【doc】日本轨道交通环境保护

【doc】日本轨道交通环境保护 日本轨道交通环境保护 I干线铁路专区I环境保护 日本轨道交通环境保护 现在有越来越多的人提倡环保轨道交通及其造成的环境恶 化问题成为人们关心的热点话题之一.,般来说,列车提速之前 必须预先考虑到列车提速可能会对环境造成潜在负面影响,进而 采取措施,避免问题的出现.而这方面尚未引起人们的足够重视. 铁路领域相关的环境问题通常包括:铁路噪声,隧道的空气 微压波,列车驶过时形成的压力波动,地面震动,无线电干扰以 及铁路建筑物和构筑物设施的阴影.本文将关注上述几个问题, 并在技术层面讨论其解决对策. 日本环境质量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和"新干线"噪声的达标 情况 2O世纪6O年代,日本在保持经济快速增长的同时也给环 境造成了一定损害.为此.日本政府于1967年颁布了"环境污染 控制基本法,该法律一直沿用至1993年新的环境基本法颁 布.在此期间,IE]本环境部门于1975年专门为新干线制定了新的 噪声限制标准.针对不同经济活动类型.制定相应的噪声控制标 准,是其中的一个重要特色.该标准以1967年环境污染控制基 本法"为基础,规定在l类区域(主要是指居民区)的最大噪音 不能超过70dB在Il类区域(其它经济活动地区,例如工业区和 商业区)的最大噪声不能够超过75dB.某个区域究竟属于I类还 是Il类由当地政府主管部门予以确定. 同时,政府还规定了噪声的测试方法和评估结果.具体来看 噪声的测试必须不问断地记录双向20辆连续通过的列车的最大噪 声值.而且规定测试仪器必须距离地面12m,安放在那些噪声 较高的区域以及噪声有可能引发问题的区域.测试是在正常天气 以及列车以正常速度行驶的情况下进行的. 日本环境部门1975年制定的噪声控制标准设定了一个缓冲 期.在该标准刚颁布的时候,已经有两条新干线路段建成:其中 一 条在东海道"(Tokaido),一条在"Sanyo").另外两条正在 建设之中,其中一条在"Tohoku",一条在上越"(Joetsu).还 有许多线路正在规划.不管是已经建成通车的线路还是正在建 设的线路,在执行该标准之前.都有一个调整的缓冲期. 由于新干线列车的最高时速提升很快从1975年的210kin/ h增加至1994年的270km/h.在一系列政策颁布之后,新干线铁 道沿线采取了许多降低噪声的措施.在1991年和1993年.日本环 境部门在i类区域进行了实地测试以了解噪声的超标情况. 测试结果表明在新干线的"Tohoku"和"上越"(Joetsu) 路段,没有出现超标的现象.新干线Sanyo路段"500系列 机车的最高时速达到了300km,其他线路的最高时速是270km, 但是沿线路段的噪声基本上没有出现超过75dB的现象.而在"长 野"(Nagano)沿线的某些路段.3米高的声屏障甚至能将噪音控 40世界轨道交通200904 制在70dB以下. 新干线铁路的噪声来源 在探讨如何降低铁路噪声之前,有必要首先识别铁路沿线的 噪音来源,并分析各种噪音来源对总噪声的影响水平.以新干线 为例,噪音可以分为:车辆顶部动臂装置产生的噪声,车体的空 气动力学噪声,车辆底部构件的行驶噪声以及轨道混凝土设施产 生的噪声. 具体来看车辆顶部动臂装置产生的噪音包括集电弓噪声, 集电弓屏障产生的噪声以及集电器与悬链线的摩擦噪声,还有集 电器与悬链线接触时产生的电火花噪声.车体产生的空气动力学 1…AeR,l0?P,ding 1e5B—Le…db' I50_…dIn…f…l…i240fh- l蚺6D_EPanl0rH1sl1}"ds —E—F^……,I,rtage曲n 1'F一6SD々州cn…refro240270hn1h 1帕G_HL,…Im|1I"口rphsandar口唧…lc cf-|r?^口sl口n 1i-II5…i'Ifrom2TO"3'xh 嘲--一 一n…… ?筠:黔1 目'.""卜一一n一 口J ?…?rp,l0l0u.】YI—m?…rl|1cr',…l…?1rI,"^…c'm}1nLr,忡lr…iI,1h{)t】k C…^I.TT…l?l|rIrlor~tm…tmhl0rr…r…I CdeEl0{TIa…|hi1v|Ltpr"{sebd…b0r…n3'dIe?df-r_l,ql111Id}rl 图1新干线噪声源构成以及采取相关治理措施后的结果 噪声是由于空气与车厢表面,车头,电缆头,车窗,空调设备以 及车厢间隙接触而引起的.运行噪声来自干车体下部例如.车 辆底部构件的行驶噪声,传动机构产生的哚声,转向架的噪声.等 等.轨道混凝土设施产生的噪声来自于垫高轨道支撑设施的底面. 如果用一排麦克风矩阵来识别噪声的具体来源.就可以发现, 集电弓噪声对总体噪音水平的影响很大影响幅度达10dB.不过 麦克风矩阵没有垂直定向功能不能够识另垂直方向的噪声.因 此来自于车体下部的哚声要把相关检测设备尽量靠近轨道来测量. 车体产生的空气动力学噪声也需要专门测量.轨道混凝土设施产 生的噪声频率在1?Hz以下,放置在轨道线旁边的麦克风矩阵难以 监测,需要将麦克风直接安置在轨道上监测. 通过对噪声进行测量和分析,我们得知:空气动力学噪声与 列车速度成正比,速度增加一倍,噪声会提高6倍;同理如果列 车速度增加一倍列车车轮与钢轨之间的摩擦噪声会增加2,3 倍,轨道混凝土设施产生的噪声也会提高2倍. 降低铁路噪声的效果分析 通过对铁路噪声的来源进行分析和监测可以进一步得知各 种噪声来源对总体噪声水平的影响.图1显示了展示了不同时期 铁路噪声的相关监测结果和噪声来源构成.在该实验里,轨道沿 线安装了2m高的声屏障.其中,A到l阶段 表示安装了直板型声屏障下的监测结果,而 E到I阶段表示安装了"倒型声屏障 下的监测结果. 具体来看.在A,B,C三个时期,列车 的速度没有发生改变,一直保持在210km/ h.但B时期(19,92年)的哚声要低于A时 期.这是因为钢轨被磨得更加光滑,大大减 小了车轮与钢轨的摩擦噪声.C时期(1985 年)的噪声水平又比B时期有所下降,是由 于加装了总线电缆,减小了导电线问的电火 花噪声.加装了总线电缆以后,即使集电弓 从悬链线上脱落电流仍能通过其他导线, 从而能够避免电火花的出现. 到了D时期(1985年)新干线的列车 速度从21Okm/h提高到了240km/h,成为D 时期噪声比C时期噪声大的原因.在D,E, F三个时期,车辆的速度都是240km/h.但 是E时期(1986年)的噪声比D时期的噪声 低.这是因为加装了集电弓护罩.集电弓护 罩能降低导线周围空气流动的速度降低集 电弓的空气动力学噪声,同时也在一定程度 上消除了集电弓自身的噪声.F时期(1998 年)的噪音水平又比E有所改善.是因为这 -- El,l期列车的外壳更加更加光滑,具有良好 的流线型空气动力学性能. 在G时期(1992年J新干线的速度已 经由240km/h提高到270km/h.噪声水平有 所增大.但是到了H时期(1997年).由于 使用了低噪声的集电弓,采用了更光滑的列 车外部材料来降低空气动力学噪声,同时使 用了低哚声导线以降低导线噪声.噪声水平 比G时期有所下降. 随着车速的不断提升.庞大的集电弓 护罩成为一个重要的空气动力学噪声源.为 了克服这,问题,人们开发出了一种低噪声 集电弓.而且集电弓护罩的体积也尽量缩 小,使其恰好包裹住集电弓的绝缘罩.通过 上述改进方法.在I时期(1998年).新干线 的速度虽然由270km/h提高到300km/h,但 是由于轨道旁安装了由吸音材料制成的倒 型声屏障.噪声强度被控制在75dB以下. 1964年,日本新干线"东海道" (Tokaido)路段建成通车.当时"0系列" 机车的时速达到了210km,噪声高达90dB. 而最近几十年以来,经过一系列改进措 施在降低铁路噪声方面显然取得了巨大 的进步. 窄轨线路的环境标准 由于公众对噪声污染问题愈加关注 日本环境协会在1995年颁布了窄轨线路的 噪声标准.根据该标准之规定:对于新建轨 道线路,白天到傍晚(7:?一22:0O)铁路 噪声不得超过60dB,夜间(220OL-6OO) 不能超过55dB.当然在居住区特别是纯居 住地带对噪声的要求更高.再有,对于那 些改建的线路,例如复线工程或者交叉口的 高架线路改建之后的噪声水平不得高于改 建之前的噪声水平.由于公众越来越不愿意 忍受铁路噪声,这对铁路公司提出了更高 的要求,铁路公司必须明确噪声的来源.并 采取适当的治理措施 隧道微压波的产生与治理 隧道微压波效应 1975年3月.新干线"Sanyo"路段 机车在试车时,由于机车在穿越隧道时会产 生巨大的爆鸣声,会造成沿线住宅门窗的强 烈震动,引发了附近居民的抗议.而在此之 前,这种类型的噪声还没有出现过. 之所以产生这种现象.是由于列车在 高速进入隧道时,会产生压缩波.压缩波会 以声速沿着隧道传播其中一部分压缩波会 转化脉冲压力波,并从隧道出口处向外辐 射.这种脉;中压力波被称之为微压波,属于 一 种低频率的震动噪声. 隧道微压波分为三个阶段:在列车进 入隧道时会产生压力波压力波沿着隧道的 传播,在隧道出口处发射出压力波.微压波 的波峰一般和隧道压力波波阵面的气压梯度 成正比.在隧道入口处,压力波的气压梯度 与列车时速的三次方成正比. 隧道的轨道结构不同,隧道压力波波 阵面的压力梯度会发生相应的变化.如果是 板式无碴轨道",隧道中微压波的非线性效 应要大于隧道内壁的摩擦力,所以压力波波 阵面和气压梯度均较为陡峭.另一方面,如 果是"有碴轨道",隧道中微压波的非线性 效应要小于隧道内壁的摩擦力,因而会在一 定程度上降低压力波波阵面的压力梯度. 对于新干线"东海道"路段.由于其大 部分线路铺设的是"有碴轨道",所以基本 不存在微压波问题.而对于"板式无碴轨 道"的新干线"Sanyo"路段来说微压波 引发的噪音问题就非常突出. 不过.对于较短的隧道来说.微压波的 峰值与列车到达隧道入口的速度的三次方成 正比而与轨道的类型无关.这是由于微压 波传播过程中气压梯度的变化并不明显.但 假如隧道距离较长.轨道类型就成为一个重 要的影响因素.在板式无碴轨道"的隧 道,微压波峰值的变化幅度会超过列车速度 变化幅度的立方,而在"有碴轨道"的隧 道,微压波的峰值比短距离隧道要低.隧道 hfip://wwww.rIdrailwav[n41 TRUNK 出口发射出的微压波的振幅与隧道的长度成 反比. 隧道微压波的治理 可以通过进一步改进隧道和列车的设 计来减少微压波.有许多方法能够完善隧道 设计,减少微压波波阵面的气压梯度.例如: (1)在隧道出口加装遮盖罩.减少压力 波的气压变化 (2)在毗邻的隧道间加装有缝隙的屏障, 有助于压力波的释放. (3)加装倾斜或垂直的立轴,使压力波 绕行. 为了减小隧道入口的气压梯度,还可 以改进列车设计.缩减机车的横截面面积 延长车头,使其趋于流线型. 隧道入口遮盖罩 为了降低微压波需要在新干线的列 车隧道出入口安装了遮盖罩.效果大小取决 于遮盖罩的长度.一般来说遮盖罩的横截 面面积是隧道横截面面积的14倍.当列车 进入隧道时遮盖罩能降低2O%的气压梯 度.既然气压梯度的变化与列车速度的三倍 成正比安装遮盖罩所能够起到的作用与将 车速降低60%所起到的作用相同.如果没有 安装隧道遮盖罩.以250km的时速行驶的列 车就能够产生约300Pa的压强,而有了隧道 遮盖罩.压强大幅度降低至20Pa,这相当于 列车以150km/h的速度进入隧道时而不采取 措施产生的效果,而且在列车驶出隧道时将 听不到爆呜声. 优化车头造型 前已论述,要降低隧道里的气压梯度 可以通过减少车体的横截面积来实现但这 也意味着列车内部空间的减少,因此这一方 法具有一定的局限性.目前人们将更多注意 力放在车头造型设计方面.模拟实验表明, 较长的流线型车头所产生的微压波最少.目 前,在日本西铁公司运营的新干线San yo"路段上使用的500系列"列车上面日 本中铁公司和日本西铁公司合作开发的 "700系列"列车上面以及日本东铁公司运 营的新干线"E1一E4"路段上的列车上面都 42世界轨道交通200904 l干线铁路专区I环境保护 采用了这样的流线型机车车头. 显然车头造型设计还需考虑克服其 它一些空气动力学方面的负面影响,如车 辆通过时的压力变化,气动阻力和空气动 力学噪声. 列车驶过过程中的压力差问题 压力差的产生 当两辆列车反向行驶时,就会形成压 力差造成车厢摇晃,影响乘坐舒适性,还 会造成铁路周边建筑门窗的振动.之所以 造成上述现象是由于当两辆列车相遇时 在车头和车尾附近会产生压力场.压力的 强弱与两辆列车之间距离的平方成反比. 这种现象也会引起列车窗户和车门震动. 有点类似于隧道微压波.由于属于低频震 动.日本还没有制定相应的环境控制标准. 如果在列车中部安装有集电弓护罩则护 罩本身会造成压力变化.压力的峰值与列 车时速成正比而压力变化的时间与列车 时速成反比. 减小列车压力差的对策 有许多种办法可以减小列车驶过时 形成的压力差,例如在轨道附近安装压 力防护墙,对车体的纵剖面和车头造型 进行优化设计.此外,通过在轨道边安装 压力防护墙的实地测试结果也可以看出, 防护墙越高,离轨道越近,治理压力差的 效果越好. 列车的横截面积越小,压力差现象越 不突出不过这样会减少车厢空间.因此. 通过改进车体造型时一种较为可行的途径. 空气动力学模拟结果表明.车头伸得越长, 越不容易产生压力差现象. 地面震动 地面震动标准 1976年,日本环境部就新干线铁路引 发的震动问题颁布了相关标准.这些标准 要求铁路行业加大对地面震动来源的监测. 关注那些噪声水平超过70dB的区域,要预 防噪声产生的负面影响.特别对于那些像 医院,学校等一些对环境质量要求较高,需 要保持安静的区域.还有更为严格的规定. 地面震动的对策 为节省维护成本和人力成本,日本 Okayama西部的新干线Sanyo"路段使用 了板式无碴轨道".但由于"板式无碴轨 道"比有碴轨道"的变形小,并且吸音 性能差,因此引起的噪声和震动水平要高 于后者.也可以通过开发一种被称之为"G 型"隔振"板式无碴轨道"的方法来显着 改善噪音和震动问题. 可以在轨道板下面安装一种带槽的板 垫.来改善钢轨的弹性.而且可以在轨道 板中间的缝隙里加装一块低"弹簧常数"的 泡沫塑料衬垫,这样就可以有效低降低接 触式震动和混凝土结构设施发出的噪声. 以下列举的是几种隔振的常用方法, 具体来看: 与车厢相关的措施包括,减小车厢重 量,改变车轴排列,变更车辆弹簧参数,增 强车轮面与钢轨的贴合程度. 与轨道相关的措施包括,对钢轨表明 进行光滑处理,降低钢轨垫料的弹性系数, 提高增加钢轨硬度,采用浮置板轨道". 与结构相关的措施包括,采用刚性的 块状结构,使用隔振装置. 与地面相关的措施包括开挖阻断振 动的沟槽,建设减震墙,铺设防止波动的垫 块,改善路基. 此外,轨道沿线的居民住宅和其它建 筑物还可以使用振动阻尼器和隔振装置来 防震. 结束语 我们在努力提升列车时速的同时,必 须要努力解决随之而来的诸多环境问题, 如铁路噪声,隧道微压波车辆通过造成 的压力差以及附近地面的震动等一系列问 题.必须提前预见可能产生的环境现象, 并且采用综合的治理方法包括机车造型 设计,改进路基结构,在轨道沿线安装相 关防护设施来防范列车提速对环境造成 的破坏.I【c (马祖琦,谢敏洁/编译)