宋天昊 李俊璽 馮杜煬 吳思行

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

近年來，我國城市軌道交通建設發(fā)展迅猛，伴隨而來的由城市軌道交通車輛運營引發(fā)的振動及噪聲問題一直是其環(huán)境影響的疑難問題，隨著新建速度超過100 km/h的城市軌道交通線路逐漸增多，軌道和列車振動噪聲帶來的環(huán)境影響日趨復雜，對沿線周邊的環(huán)境影響突出。準確合理地選取噪聲源強數(shù)值對城際鐵路沿線的噪聲預測具有重要意義。[1]

目前城際鐵路噪聲源強的取值主要參考HJ 453—2018《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》[2]，采用現(xiàn)場實測類比方法。

劉蘭華等通過現(xiàn)場實測，得出了60～90 km/h速度范圍內(nèi)高架線路區(qū)段噪聲聲級水平[3]。劉海東等通過現(xiàn)場實測得出了運行速度80 km/h的高架線路噪聲源強數(shù)值[4]。韓麗搜集了國內(nèi)多條包含路基與橋梁地段的地鐵線路噪聲源強取值[5]；辜小安等通過現(xiàn)場測試，分類給出了高速鐵路、城際鐵路、市域鐵路、城市軌道交通動車組在下部基礎為路基、橋梁時的運行噪聲源強數(shù)值[6]。

國內(nèi)針對運行速度低于100 km/h的地鐵線路的噪聲源強實測數(shù)據(jù)豐富，但近年來發(fā)展迅速的城際鐵路則缺少噪聲源強測試數(shù)據(jù)。明確噪聲源強的數(shù)值對于提高城際鐵路環(huán)境評價的精度與準確性具有重要意義[7]。通過建立輪軌系統(tǒng)聲輻射預測模型，依據(jù)廣清城際鐵路實測噪聲數(shù)據(jù)對模型進行驗證，基于預測模型的計算結(jié)果提出不同設計速度等級線路的噪聲源強建議值，為新建城際鐵路線路提供參考。

2 輪軌系統(tǒng)聲輻射預測模型

既有研究表明，隨著列車運行速度提高，聲源特性將發(fā)生轉(zhuǎn)變[8]，列車運行速度低于200 km/h時，噪聲源強的貢獻以輪軌噪聲為主。為提高計算效率，不考慮氣動噪聲對總噪聲的貢獻。

2.1 模型的建立

基于半解析的有限元方法建立輪軌系統(tǒng)聲輻射模型?；谳唽Φ妮S對稱性，采用傅里葉級數(shù)法和有限元方法建立了一系列在環(huán)向解耦的振動方程，通過求解這些振動方程組可以得到輪對的節(jié)點柔性振動響應和5個剛體運動：垂向平動、橫向平動、旋轉(zhuǎn)、側(cè)滾及搖頭，值得注意的是求解過程中只需要離散輪對二維剖面網(wǎng)格即可得到三維旋轉(zhuǎn)輪對在靜載作用下的振動響應。將轉(zhuǎn)向架構架、軸箱及轉(zhuǎn)臂當作一個質(zhì)量剛體，將一系垂向鋼簧、輪對及軸箱之間的接觸模擬為彈簧，將一系垂向減震器及其兩端的橡膠接頭模擬為彈簧和粘滯阻尼器相互串聯(lián)的結(jié)構，預測模型不考慮構架之上的二系懸掛及車輛結(jié)構，建立得到輪對及其上部結(jié)構模型(見圖1)。將單位諧荷載激勵下計算得到的不同節(jié)徑輪對表面法向振動代入到基于環(huán)向離散的邊界元方程中，即可得到輪對的聲輻射功率。

圖1 輪對及其上部結(jié)構模型

輪和軌通過垂橫向的線性接觸彈簧進行連接，值得注意的是，橫向接觸彈簧需要串聯(lián)一個粘滯阻尼器以模擬橫向的蠕滑阻力[9]。模型引入的粗糙度來自于德國低干擾譜[10]?？奂荒M為離散支撐的彈簧，連接軌道板和鋼軌，形成了周期性的離散支撐結(jié)構；鋼軌在垂向被模擬為鐵木辛柯梁，在橫向被模擬為由軌頭、軌腰、軌底構成組合梁，均采用2.5維方法進行求解，以考慮其無限長的特性[11]；計算單位移動荷載激勵下的鋼軌及軌道板垂向振動，通過瑞利積分求解其對標準點的聲壓貢獻值[12]。模型需考慮軌道板的聲反射影響[13]。輪軌系統(tǒng)及聲學空間示意見圖2。

圖2 輪軌系統(tǒng)及聲學空間

輪軌力計算采用向車輛運行的反方向抽取的等效方法。采用該方法，輪軌力可寫為

P(w)=-[DW(w)+DR(w)+DC(w)]-1Z(w)

(1)

式中，DW(w)為車輪導納矩陣；DR(w)為軌道導納矩陣；DC(w)為接觸彈簧導納矩陣；Z(w)為粗糙度向量；P(w)為輪軌力向量。

如果考慮單個輪對和軌道的橫垂向耦合，同時左右粗糙度相等，有

(2)

具體的輪軌噪聲貢獻計算流程和方法參見文獻[14]，該方法無需基于商業(yè)計算軟件，是基于編程軟件對該方法進行編譯并計算。

國內(nèi)既有通車城際鐵路線路中，在120～160 km/h速度范圍內(nèi)通常采用市域D型車[15]，而在160 km/h以上速度范圍內(nèi)通常采用CRH6型車[16]。兩種車輛計算關鍵參數(shù)見表1。

表1 車輛建模關鍵參數(shù)一覽

2.2 模型驗證

廣清城際線路設計速度為200 km/h，采用8節(jié)編組CRH6型動車組列車，全線線下基礎含橋梁、隧道及路基，全線鋪設CRTS雙塊式無砟軌道。選擇廣清城際鐵路非減振地段直線段進行測試，測點位置行車速度為185 km/h。測點布置示意見圖3，為不影響列車運營安全，測點1和測點2布置在距線路中心線13 m處，測點1距軌面高度為1.2 m，測點2距軌面高度為3.5 m。

圖3 測點位置示意(單位：m)

測試采用UNV3062V網(wǎng)絡分布式采集儀、INV9206型ICP聲壓傳感器，頻響范圍20～20 kHz，量程20～146 dB，采用HS6020型聲壓校準器進行校準。所用聲壓傳感器、校準器均由具備資質(zhì)的第三方機構檢定及校準合格。

測試處于高峰期段的10組實測數(shù)據(jù)取均值與仿真數(shù)據(jù)進行對比，實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比見表2。測點1和測點2的預測值較實測值偏差在2 dB(A)以內(nèi)，驗證了預測模型可以適用于城際線的環(huán)境噪聲預測。

表2 測試與預測結(jié)果對比

3 噪聲源強預測

根據(jù)HJ 453—2018《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》，路基段噪聲源強位于距軌道中心線7.5 m、鋼軌頂面3.5 m高處。

基于前文建立的輪軌系統(tǒng)聲輻射模型，計算得到不同速度下噪聲源強的預測值。仿真模型中軌道結(jié)構為裝配式預制軌道板整體道床，扣件采用普通彈性扣件，設計速度120～160 km/h時采用市域D型車，設計速度160～200 km/h時采用CRH6型車。匯總兩種速度等級下地面線噪聲源強建議值見表3、表4。

表3 120～160 km/h地面線環(huán)境噪聲源強

表4 160～200 km/h地面線環(huán)境噪聲源強

《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》給出了噪聲源聲壓級隨速度的修正：Cv=alg(V/V0)，V0為基準速度，通常為車外噪聲的測試速度，a值為速度修正項系數(shù)。通過測試得到的噪聲值對其他速度下的噪聲值開展預測時需要加該修正值進行修正，即：SPL=SPLV0+Cv，SPLV0為V0速度下的聲壓級。因此，對等效A聲級進行擬合時，有

SPL=alg(V/120)+b

(3)

式中，V為列車的運行速度；120代表120 km/h的基準速度，基準速度的選取不會影響擬合的速度修正項系數(shù)a值，將不同速度下的聲壓級帶入上式進行擬合，可以得到擬合的a值和b值；a值表示聲壓隨速度的增大速率；b值為120 km/h基準速度對應的擬合聲壓級。將速度120～200 km/h噪聲源強預測結(jié)果帶入擬合公式，得到路基段的速度修正項系數(shù)a值為24.9，低于《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》中的速度修正項系數(shù)30。

4 結(jié)論

基于有限元方法建立了輪軌系統(tǒng)聲輻射預測模型，并在廣清城際鐵路現(xiàn)場進行了實測，驗證了仿真模型的準確性。基于預測模型計算得出城際鐵路不同速度下適用于《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》的噪聲源強建議值，主要結(jié)論如下。

(1)地面線噪聲源強(位于距軌道中心線7.5 m高、鋼軌頂面3.5 m處)，設計速度120～160 km/h時噪聲源強建議值在94.6～97.6 dB(A)之間，設計速度160～200 km/h時噪聲源強建議值在97.6～102.5 dB(A)之間。

(2)根據(jù)實測數(shù)據(jù)與仿真模型計算結(jié)果擬合得到的《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》提出的噪聲源聲壓級速度修正項系數(shù)為24.9，低于該標準中提出的速度修正項系數(shù)30，研究結(jié)論可為后續(xù)新建城際鐵路線路環(huán)境評價噪聲源強取值與線路降噪設計提供參考。