[03-2020] Снижение уровня шума вблизи железной дороги

[Admin]

Снижение уровня шума вблизи железной дороги

МАНАКОВ А.Л., Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС), докт. техн, наук, КАРПУЩЕНКО Н.И., СГУПС, докт. техн, наук, ВЕЛИЧКО Д.В., СГУПС, канд. техн, наук

При всех экологических преимуществах железнодорожного транспорта он оказывает негативное акустическое воздействие на окружающую среду, что угрожает здоровью и самочувствию людей.

Действующие факторы излучения вибраций и шума

При движении поезда вследствие наличия неровностей на колесах и рельсах возникают динамические силы, которые передаются на верхнее строение пути и вызывают его колебания. Последние волнообразно распространяются в виде вибраций в грунте, создающих атмосферный шум в зависимости от жесткости грунта, наличия слоев, грунтовых вод, амортизирующего материала [1]. Из грунта вибрации попадают в фундаменты и стены подвалов, а оттуда распространяются по всему зданию, которое состоит из многих строительных элементов, имеющих собственные частоты колебаний. У обычных перекрытий в жилом здании собственная частота колебаний равна 25 Гц. Часто колебания на верхних этажах выражены сильнее, чем на нижних. Это явление называется резонансом, эффекты которого весьма неблагоприятны и должны обязательно учитываться при проектировании защитных мероприятий.
Частотный диапазон, критичный для сооружений, находящихся вблизи железнодорожного пути, — 5—315 Гц. Границы низко-, средне- и высокочастотных диапазонов (40 и 400 Гц) определены в результате наблюдений при измерениях на пути, последующих расчетов параметров верхнего строения и анализа.

Шумовая характеристика транспортного потока — расчетное значение эквивалентного уровня звука при движении транспортного потока (единица измерения — дБА), определяемое на расстоянии 7,5 м от оси пути на высоте 0,5 м от уровня головки рельса. Уровень поездного шума приведен в табл. 1.

Образование шума

В шумообразовании выделяют три группы шума: от оборудования, качения поезда и аэродинамический шум. Шум оборудования (тяговые электродвигатели, компрессоры) появляется при скоростях движения поезда до 50—60 км/ч. Шум качения — процесс взаимодействия в системе «колесо-рельс» — определяется зависимостью 301gV при скоростях 60—300 км/ч. Аэродинамический шум образуется в результате обтекания воздухом корпуса подвижного состава и вычисляется по формуле 601gV при скоростях свыше 300 км/ч.
Кроме того, на шумообразование влияют дребезжание корпуса подвижного состава (шум корпусной), «визг» колеса при вписывании поезда в кривые, удары в стыках рельсов, звук от тормозных колодок и колеса при торможении, соударение вагонов (шум сцепки) и т.п.
Выделяется три основных объекта, на которые оказывает воздействие транспортный шум: селитебная зона; пассажиры и обслуживающий персонал на станциях; пассажиры и обслуживающий персонал поездов.

Значения уровней шума на территориях, примыкающих к различным категориям зданий, в дневное и ночное время определяется санитарными нормами СН2.2.4/2.1.8.562-96 [2] (табл. 2). Стоимость разработки проекта СЗЗ можно уточнить у проектных организаций, которые специализируются на такого рода проектах.

Способы снижения вибрации и шума

В месте излучения вибрации предусматривают защитные меры, направленные на источник — уменьшение сил вибрации в источнике и/или сокращение ее поступления в грунт. Легче всего, как правило, реализовать защитное мероприятие в источнике, особенно когда речь идет о вновь строящемся участке пути. При этом почти все здания и сооружения на участке оказываются в благоприятном положении.
В области передачи вибрации предусматривают защитные меры, прерывающие ее передачу, с помощью разделения тяжелой массивной бетонной плитой с упругими прослойками, которые повышают податливость пути. Таким образом уменьшаются вибрации в месте контакта между колесом и рельсом. Кроме того, упругие слои разделяются друг от друга двумя жесткими слоями, которые затрудняют передачу колебательной энергии.

В результате взаимодействия колеса и рельса возникают вибрации, приводящие к появлению шума. Для снижения шума качения от неровности рельса применяют его шлифование, которое по данным [3] уменьшает шум и вибрацию при движении пассажирского поезда на расстоянии 1—25 м от путей на 1—6 дБА, а на контрольном расстоянии (25 м) — на 1—4 дБА.
Самая простая возможность для снижения вибрации — применение упругих скреплений, подшпальных и подбалластных упругих элементов [1]. На рис. 1, а показано, в каких уровнях верхнего строения пути с щебеночным балластом могут быть установлены упругие элементы, на рис. 1,6 — эффект вносимого затухания колебаний.
Как правило, защитное мероприятие тем эффективнее, чем дальше оно находится от контакта между колесом и рельсом. Кроме того, сверху возрастает масса пути над упругим слоем, в результате уменьшается собственная частота колебаний системы. Для сооружений на железнодорожном пути критичный частотный диапазон — 5—315 Гц.
Нарельсовые шумопоглотители (рис. 2) уменьшают уровень шума на 2—7 дБА в зависимости от эксплуатационных условий.
Комплекс из шумозащитных плит толщиной 50—150 мм на монолитном основании обеспечивает поглощение до 18 дБА (рис. 3).
При распространении звука от движущегося поезда в близко расположенную застройку снижаются уровень звука (УЗ) и уровень звукового давления (УЗД) по мере распространения (дивергенции) звукового поля во все больший объем пространства. Характер уменьшения УЗ и УЗД зависит от расстояния до поезда и определяется его длиной. Разница уменьшения УЗ в свободном пространстве, например, для расстояния 100 м может достичь 4 дБА между грузовыми (длинный поезд) и электропоездами (короткий поезд).

Влияние шумозащитных экранов на распространение звука

Любой материал является звукопоглощающим, звукоотражающим, звукоизолирующим, звукоэкранирующим, только с разными характеристиками и при разных условиях. Коэффициенты отражения Ко и поглощения Кп находятся в следующей зависимости: Ко = 1 — Кп. При экранировании не столь важно, каков коэффициент звукопоглощения. Экраны ставят с целью экранирования звука. Звукопоглощение необходимо только для учета уровня отразившегося звука от экрана (рис. 4) [4].
Шумопоглощающие экраны применяют для защиты жилой застройки, чтобы уровень шума не повысился на 3 дБА в жилой застройке, расположенной от экрана на расстоянии менее 500 м, а также в зоне звуковой тени от многократного отражения. В этом случае могут применяться как вертикальные шумопоглощающие, так и наклонные шумоотражающие экраны.
Для снижения поездного шума используют малые акустические экраны (средство ближней звукоизоляции). Например, на финских железных дорогах [3] применяют экраны Soundim. Их высота от уровня головки рельса — 850 мм, расстояние до оси пути — 1920 мм. При движении поезда по ближайшему к экрану пути уровень шума составляет 8—10 дБА, по удаленному пути — 4—7 дБА (рис. 5).
Считается, что применение больших шумозащитных акустических экранов — наиболее эффективный способ снижения шумового воздействия (20—30 дБА). Однако эти меры (экраны, акустические поглотители) связаны с большими инвестиционными затратами, и защита распространяется только на конкретный участок, а не на всю железнодорожную сеть (рис. 6).
Из табл. 3 следует, что для снижения шума на 17 дБА необходимо применять материалы с поверхностной плотностью 22 кг/м2. По акустическим характеристикам конструкции шумозащитные экраны делятся на две группы: шумоотражающие и шумопоглощающие. Для защищаемой жилой застройки акустическая эффективность шумоотражающего и шумопоглощающего экранов одинакова.

Рассмотрим подробнее возможность применения шумозащитных экранов из шумоотражающих материалов. Технические характеристики клееной стеновой сэндвич-панели с наполнителем из минеральной ваты со звукоизоляцией 35 дБ приведены в табл. 4. Для шумозащитных экранов важна поверхностная плотность материала, а коэффициент звукоизоляции не имеет значения. Если использовать материал потоньше, то через него будет проникать прямой шум к жилой застройке.
Из табл. 5 видно, что панели из пенополистерола уже не подходят по поверхностной плотности. Поэтому требуется применять панели с минеральной ватой толщиной 150 мм, плотностью 24,1 кг/м2, чтобы снизить транспортный шум на 17 дБА.
Самая важный параметр звукозащиты — высота экрана. Она определяется для каждой расчетной точки с учетом требуемой акустической эффективности, которая зависит от разности длин путей звукового луча. Эта величина определяется в соответствии со схемой [4], представленной на рис. 7, по формуле

5 = а + b — с,

где 5 — разность длин путей звукового луча, м; а — расстояние между акустическим центром источника шума (ИШ) и верхом экрана, м; b — расстояние от верха экрана до расчетной точки (РТ), м; с — расстояние от ИШ до РТ, м.
Распространение поездного шума на прилегающей территории зависит от поперечного профиля на рассматриваемом участке железной дороги, вида поезда и скорости его движения. Согласно данным табл. 1, наибольший уровень звука при максимальной скорости движения электропоезда составляет 90 дБА, а высокоскоростного поезда «Сапсан» — 86 дБА. Уровень звука вычисляется по формуле
УЗ = 0,8УЗ = 0,8-90 = 72 дБА.

Допустимое значение уровня шума на территориях, непосредственно примыкающих к зданиям общественного назначения и к жилым, в ночной период времени (23:00—7:00 ч) определяется санитарными нормами СН2.2.4/2.1.8.562-96 [2] и составляет 55 дБА. Требование снижения УЗ при экранировании АЬэкр составляет: 72 - 55 = 17 дБА. Тогда, согласно рис. 8, разность путей прохождения звука 8 при наличии экрана должна составить 0,6 м.
При расположении жилой застройки на расстоянии Sj + S2 = 100 м (см. рис. 7) и шумоотражающего экрана на расстоянии Sj = 17,5 м от железной дороги для удовлетворения требований снижения уровня звука на величину 17 дБА на высоте hpT = 25 м высота экрана должна быть Бэкр = 5 м.
Длина шумозащитного экрана должна обеспечивать снижение эквивалентных уровней звука до расчетных значений. Она определяется с учетом расстояния от оси главного пути до ближайшей застройки, а также прогнозируемого снижения эквивалентного уровня звука. За пределами жилой застройки минимальная длина шумозащитного экрана должна составлять не менее четырех расстояний от расчетной точки до главного пути (не менее 100—150 м).

Для эффективной защиты от шума жилой застройки, расположенной в 100 м от железной дороги с интенсивным движением скоростных электропоездов, необходимо применять экраны высотой 5 м из клееных сэндвич-панелей толщиной 150 мм с наполнением из минеральной ваты.
Список источников
1. Карпущенко Н.И. Виброзащитные конструкции пути для транспортных тоннелей и метрополитенов / Н.И. Карпущенко, А.В. Яковлев, Д.В. Величко, В.А. Гурский. Новосибирск: Наука, 2011. 200 с.
2. СП 276.1325800.2016. Здания и территории. Правила проектирования защиты от шума транспортных потоков / Минстрой России. Введ. 04.06.2017. М.: Стандарт-информ. 2017. 146 с.
3. Куклин Д.А. Снижение шума подвижного состава железнодорожного транспорта в источнике образования и на пути распространения: [Электронный ресурс] // Институт виброакустических систем: [сайт]. 2015. 19 мая. URL: http://ivas.su/poleznye-stati/snizhe...-sostava-zhel/.
4. ОДМ 218.2.013-2011. Методические рекомендации по защите от транспортного шума территорий, прилегающих к автомобильным дорогам / Росавтодор. Введ. 26.12.2012. М.: Информавтодор. 2011. 123 с.

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА ВБЛИЗИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Ключевые слова: железнодорожный путь, транспортный шум, вибрация, жиля застройка, способы защиты, шумозащитный экран, шумопоглотитель.
Манаков Алексей Леонидович — докт. техн, наук, ректор Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск, Россия. E-mail: public@stu.ru
Карпущенко Николай Иванович — докт. техн, наук, профессор, профессор кафедры «Путь и путевое хозяйство» Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск, Россия. E-mail: kni@stu.ru
Величко Дмитрий Валерьевич — канд. техн, наук, доцент, заведующий кафедрой «Путь и путевое хозяйство» Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск, Россия. E-mail: vdv.nsk@mail.ru
Аннотация. В статье приведены сведения об основных факторах образования железнодорожного шума, о санитарных нормах, об основных способах защиты близлежащей территории на различных стадиях излучения и распространения шума. Приведены примеры расчетов по обоснованию эффективности применения способов защиты жилой застройки от поездного шума на участках с интенсивным скоростным движением и даны предложения о параметрах шумозащитных экранов.

MEASURES ТО REDUCE NOISE NEAR THE RAILWAY

Keywords: railway line, traffic noise, vibration, residential development, methods of protection, noise barriers, noise absorber.
Manakov Alexey — D.Sci,, rector Siberian Transport University. Novosibirsk, Russia. E-mail: public@stu.ru
Karpushenko Nikolay — D.Sci., professor Siberian Transport University. Novosibirsk, Russia. E-mail: kni@stu.ru
Velichko Dmitry — Ph.D, associated professor Siberian Transport University. Novosibirsk, Russia. E-mail: vdvjisk@mail.ru
Abstract. The article provides information on the main factors in the formation of railway noise, on sanitary standards, on the main ways of protecting the nearby territory, at various stages of noise propagation. Examples of calculations are given to justify the effectiveness of the application of methods for protecting residential buildings from train noise in areas with heavy high-speed traffic and suggestions are made about the parameters of noise barriers.