,即使不足以在短時間內(nèi)對建筑物產(chǎn)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(jié)果如何,都需要進行較為準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)生主要來源于三個方面：
（1） 機械噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲，包括：
滾動噪聲： 這是由于物理結(jié)構(gòu)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?zhèn)鄣仍蚨紩管囕v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(nèi)產(chǎn)生跳動, 輪間出現(xiàn)一定的沖擊, 使鋼軌和車輪產(chǎn)生強迫振動而發(fā)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(chǎn)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(xù)的。
摩擦噪聲： 摩擦噪聲是車輛通過小半徑曲線和道岔時產(chǎn)生的高頻率的刺耳聲， 在曲線區(qū)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(chǎn)生了刺耳尖叫聲。
結(jié)構(gòu)噪聲： 由于輪軌表面相互作用產(chǎn)生的振動通過軌道、橋梁、地基等傳遞，導(dǎo)致橋梁、地下結(jié)構(gòu)、附近建筑墻壁、樓板振動而產(chǎn)生輻射噪聲。
（2）車輛設(shè)備的噪聲：包括通風(fēng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜的問題。不僅與噪聲性質(zhì)有關(guān)，而且還與每個人的生理狀態(tài)及社會生活等多方面因素有關(guān)。 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(xué)習(xí)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(guān)的, 在制定治理規(guī)劃時, 可采取綜合整治措施。發(fā)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(guī)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(tǒng)的轉(zhuǎn)動部件進行轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計,使系統(tǒng)的工作頻
遠離共振區(qū)和不穩(wěn)定區(qū),盡量避免電磁耦合激發(fā)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(nèi)外的城市軌道交通中,金屬- 橡膠復(fù)合減振器是應(yīng)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(nèi)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(guān)鍵部分。以少量具有納米片層結(jié)構(gòu)的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復(fù)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(zhì)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(fù)合減振器外,目前國際上開始將自適應(yīng)(有源/ 半有源) 電/ 磁流變液減振器用于車輛的懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng),以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼或剛度特性。
（3) 在車輛動力驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用直線電機技術(shù),可省去齒輪箱等一系列傳動機構(gòu),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(zhuǎn)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(guī)轉(zhuǎn)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(shù),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(xiàn)控制輪軌噪聲的目的。
（6) 用改變車輪結(jié)構(gòu)的方法來改變噪聲的發(fā)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(jié)果證明對1 kHz 以上的噪聲大約可降低5 dB(A) 。
2. 2 軌道結(jié)構(gòu)的振動和噪聲控制
軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。根據(jù)振動理論,輪軌之間的振動噪聲與軌道各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)。軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪主要是通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)。在國內(nèi)外軌道交通減振降噪研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國軌道交通的實際,對軌道結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shè)條件的地段,全部鋪設(shè)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(shù),以控制軌道的不平順度,保證輪軌接觸面的良好狀態(tài),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(nèi),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(cè)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(shè)計,即在軌下和分開式扣件鐵墊板下均設(shè)靜剛度系數(shù)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(huán)節(jié),其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設(shè)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(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)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(cè)用彈性材料固定,形成一種質(zhì)量- 彈簧系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(cè)向墊板。該種軌道結(jié)構(gòu)在共振頻率下的放大倍數(shù)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(nèi)外城市軌道交通的高架橋結(jié)構(gòu)大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內(nèi)部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內(nèi)存在聲學(xué)模態(tài),腔內(nèi)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(shù):
（1) 在箱形梁腔內(nèi)設(shè)置隔聲板,將箱形梁腔內(nèi)的聲學(xué)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(nèi)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(shè)輕質(zhì)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(fā)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(fā)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(jié)構(gòu),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(huán)境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養(yǎng)是設(shè)計這類吸聲結(jié)構(gòu)的要點。
（5) 設(shè)置聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施。現(xiàn)有的吸聲型聲屏障均為板式結(jié)構(gòu),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(shù)小,通常只有0. 5 左右,這是現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)達到滿意的吸聲效果。因此,國內(nèi)外都把研究阻抗復(fù)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(shè)了聲屏障。