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  • 城市轨道交通高架线环境景观适应性探讨

    作者:马军旺 来源:中国地铁工程咨询有限责任公司 发布时间:2016年12月5日 17时10分



  • 作者简介马军旺,男,硕士研究生,工程师,从事轨道交通规划、工程可行性研究,

          majunwang2008@163.com


    摘 要  目前我国轨道交通线路存在着地下线过多,其他敷设方式占比过少的问题。相对于地下线来说,高架线在条件允许的地方优势非常明显,但也存在一些环境和景观问题。环境景观的适应性是评价高架线是否可行的关键因素。本文结合长春市快速轨道交通北湖线一期工程可行性研究工作实践,对高架线的环境景观适应性进行了探讨,从车辆、结构、轨道、建筑、声屏障等多个方面进行全方位的减振降噪研究和景观优化设计,提出了综合整治、优化的方案。通过采取多种措施,可以有效的降低高架线对周边环境、景观的影响,能够满足相关要求。从促进轨道交通快速发展、降低城市财力负担等方面来看,在类似于长春这样的中等规模城市和外围组团中,应大力发展环境景观适应性好的高架线路。

    关键词  城市轨道交通;高架线;环境;景观;减振降噪;C型车;U型梁

    引 言
    1

    随着城市化发展和随之而来的交通拥堵问题,国内各城市日益青睐于大运量的轨道交通。截止到2014年末,全国22个城市共开通运营3173公里的轨道交通线路,其中,地铁占四分之三,其他各种方式仅占四分之一。这说明我国城市轨道交通依然存在着以地铁为主,模式单一的问题[1]。随着北京、上海等大城市核心区地铁骨干网陆续完善后将逐步转向中低运量的补充线路和市域快线建设;同时,受限于城市规模、财力和交通需求,轻轨、有轨电车等中低运量制式将是中小城市和特大城市卫星城构建交通骨干网的重要选项,因此,未来轨道交通必将呈现出各种功能层次和敷设方式协调发展的趋势。

    与地下线相比,高架线有着建设和运营费用低、工期短等优势,但也存在噪音、振动等环境污染和景观影响。正是由于环境和景观的问题,使得部分线路由高架线被迫改为地下线,从而导致工程建设和运营费用大幅增加,工期大大延长,非常不利于轨道交通的协调健康发展。而且建设规划审批时,评价高架线是否可行,首先要考虑的问题,就是工程方案是否与周边环境和景观相协调,是否满足相关环保要求。因此,高架线的环境和景观适应性问题必须引起重视,这对于急需发展轻轨、单轨等系统的中等规模城市的轨道交通发展尤其重要。

    项目概况
    2

    长春市在多层次、多种敷设方式的轨道交通发展方面做得比较好,坚持了“先轻轨、后地铁”的发展模式。运营中的轻轨34号线位于中心城区,采用了地上线为主、地下线为辅的敷设方式。在环保部门组织的环保评价中,轻轨34号线的环保效果良好,完全能够满足相关要求。这说明只要采取措施适当,地上线也可以获得好的效果。即将建设的长春市北湖线一期,也将采用全高架线的敷设方式。本文结合长春市快速轨道交通北湖线一期工程可行性研究的工作实践,对高架线的环境景观适应性进行了探讨,从车辆、建筑、结构、轨道、设备等全方位的环境保护措施进行研究,提出了综合整治、优化的方案,为高架线在类似中等规模城市和建设环境中的顺利实施提供参考。

    北湖线为联系长春市中心城北部与长东北片区的骨干公交线路,承担中运量、快速出行,作为大运量轨道交通系统的补充、延伸,带动新区起步。一期工程线路长13.4km,设车站13座,全部为高架线。线路沿线多条道路宽度达到114m,主辅路绿化带宽20m,周边地块为新开发或待开发,工程建设条件很好(图1。沿线多为居住、教育科研、湿地公园、金融等地块,考虑新区未来发展和沿线环境要求,需要对该线的环境和景观影响进行重点研究。



    图1 北湖线一期工程线路走向示意图


    环境保护措施
    3

    高架线对周边环境产生的影响,最主要的关注点是振动和噪音污染。高架线路在列车运行时,由于轮轨间相互作用产生的振动,其振动波通过桥梁上部结构、墩台、承台、桩基等传至地面,从而引起地面建筑物的振动,会对周围环境产生影响。另外,列车运行时的轮轨接触噪声、车辆本身的噪声,以及桥梁结构振动产生的辐射噪声等,也会对周边居民的工作、生活产生巨大影响。因此,必须采取有效措施,将环境影响降到最低。

    而高架线的振动和噪音控制是一项全方位的综合性工作,它牵涉到车辆、桥梁、结构、轨道、声屏障等多种因素。为了尽可能的减小高架线对周边环境的影响,应考虑从振动和噪音污染污染源和传播途径上采取全面措施,以取得较好的效果。

    3.1 车辆

    车辆在列车运行中产生的轮轨噪音和振动是高架线产生的主要环境污染源之一,车辆的性能会直接影响到振动和噪音的大小,在车辆构造上进行减振设计对控制轨道交通振动和噪音作用重大。

    车轮是与轨道直接接触的车辆构件。通过对弹性车轮和刚性车轮的振动特性和噪声对比试验研究,证明弹性车轮可以明显降低车轮的噪声值,明显缩短噪声的衰减时间,能够改善噪声的频谱特性[4]。根据国内外的有关研究资料,采用弹性车轮可降低振动410dB[5]。另外,选用轴重轻、车体材料轻量化的车辆,也有利于降低轮轨撞击而产生的噪音和振动。

    考虑到高架线的环境和景观要求,北湖线采用了与运营中的4号线一致的长客厂70%低地板C型车(图2。该种车型采用了弹性车轮,橡胶减振,封闭式铝合金车身,采用变频变压技术,液压电制动,最大轴重只有12t,具有轻量化的优点。根据1所示统计资料,该车型比国内相似线路上运行的轻轨列车的噪声要低的多,从根本上降低了列车运行时的噪声和振动污染。该种车型的先进性和减振降噪效果在长春市轻轨系统净月线的环保验收报告中已经得到证实,这也是长春市快速轨道交通工程车辆有别于国内其它城市的一个特点[6]


    图2 C型车外形和弹性车轮构造图

    表1 C型车与国内现有运行中车辆对比



    3.2 线路

    线路在设计过程中,受到周边建筑、管线、不良地质、文物等影响,不得不采取小半径曲线进行绕避。小半径曲线不仅影响乘客舒适度、限制运营速度,也会产生较大的轮轨磨耗和刺耳的轮轨尖叫噪音。曲线尖叫噪音源于车轮通过曲线时由于承受巨大蠕滑力而产生的不稳定性共振,黏着滑动振动形式(更精确的说是滚动滑动)的摩擦不稳定性引起车轮的共振,车轮的振动产生了噪音[7]。因此,在从减小振动和噪音污染等方面来说,在线路设计中,尽可能采用大半径曲线,并尽量使得线路中心偏离敏感建筑。

    北湖线一期工程选用的C型车最高运营速度为70km/h。线路曲线半径全部设计为150m以上的半径曲线,且90%左右为300m以上的较大曲线半径,有效的减小了小半径曲线个数,有利于列车运营速度提高和减小振动和噪音影响。

    表2 北湖线线路平面曲线统计表


    另外,敏感建筑距线路中心距离越远,其噪声影响越小。根据相关资料,在距线路中心30m处的噪声即可降低5dB(A)左右。因此,线路设计时也应尽可能的远离敏感建筑。北湖线线路与沿线建筑最近距离为31m,初步能够有效降低噪声和振动影响。


    3.3 结构

    为了尽量减小振动和噪声污染,高架线桥梁结构应该优先采用混凝土梁及整体性好、振动小的结构形式;尽可能采用合理的跨度和自振特性,以避免高速运行的列车与结构产生共振。另外,墩台应采用桩基础,也可获得较浅平基础好的减振效果。而对于上部结构的梁型截面,结合各自优缺点,进行对比选优。

    箱梁结构是目前国内广泛采用的高架桥结构形式之一,它具有闭合薄壁截面,抗扭刚度大,整体受力性能好、动力稳定性好,但施工复杂,造价较高,预制施工时,运输吊装比较困难。而且当列车行驶时,带有“空腔”结构的箱形梁会起到乐器“共鸣箱”的作用,导致噪声的二次传播,影响较大。当箱梁架设声屏障时,景观效果又很差。T梁虽然受力简单,造价低,但是同样存在环境景观效果较差的缺点,应用较少。

    U型梁是槽型梁在城市轨道交通中演化的一种新型结构,在降低噪音方面具有突出的优点。与箱梁相比,U型梁腹板结构具有阻隔轮轨噪音的作用,其轮轨噪音的扩散角度比箱梁小,而且U型梁没有列车震动引起的箱梁体内的混响噪音。其总体降噪效果与传统箱梁设置3米高声屏障的效果相当,两侧腹板可以降低约6dB的噪音[8]


    图3 U型梁与箱梁噪音扩散角度对比


    图4 U型梁与箱梁对比示意图

    北湖线一期92%左右的区间采用U型梁结构。鉴于U型梁良好的降噪效果和景观效果,将会非常有利于减小北湖线列车运营后对周边的环境影响。

    3.4 轨道

    轨道结构起着列车运行的导向作用,直接承受列车荷载,并将荷载传递给轨下基础部分。根据振动理论,轮轨之间的振动噪声与轨道各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关,轨道结构的减振降噪主要是通过改变结构参数来实现[9]。合理的选择轨道结构类型,对于减振降噪效果有非常大的意义。

    1)钢轨和无缝线路

    轨道交通常用的钢轨类型中,60kg/m钢轨具有良好的动力响应特性和更大的稳定性,在长期运营中能保持良好的平顺性,并能减少养护维修量,延长轨道使用寿命,其技术、经济综合指标最佳。根据相关研究,60kg/m稳定性能和抗振性能良好,可有效抑制钢轨的垂向振动。与50kg/m钢轨相比,60kg/m钢轨的垂向刚度增加,可以把列车冲击而产生的振动降低10%[10]

    为了获得更好的减振降噪效果,北湖线一期工程正线及辅助线均优先采用60kg/m的重型钢轨。

    2)道床结构。

    不同道床形式的轨道结构,其振动影响也不一样。一般来讲轨道刚性越低,质量越大,轨下振级越小。不同轨道结构的振动修正值见3

    表3 不同轨道结构的振动修正值



    通过综合对比分析,可以知道,轨道减振器和Lord扣件、弹性短轨枕整体道床、浮置板轨道等道床结构,虽然减振效果很好,但是造价较高。相比而言,碎石道床结构属于弹性结构,其散粒体结构使其具有良好的弹性,能够有效的减缓和吸收轮轨的冲击和振动。在相同条件下,碎石道床较整体道床可减少振动约5dB,并能够相应减少结构的二次噪声[11]

    考虑到碎石道床具有良好弹性和低造价的特点,北湖线一期全线采用碎石道床结构。同时考虑到运营中的34号线均为碎石道床结构,长春市在碎石道床的养护维修上积累了丰富的经验、技术和设备,养护维修也不存在问题。

    3)无缝线路

    无缝线路最大限度的减少了钢轨接头,能够有效地减少轮轨间的冲击力,使列车运行的基本单位阻力减少10%~20%,减少了脉冲型激扰源,从而减少了振动和噪声。据欧美国家资料介绍,运营噪声可降低2~10dB[9]。所以在条件允许时,应尽可能的采用无缝线路。

    考虑到北湖线一期采用碎石道床,推荐正线直线段及曲线半径≥400m的曲线地段均铺设无缝线路,尽可能的减少钢轨接头,降低振动和噪音影响。

    3.5 声屏障

    前面所述措施基本上都是考虑从源头上减小环境污染,虽然可以大幅提高高架线的适应能力,减小高架线运营对周边环境影响,但是不可避免的还会有一些噪音。这些剩余的环境污染在普通路段可能无关紧要,但是在特殊的敏感路段,必须同时考虑其他的环境保护措施,从传播途径上切断或阻碍噪声的传播,比如常用的声屏障防护措施。

    声屏障包括全封闭透明声屏障、半封闭透明声屏障等型式。全封闭透明声屏障降噪效果较好,降噪效果可达1020dBA),但对于采用接触网供电方式的高架线,将会影响声屏障的封闭性,增加设计、施工难度。

    半封闭透明声屏障有直立式和Γ型声屏障。Γ型声屏障顶端按一定角度折向道路内侧,阻止声波向高处传播,从而在一定程度改善了屏障的降噪效果,声屏障下端1.0m以下部分采用吸声式声屏障,可有效吸收轮轨接触产生的噪声,并且不影响旅客视线,对沿线居民区的采光也不会产生明显影响。直立式屏障降噪效果可达到8~10dBA);Γ型声屏障有效范围内可降低噪声10dBA)以上。

    北湖线一期工程路由中,地理路两侧均为高校和科研单位,属于环境敏感路段。虽然线路中心距离两侧建筑最小距离均为31m以上,但是为了最大限度的将环境影响降到最低,本段考虑在U梁的基础上再加设双侧吸声屏障,这样在一定范围内,能够将敏感路段噪声在有效范围内再降低10dBA)左右,可以有效的减缓噪音的传播。


    5 环境敏感路段-地理路

    景观协调措施
    4

    高架线结构体量巨大,不可避免的会影响城市景观,桥跨结构如果跨径和高度设计不匹配,将会严重影响人们的视觉和心理感受。因此,在高架线的设计中,必须要重视景观影响。必须根据周边环境,按照桥梁美学的理念,采用合理的线形、高宽比、高跨比和必要的景观设计。

    4.1 优化桥梁结构

    ①上部结构

    与箱梁相比,要达到同样的降噪效果,U梁结构能够大幅减少声屏障的使用,而且U梁断面采用弧型腹板,使U梁断面层次感更衔接,增加视觉柔和感受,使高架桥线形显得柔和匀称,与盖梁、桥墩有机结合,造型美观。

     
    图6 箱梁和U梁景观效果对比图

    北湖线一期区间采用U型梁截面,结合重庆、南京、上海等地的U型梁结构应用实例,推荐北湖线采用与重庆1号线U型梁一致的中央接触网立柱布置方式,这与南京、上海地铁采用的两侧布置接触网立柱相比,景观效果更好。

    ②跨径

    北湖线一期工程可行性研究中,结合周围环境和工程地质条件,从景观、经济和施工技术等各方面综合考虑,对桥梁跨径大小进行了优化和调整,区间直线段标准梁的跨度采用30m,小半径曲线段标准跨度采用20~25m,在跨城市道路等大跨度桥梁根据实际情况进行单独设计。

    ③桥墩

    桥墩的外部造型对于景观影响也很重要,合理的选型能使上、下部结构协调一致,轻巧美观。可选的桥墩形式有单柱墩、双柱墩、V型墩和Y型墩等。单柱墩简洁、明快,占地面积少,与各种梁型结合时,上、下部结构的轮廓线过渡平顺,受力合理;双柱墩承载能力高、稳定性较好,但其占地范围较大,且桥下通透性较差;V型墩和Y型墩具有良好的视野和轻巧造型,但其结构构造复杂,施工难度大,耐久性也相对较差。

    北湖线一期工程高架段绝大部分区段处于道路路中及路侧,从经济、景观、施工方便等因素考虑,推荐采用单柱墩。对于桥墩高度,路侧的设计为一般为5m高,路中的为8.5~10m高,与桥跨结构结合,基本上能够形成愉快、通透的视觉效果。


    图7 北湖线一期桥梁结构外观效果图


    4.2 减小路中车站建筑体量

    北湖线一期工程13个高架车站中,有8个车站位于路中。因此,为了尽量的减小景观影响,路中车站采用了站厅和设备用房外挂的建筑形式。与本线的高架侧式车站3000m2左右的主体建筑面积相比,这种站型路中主体建筑体量能够大幅减小,仅为1300m2左右。这样可以大幅的减小路中高架车站的建筑体量和规模,从而大大的优化了景观效果。



    图8 一般高架侧式车站(主体建筑面积约3000m2)



    图9 站厅和设备用房外挂侧式车站(路中建筑面积1300m2)


    4.3 采用现代化的轻轨车辆

    北湖线一期采用6模块的C型车,车厢采用流线型,外形美观。另外结合客流数据,推荐采用高密度、小编组的运营方式,这样可以避免过长列车长度在高架线上运行时的景观影响。

    结 语
    5

    本文结合长春市快速轨道交通北湖线一期工程可行性研究工作,对影响轨道交通高架线是否可行的环境和景观适应性进行了探讨,从车辆、结构、轨道、建筑、声屏障等多个方面进行全方位的减振降噪研究和景观优化设计,提出了综合整治、优化的方案。通过采取多种措施,可以有效的降低高架线对周边环境、景观的影响,能够满足相关要求。因此,从促进轨道交通健康、快速发展,降低城市财力负担等方面来看,在类似于长春这样的中等规模城市和大城市外围组团中,完全可以大力发展环境景观适应性好的高架线路。


    参考文献

    [1]]中国城市轨道交通协会;城市轨道交通2014年度统计分析报告[N];2015年5月

    [2]中国地铁工程咨询有限责任公司;长春市快速轨道交通北湖线一期工程可行性研究[G];北京;2014。

    [3]吉林省环境科学研究院;长春市快速轨道交通北湖线一期工程环境影响报告书[G];长春;2014。

    [4]赵洪伦,许小强;弹性车轮减噪声学特性研究[J];北京;铁道学报;2001年06期。

    [5]周裕德,储益萍,祝文英,应乐惇,张玮晨;城市地铁振动控制技术概述[Z];上海市环境科学研究院;全国环境声学学术讨论会;2007年。

    [6]吉林省环境科学研究院;长春市快速轨道交通轻轨三期工程环境影响报告书[G];长春;2007.5。

    [7]D.T.Eadie and M.Santoro;轨面摩擦控制-降低噪音,减少波磨[J];声与振动学报;2005年8月。

    [8]北京城建设计研究总院有限责任公司等;城市轨道交通U型梁系统综合技术研究[G];北京;2012。

    [9]张慧慧;轨道结构减振降噪技术综述[J];中铁第五勘察设计院集团有限公司;铁道建筑技术;2011(增)。

    [10]葛世平;城市轨道交通的振动和噪声对环境的影响及其对策[J];上海地铁运营有限公司;城市轨道交通研究;2003。

    [11]北京欣国环环境技术发展有限公司;长春市快速轨道交通净月线工程竣工环境保护验收调查报告[G];2014


     
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