无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究.pdf

- 38 - CHINESE RAILWAYS 2009/10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究探讨 科技 创新 展无砟轨道技术，是我国铁路快速提升技术装备 水平，实现铁路现代化发展的重要举措。无砟轨 道以其稳定性好、耐久性强和少维修（甚至免维修）等 特点逐渐成为现代高速铁路轨道的主要结构型式。但相 对于有砟轨道，无砟轨道结构刚度较大、弹性较差，增 加了轮轨的振动，且混凝土构件形成较强的声反射刚性 表面，加强了噪声的混响作用和辐射，列车运行时的噪 声振动问题更为突出，因此开展客运专线无砟轨道减振 降噪理论与应用研究具有重要意义。 国内既有铁路线路，大多属于有砟轨道结构，鲜见对 无砟轨道列车运行辐射噪声和振动特性的研究和报道1。 为降低无砟轨道列车运行辐射噪声、振动对环境的影 响，针对无砟轨道铁路噪声、振动特性及其防治对策进 行了专项研究。 1 列车辐射噪声特性研究 在国内西南地区进行无砟轨道试验段动车组运行辐 射噪声测试，对所测数据进行处理、回归统计和理论分 析，研究国内典型无砟轨道线路条件2下列车辐射噪声 特性（见表1）。 无砟轨道噪声振动特性 及其治理措施研究 马 筠：中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，副研究员，北京，100081 翟婉明：西南交通大学牵引动力国家重点实验室，教授，四川 成都，610031 摘 要：通过国内西南地区无砟轨道试验段的动 车组实车运行试验，研究动车组在路基和高架结 构典型无砟轨道线路条件下运行的辐射噪声与环 境振动特性。通过实际测量和仿真计算，对铁路 减振降噪效果进行分析比较和综合评估，并提出 减振降噪的措施和建议。 关键词：无砟轨道；辐射噪声；环境振动；控制 措施 表1 国内典型无砟轨道试验线路条件一览表 线路类型轨道类型桥梁结构或线路条件线路基础地质条件 高架 结构 框架型板式 坡度：4 预应力混凝土单线简支箱梁；24 m232 m 钢筋混凝土矩形实体墩，最大墩高8 m，支座类型为盆式调高支座 桥梁承台及桩基础砂泥岩风化层 路基 减振型板式 承轨台厚20 mm；轨道板厚190 mm；橡胶垫层厚20 mm CA砂浆厚40 mm；C40钢筋混凝土底座厚：160 mm 强夯黏性土34 m 双块式 钢轨：25 m长60 kg/m U75V无孔热轧新轨 扣件：WJ-7型弹性分开式扣件 C20混凝土基础 上部为级配碎石，其下为红层改良土； 基底为强夯黏性土及砂泥岩风化层 普通板式 钢轨：25 m长60 kg/m U75V无孔热轧新轨 扣件：WJ-7型弹性分开式扣件 C20混凝土基础 CFG桩黏性土56 m 发 - 39 - CHINESE RAILWAYS 2009/10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究探讨 科技 创新 动车组型号为CRH2，列车编组为4M4T，最大轴 重14 t。 1.1 列车辐射噪声源强 在路基和高架结构典型无砟轨道线路条件下，动车 组运行速度为160220 km/h时的辐射噪声值见表2。 由表2可知，近距离内，当动车组以160220 km/h 速度运行时，高架结构与路基线路相比，相同车速列车 辐射噪声约高15 dBA。 1.2 近距离垂向分布特性 动车组以200220 km/h速度通过不同线路类 型、不同轨道结构时近距离列车辐射噪声的垂向分布 见图1。 由图1（a）可知，动车组通过高架结构测点时，列 车辐射噪声最大声级出现在轨顶面以上1.5 m处，3 m和 4.5 m处的声级相差很小。动车组运行速度在220 km/h 以内时，声级最大值出现高度不受速度的影响，轨顶面 以上1.5 m处的测点，主要受轮轨噪声和部分空气动力 噪声的影响。高架结构列车辐射噪声轨顶面以上0 m， 0.5 m处声级低于1.5 m处，这是因为近场测点设置在桥 体栏杆处，测点与轨道中心线之间有高为0.7 m的防护 墙，遮挡了部分轮轨噪声向外辐射。 由图1（b）可知，动车组通过路基线路测点时，最 大声级出现在轨顶面以上0.5 m处。与高架结构相似， 路基线路声级最大值出现高度也不受速度的影响。轨顶 面以上0.5 m处的测点，主要受轮轨噪声的影响。 1.3 声源频谱特性 试验研究了路基和高架结构区段动车组通过时的噪 声频谱特性。相同车型动车组通过无砟和有砟轨道时的 声级与频率关系见图2，图3。 由图2可知，动车组通过无砟轨道时噪声最大声能 图2 典型无砟轨道不同车速时的噪声频谱特性 线路类型轨道类型 辐射噪声Leq/dBA 距轨道中心线 距离/m 距轨面 高度/m 160 km/h170 km/h180 km/h190 km/h200 km/h210 km/h220 km/h 高架结构框架型板式100.5101.5102.5103.0104.0104.5105.54.01.5 路基 减振型板式 96.5 97.5 98.5 99.5100.5101.5102.04.21.5 普通板式 99.5100.0100.0100.0100.03.03.0 双块式 99.5 99.5100.0100.0100.0100.0100.53.01.5 表2 160220 km/h速度运行时的辐射噪声Leq 图1 无砟轨道结构近距离列车辐射噪声垂向分布 （a）高架结构（框架型板式，0.7 m防护墙） （b）路基线路（减振型板式） 等效声级Leq/dBA 测点距轨面高度/m 110 105 100 95 90 85 80 0 0.5 1.5 3 4.5 200 km/h 210 km/h 220 km/h 1/3倍频程中心频率/Hz 105 95 85 75 65 45 等效声级Leq/dBA 105 100 95 90 85 80 200 km/h 210 km/h 220 km/h 图3 典型有砟轨道不同车速时的噪声频谱特性 0 0.5 1.5 3 4.5 声压级Lp/dB 20 40 80 160 315 630 1 250 2 500 5 000 10 000 20 000 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220 km/h 声压级Lp/dB 100 90 80 70 50 60 40 20 40 80 160 315 630 1 250 2 500 5 000 10 000 20 000 1/3倍频程中心频率/Hz 160 km/h 180 km/h 190 km/h 200 km/h 210 km/h 220 km/h 测点距轨面高度/m - 40 - CHINESE RAILWAYS 2009/10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究探讨 科技 创新 量主要集中在100 Hz以下低频段和5002 000 Hz附近的 中高频段，其噪声频谱特性与图3中的有砟轨道相似。 在板式轨道条件下，假设列车运行速度为240 km/h， 对钢轨近旁（离轨道中心线水平距离2 m，高于轨顶面 1.2 m）处等效声级的频谱进行仿真计算3（见图4）。 由图4可知，钢轨辐射的主要是中、高频噪声，车轮辐 射的主要是高频噪声，而轨道板则主要辐射中、低频噪 声。在1255 000 Hz频率范围内，仿真计算结果与现场 无砟轨道板式结构的测试结果基本一致。对比图2与图4 可发现，250 km/h以下速度时轮轨噪声是板式无砟轨道 的主要噪声源。 1.4 声源时域特性 CRH2动车组以220 km/h速度通过典型无砟轨道结构 区段时的噪声时域信号见图5。从图5可知，动车组通过 测点时其瞬时声级水平高于本底噪声20 dBA以上，声级 变化率在10 dBA以上。测试结果表明车速越高，瞬时声 级与本底噪声的声级差值和声级变化率越大，列车辐射 声级随车速增加有增大趋势。 1.5 列车辐射噪声与车速的关系 列车辐射噪声与车速的关系，因车型、线路条件、 轨道结构的不同略有差异。假定其他条件不变，仅考虑 车速对列车辐射噪声的影响，则有： Lv=L0+LV （1） 式中：Lv列车运行时的声级，dB； L0列车运行时的参考声级，dB； LV声级随列车速度变化的修正量，dB。 通过对无砟轨道试验段不同车速实测数据处理和分 析，可得到典型无砟轨道结构车速与LV之间的关系， 即： Lv=10nlg （2） 式中：v列车运行速度，取值范围为160220 km/h； v0列车参考速度，km/h； n常数，依轨道结构不同，在1.23.8取值。 常数n值与相关文献报道吻合4。 2 列车环境振动特性 在国内无砟轨道试验段现有条件下，根据运行速 度、线路结构、轨道结构等影响环境振动的主要因素， 对动车组运行产生的环境振动进行测试，对所测数据进 行处理、回归统计及理论分析，得出典型无砟轨道结构 下，不同速度时的辐射振动特性。 2.1 列车运行辐射振动 动车组在路基和高架结构典型无砟轨道条件下的地 面振动值见表3。 线路类型轨道类型 列车辐射振动VLz,eq/dB 参考位置 160 km/h170 km/h180 km/h190 km/h200 km/h210 km/h220 km/h 高架结构框架型板式66.066.066.066.567.068.071.0 距列车运行线路 中心线30 m地面处 路基 减振型板式77.577.578.078.079.079.079.0 普通板式75.075.076.577.077.077.578.0 双块式82.082.083.083.083.083.084.0 图5 CRH2动车组220 km/h通过无砟轨道结构时 列车辐射噪声时域信号谱 图4 板式结构轮轨噪声频谱 表3 160220 km/h速度运行时的列车辐射振动VLz,eq 声压级Lp/dB 1/3倍频程中心频率/Hz 110 100 90 80 70 60 100 160 250 400 630 1 000 1 600 2 500 4 000 6 300 车轮 钢轨 轨道板 总声级 声压级Lp/dB 108 104 100 96 92 88 84 80 76 72 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 列车通过时间/s V V0 - 41 - CHINESE RAILWAYS 2009/10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究探讨 科技 创新 2.2 地面振动频谱特性 动车组200 km/h通过有砟和无砟轨道时的振动加速 度级与频率关系见图6。 由图6可知，典型无砟轨道环境振动能量主要集中 在2080 Hz频段；车速为200 km/h时，减振型板式无 砟轨道结构引起的环境振动在80 Hz处出现最大值，有 砟轨道在2025 Hz呈现最大值。 2.3 振动时域特性 CRH2动车组以220 km/h速度通过无砟轨道结构路基 区段时的地面振动时域信号测试结果见图7。列车通过 测点时，振级大小在测量时段内变化明显，通常瞬时振 动加速度级水平高于本底振动10 dBA以上，VALz变化 率在15 dB以上，且呈现车速越高，瞬时VALz与本底振 动差值和VALz变化率越大的趋势。振动能量主要集中在 列车通过测点的正前方位置；列车辐射VALz随车速增加 有增大趋势。 3 主要噪声振动控制措施 为有效控制和降低无砟轨道列车运行引起的环境噪 声、振动的影响，主要在3个方面采取措施，即噪声、 振动源的控制；噪声、振动传播途径的控制；敏感建筑 的防护措施。 3.1 控制污染源 （1）制定相关标准。制定符合国情的客运专线列 车辐射噪声、振动标准，对铁路噪声、振动加以控制。 （2）客运专线动车组噪声、振动控制。主要技术 措施包括：保证轮轨接触面状况良好、采用盘形制动装 置，装设防滑器；采用车裙和防护墙；加装受电弓罩， 改善受电弓滑板形状、提高接触网拉力、减少受电弓数 目等；列车表面轮廓平滑化；采用轴重小、动力分散型 动车组。 （3）无砟轨道噪声振动控制。主要技术措施包 括：打磨钢轨和整修车轮，改善轮轨接触状态，控制轨 道不平顺度；采用质量弹簧系统或弹性支撑块无砟轨 道；轨道表面安装吸声板；设防护墙。 通过调整轮轨表面粗糙度系数、车轮辐板厚度、轨 下胶垫刚度和阻尼、轨道板质量等轮轨系统参数可降低 轮轨噪声5。为显示降噪效果，采用轮轨噪声仿真分析 模型进行计算，如按表4参数调整方案，计算结果表明 在1255 000Hz频率范围内轮轨噪声可下降5.4 dBA。 基于实测结果的减振降噪措施效果评估认为，同样 条件下，框架型板式无砟轨道噪声低于其他无砟轨道结 构；减振型板式引起的环境振动低于普通型板式无砟轨 道；放置吸声板后，框架型板式无砟轨道的降噪效果明 显好于其他无砟轨道结构6。 仿真计算结果表明，当轨下胶垫刚度小于200 MN/m， 阻尼为100 kNs/m时，在桥梁恒载容许范围内，适当 增加轨道板质量和厚度，增大轨下支撑和板下支撑的 弹性，均有利于降低板式无砟轨道噪声和环境振动。 图8给出了轨道板厚度对无砟轨道地面振动加速度响应 影响一例，其中地面振动考察点距离轨道中心5 m。从 轮轨表面 粗糙度系数 车轮辐板 厚度/mm 轨下胶垫阻尼/ （kNsm-1） 轨道板 质量/kg 原值3.010-735.04.5104447.0 新值1.010-760.01.0105731.0 图7 CRH2型动车组通过减振型无砟轨道时 地面振动时域信号谱 表4 调整前后的参数值 注：轮轨系统的其他参数不变；列车运行速度为240 km/h。 振动加速度及VALz,eq/dB 1/3倍频程中心频率/Hz 110 100 90 80 70 60 50 1 1.6 2.5 4 6 10 16 25 40 63 80 有砟轨道 无砟轨道 图6 动车组200 km/h通过有砟和无砟轨道时 振动加速度级与频率关系 列车通过时间/s 120 110 100 90 80 70 0.1 0.4 0.7 1 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1 3.4 3.7 4 4.3 4.6 4.9 5.2 5.5 5.8 6.1 振动加速度及VALz,eq/dB - 42 - CHINESE RAILWAYS 2009/10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究探讨 科技 创新 图8可看出，轨道板的厚度每增加60 mm,振动加速度 约降低3.6 cm/s2，板厚增大一倍，振动加速度级降低 56 dB。 对有特殊环境要求的地段，需要采取综合减振降噪 措施，例如：采用减振型轨道结构、钢轨吸振器；增加 轨道板的厚度，增大轨下支撑和板下支撑的弹性；采用 连成整体的双线桥代替单线桥，并将分片的T形梁或箱 梁联成一个整体以提高横向刚度，增强结构的整体性； 桥梁支座采用特殊设计的隔振器作支承；以桥代路基； 路基下采用桩板结构、桩网结构或CFG桩等。 3.2 针对传播途径的减振降噪措施 （1）声屏障或防护墙 试验结果表明，当列车辐射噪声以轮轨噪声为主且 声源位置较高时（如高架结构），采用防护墙可明显降 低列车运行噪声。尤其对于高速铁路桥梁线路周边敏感 点为12层的建筑物，采取防护墙是既有效又经济的降 噪措施7。 计算分析表明，当列车辐射噪声以轮轨噪声为主 时，对于桥面下方受声点，声屏障降噪效果由优到劣依 次为T型、山型（干涉型）、倒L型、内倾型和直立型； 对于桥面上方受声点，内倾型与倒L型声屏障降噪效果 比较接近，近场时的T型声屏障降噪效果优于山型，而 远场则相反。在声屏障内敷吸声材料，可降低钢轨近旁 噪声23 dB。再生吸声材料的降噪效果最显著，陶瓷 材料的降噪效果最差，而无机材料、轻质混凝土材料 和细化碎石的降噪效果相当，位于再生材料和陶瓷材料 之间。在声屏障内侧敷设吸声材料，钢轨近旁噪声降低 23 dBA，近地面噪声降低约1.52.0 dBA。 （2）路基线下基础的影响 试验研究证明，虽然不同板式无砟轨道板底座之间 的振动加速度最大值有较大差异，但经过底座传递到线 下不同基础再到大地的环境振动，则在很大程度上受路 基线下基础（如桩网结构等）、桥梁墩下基础（明挖扩 大基础或柱桩基础）和地质条件的影响。一般而言，桥 梁线路的环境振动远低于路基线路。 （3）波障措施 仿真计算分析表明波障措施有助于减少振动的传 递，隔振沟对竖向振动可起到较好的减振效果8，在 自身几何尺寸和位置一定条件下，其隔振效果与车速 有关。100300 km/h车速范围内，隔振系数大致为 0.450.6；随着列车速度的提高，隔振效果减弱；如果 车速小于180 km/h，隔振系数将在0.5以下，隔振效果 较好。 3.3 敏感点（区）的噪声振动防护 目前我国对受铁路噪声、振动影响的敏感点（区） 采取的控制措施，主要包括城镇乡村规划、建筑物合理 布局、设置隔声窗和置换建筑物功能等。其中应用较广 的为设置隔声窗，隔声窗主要保证敏感建筑物室内声学 环境的要求。由于振动特性和建筑物振动响应的差异 性，受保护建筑的减振技术复杂，难以作为广泛应用的 工程措施，在国内铁路现阶段几乎无例可循。 4 结论及建议 通过实际测量和仿真计算分析，对客运专线无砟轨 道噪声振动特性及减振降噪措施进行研究探讨，得到如 下结论： （1）通过近距离列车辐射的垂向分布特性测试可 知，动车组以小于等于220 km/h速度运行时近距离列车 辐射噪声最大声值出现高度与速度关系不明显。动车组 速度低于250 km/h时，轮轨噪声是主要噪声源。 （2）动车组以小于等于220 km/h速度运行通过无 砟轨道时，其频谱特性与有砟轨道相似；减振型板式无 砟轨道结构引起的环境振动频谱特性与有砟轨道不同。 （3）在160220 km/h运行速度范围内，相同车速 时高架结构与路基线路无砟轨道相比，列车辐射噪声约 高15 dBA。 （4）在无砟轨道表面安装吸声板，线路设防护 墙，调整轮轨表面粗糙度系数、车轮辐板厚度、轨下胶 垫刚度和阻尼、轨道板质量等轮轨系统参数均可降低轮 轨噪声。 （5）路基线下基础采用桩网结构、桥梁墩下基础 图8 轨道板厚度对无砟轨道地面振动加速度响应的影响 加速度/ms-2 板厚/mm 0.36 0.30 0.24 0.18 140 200 260 320 380 440 500 - 43 - CHINESE RAILWAYS 2009/10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究探讨 科技 创新 采用明挖扩大基础或柱桩基础可有效控制铁路环境振 动。桥梁线路的环境振动远低于路基线路。 对于噪声、振动的取值，仅通过几次试验是远远不 够的，需要长期积累数据，不断对实测数据进行修正。 今后尚需结合客运专线无砟轨道250 km/h以上的试验做 进一步研究，特别是加强地面振动与不同车型、车速、 基础地质条件关系的研究。 参考文献 1 中国铁道科学研究院. 客运专线无砟轨道区段噪声 振动及治理措施的研究R，2007.7 2 中国铁道科学研究院. 遂渝线无砟轨道试验段综合试 验总报告R，2007.3 3 徐志胜，翟婉明. 轮轨滚动噪声激扰模型研究J. 中国铁道科学，2007，28(6):75-79 4 铁道科学研究院高速铁路技术研究总体组. 高速铁 路技术. 北京：中国铁道出版社，2005 5 徐志胜，翟婉明. 高速铁路板式轨道结构参数对轮 轨噪声的影响J. 交通运输工程学报，2006,6(4): 23-26 6 马筠. 对无砟轨道吸声板降噪措施效果的评价与分 析J. 铁道劳动安全卫生与环保，2008，35(3): 111-114 7 马筠. 对高速铁路声屏障降噪效果影响因素的探讨 J. 铁道劳动安全卫生与环保，2008，35(1):5-8 8 和振兴，翟婉明. 列车移动轴荷载作用下的地面振 动及隔振研究J. 铁道科学与工程学报，2007，4 (5):73-77 责任编辑 王肖文 收稿日期 2009-07-06 9月3日，中俄总理定期会晤委员会运输合作分委会第 十三次会议在北京举行。会议在诚挚友好的气氛中进行， 双方就共同关心的问题深入交换了意