王薇，尹俊濤，丁篷，黃敘

(中南大學土木工程學院，湖南長沙410075)

近年來隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，城市不斷擴大，許多原來處于城市邊緣的鐵路干線，逐步成為深入城市居民密集區(qū)的過境城市鐵路干線。經(jīng)過幾次提速，穿越城區(qū)鐵路列車在運行過程中產(chǎn)生的噪音給鐵路沿線的城市居民生活帶來了嚴重的不良影響［1－2］，治理鐵路噪聲污染的問題刻不容緩?，F(xiàn)階段可采用的降噪措施中，對于高層建筑物，修建隔音墻、隔音屏障的減噪措施遠遠不能滿足要求，只能通過隔音隧道的修建達到理想的降噪效果。因此，隔音隧道作為公認為交通干線降噪中效果最顯著的措施之一，日益受到人們的重視［3－5］。

目前，國內(nèi)外對隔音隧道日益重視，國內(nèi)已有少量的公路隔音隧道工程應用實例，這些都為長沙市內(nèi)鐵路干線隔音隧道的實現(xiàn)提供了借鑒。但至今為止，對城市內(nèi)既有鐵路干線隔音隧道的設計和施工方法以及隔音隧道空氣動力學研究還處于前期階段。所以，根據(jù)長沙市鐵路干線的特點，展開鐵路隔音隧道設計流程、方法等方面的研究，對長沙市內(nèi)鐵路干線隔音隧道的設計研究具有現(xiàn)實參考意義。

1 長沙市主城區(qū)隔音隧道修建可行性分析

1.1 主城區(qū)鐵路沿線噪音污染現(xiàn)狀

根據(jù)鐵路部《鐵路邊界噪聲限值標準》，在距鐵路外側(cè)軌道中心線30 m處，晝夜間等效聲級限值Leq≤70 dB，居民區(qū)噪聲值超過以上值的鐵路線段即為有潛在需要采取降噪措施修建隔音隧道的鐵路路段。隨著長沙市列車產(chǎn)生的噪音越來越大，列車經(jīng)過時30 m處居民住宅窗外噪聲值達到80 dB，鳴笛時更高達 90 dB［5－7］，如今長沙市主城區(qū)內(nèi)已有20 km鐵路沿線的居民受到列車噪聲的極大影響。因此，必須要采取必要的降噪措施來減輕或消除鐵路噪音污染。然而對于長沙鐵路沿線的高層、小高層建筑物，修建隔音墻、隔音屏障的減噪措施對于高層的居民幾乎不起任何降噪效果［8－9］。所以，在長沙市內(nèi)修建隔音隧道迫在眉睫。

1.2 隔音隧道修建范圍確定

隔音隧道能最有效地解決鐵路噪音問題，但其修建費用較高、涉及方面多，需要通過評估確定需要修建鐵路隔音隧道的路段范圍，達到利用合理的資源取得最佳的降噪效果。

根據(jù)北京市地下鐵道設計研究所對某聲屏障的測試結果，聲屏障對鐵路兩側(cè)過高的建筑物(7層以上)基本不起屏蔽作用。因此，當60 m范圍內(nèi)有超過7層的噪音敏感建筑物時［10－12］，可以納入可能需要修建隔音隧道的線路段，并進行實地調(diào)研分析。通過對長沙市區(qū)內(nèi)京廣鐵路線沿線兩側(cè)環(huán)境的實地調(diào)研分析，最后確定長沙市區(qū)既有鐵路(京廣線)修建隔音隧道的位置，具體修建地點如表1所示。

表1 長沙市區(qū)京廣鐵路隔音隧道修建區(qū)段Table 1 Railway soundproof tunnel section of Beijing－Guangzhou railway construction in Changsha

2 長沙市既有鐵路干線隔音隧道設計研究

修建隔音隧道是將鐵路噪音控制在一個允許范圍的有效措施，以便解決長沙市鐵路兩側(cè)的噪音污染問題。鐵路隔音隧道在消除、減小鐵路噪音污染問題的前提下，也要確保列車的運營安全，設計中要考慮的因素眾多［13－14］。鐵路隔音隧道既有隧道結構的特點，需要考慮高速列車通過時的空氣動力學效應;同時又是位于地面之上的建筑物，還需考慮地面環(huán)境荷載如自然風荷載等問題。因而必須綜合隧道和地面建筑物的特點，充分考慮不同荷載及組合作用，進行隔音隧道安全性、功能性和耐久性等方面的設計［15－17］。

2.1 鐵路隔音隧道總體設計流程

城市內(nèi)鐵路干線隔音隧道的規(guī)劃設計直接關系到對鐵路兩側(cè)城市環(huán)境、城市經(jīng)濟和列車運營安全，在規(guī)劃設計中需要考慮到包括安全、經(jīng)濟和社會環(huán)境影響等多方面的一系列問題。主要工作內(nèi)容包括工程可行性研究工作、隔音隧道選型設計以及隔音隧道的結構設計，同時結合對隔音隧道的數(shù)值模擬分析，形成鐵路隔音隧道的總體設計流程圖，如圖1所示。

圖1 鐵路隔音隧道整體設計流程圖Fig.1 Design flow chart of railway soundproof tunnel

2.2 隔音隧道截面形式和隔音板材料分析研究

2.2.1 截面形式選擇

長沙市區(qū)內(nèi)京廣鐵路線線路段為雙線軌道，通過對長沙市鐵路隔音隧道截面形式的研究，因拱形要求較大的修建空間，所以長沙市區(qū)京廣線鐵路隔音隧道可以考慮選取的截面形式有圓弧形截面和矩形截面兩種形式。但考慮到圓弧形的結構截面形式對于承受隧道列車風比較有利，以及形式美觀符合城市景觀的因素，因此隔音隧道截面形式選用圓弧形設計。又根據(jù)TB1003－2005《鐵路隧道設計規(guī)范》和《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》中的要求，雙線隧道斷面面積應不小于80 m2;在分析了長沙市區(qū)京廣線軌道間距、建筑界限要求及今后的維護施工空間要求，并通過數(shù)值模擬驗算其在空氣動力學作用下的安全性，推薦采用100 m2凈空的斷面形式，如圖2所示。

圖2 隔音隧道斷面內(nèi)輪廓(凈面積100 m2隧道斷面)Fig.2 Section inner contour of railway soundproof tunnel

2.2.2 隔音板材料研究

隔音隧道隔音板既要起到隔音、吸聲降噪的作用，又要承受外部風荷載、雪荷載及隧道內(nèi)部的列車風荷載的作用，要綜合考慮隔音效果和結構受力方面的要求，現(xiàn)階段已經(jīng)應用在公路、城市輕軌上隔音隧道的隔音材料有多種，如表2所示。

表2 隔音板材料比較Table 2 Comparison of insulation materials

長沙屬亞熱帶季風氣候，四季不甚分明。春末夏初多雨，夏末秋季多旱;春濕多變，夏秋多睛，嚴冬期短多雨，暑熱期長。全年無霜期約275 d，年平均氣溫16.8～17.2℃，極端最高氣溫為40.6℃，極端最低氣溫為－12℃。在長沙這種自然環(huán)境變化較大的地區(qū)，鐵路隔音隧道材料的除了強度方面的要求外，還要有良好的耐候性。通過對鐵路隔音隧道材料的分析對比，根據(jù)長沙市的氣候特點，PC耐力板雖然造價偏高，但從耐候性、耐久性方面看，相對于其他類型的隔音材料來說，比較適合應用在長沙市的環(huán)境下。

2.3 鐵路隔音隧道空氣動力學安全性分析

研究表明，當列車以200 km以上時速通過鐵路隧道時，產(chǎn)生的空氣動力學效應會造成旅客和乘務人員耳膜明顯不適、舒適度降低，同時也會降低隔音隧道結構的穩(wěn)定性［18－20］。穿長沙城區(qū)而過的京廣鐵路線列車最高時速160 km，將來有可能通過舊線改造提速到200～250 km/h。因此，采用有限元軟件對列車通過時的隧道空氣動力學效應以及由高速列車脈動風引起的風致響應進行三維數(shù)值模擬研究，為降低高速列車的空氣動力學效應提出一些指導性建議是非常具有工程價值的。

2.3.1 計算物理模型

本文機車模型根據(jù)CRH2動車組建立。為控制計算規(guī)模，采用3節(jié)車編組，列車全長76.5 m，車寬3.38 m，高度3.70 m，如圖3 所示。

隔音隧道橫斷面采用前面長沙市區(qū)鐵路隔音隧道初步設計確定的斷面模型，建立計算區(qū)域時，考慮到流場的充分發(fā)展，在保證計算精度的前提下盡量控制計算規(guī)模，經(jīng)多個模型的初步計算比選，最終確定的計算模型如圖4所示。

圖3 CRH2列車計算模型Fig.3 Calculation model of CRH2 －Train

圖4 隧道空氣動力學效應計算模型示意圖Fig.4 Model for the calculation of tunnel aerodynamic effect

2.3.2 隔音隧道壓力場變化規(guī)律研究

通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，隧道結構在列車通過時受到大幅度正負壓波動空氣壓力的作用，在進行動力分析時，對其簡化計算為:周期為T=0.2 t，波動幅值如表3和4列出的正負壓幅值的周期荷載作用。其中t為列車進入到完全駛出隧道的時間。

表3 時速200 km列車通過隔音隧道時壁面測點最大壓力Table 3 Maximum pressure when the train go through soundproof tunnel with the speed of 200 km Pa

表4 時速250 km列車通過隔音隧道時壁面測點最大壓力Table 4 Maximum pressure when the train go through soundproof tunnel with the speed of 250 km Pa

由表3和表4可以看出，時速為250 km的列車對隔音隧道中所產(chǎn)生的空氣動力學壓力效應，無論是在形成的壓強上，還是在所產(chǎn)生的壓強差，都明顯高于時速為200 km的列車;在隧道中點時最大壓力高達1 691.3 Pa，并產(chǎn)生了3 075.1 Pa的壓力差。因此，在既有鐵路干線上修建隔音隧道可能導致乘客嚴重的不適感，同時也會降低隔音隧道結構的穩(wěn)定性，需采用降速等措施減少空氣動力學效應帶來的不利影響。

2.3.3 隔音隧道荷載頻譜分析

由3.4.2對隔音隧道內(nèi)空氣壓力場的分析，表明時速200 km/h和250 km/h的列車通過隔音隧道時，隧道結構將承受正負壓變化幅值較大的氣動波動力作用;在這種波動荷載反復作用下，如果設計時沒有充分考慮隧道氣動疲勞荷載破壞效應的話，將會導致隔音隧道結構正常使用年限縮短，甚至出現(xiàn)疲勞破壞而威脅到列車的運營安全。因此，有必要對高速列車下的隔音隧道作空氣動力學疲勞荷載譜分析。

通過模擬分析時速分別為200 km/h和250 km/h的列車通過隔音的氣動力疲勞荷載譜，并對列車通過隧道時的空氣動力疲勞荷載譜的最高頻率進行了統(tǒng)計，如表5所示。

表5 列車通過隧道時隧道氣動力疲勞荷載譜最高頻率Table 5 Highest frequency of aerodynamic fatigue load when the train go through soundproof tunnel

從以上對時速200 km/h和250 km/h列車通過隧道時隧道受到氣動疲勞荷載譜頻域圖及表5對其的統(tǒng)計可以看出，隧道內(nèi)每個斷面測點的氣動疲勞荷載幅值主要集中在0.008～0.44的低頻率段，頻率范圍在0～80 Hz內(nèi);但列車時速250 km情況下幅值較時速200 km情況下大，說明隨著列車速度的提高，隧道內(nèi)氣動力荷載的變化也更加劇烈，對結構造成的疲勞受力影響也越大。因此設計中除了對隔音隧道的靜力進行計算外，還要充分考慮到氣動疲勞荷載的作用，確保隔音隧道在運營期間的耐久性和安全性。

3 總結與展望

(1)提出了既有鐵路干線隔音隧道的總體設計流程圖，并結合長沙市鐵路干線的實際情況，對長沙市隔音隧道的修建進行了設計研究。

(2)通過對隔音隧道進行空氣動力學分析，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)氣動疲勞荷載幅值主要集中在0.008～0.44 Hz，屬于低頻率段;且降低列車時速能夠明顯緩解隔音隧道的空氣動力學效應，同時也能減弱氣動力荷載變化的劇烈程度，減小對結構造成的疲勞影響，從而提高鐵路隔音隧道在結構受力上的安全性。

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