京沈客运专线全封闭声屏障设计与研究

党 辉

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308）

1 概述

京沈客运专线(以下简称“京沈客专”)星火枢纽工程包含新建京沈客专始发终到站星火站、DK12+200～DK18+190 段京沈正线、动车走行线、试车线、既有东北环线改造等。其中，星火站至五环路段线路毗邻居住区，为降低铁路噪声影响，2013年原环境保护部对项目环评[1]批复要求该线路区段采取设置封闭式框架结构声屏障措施。

2014年至今，为提高隔声效果，设计研究采用混凝土明洞方案，区段一长度约650 m，区段二长度约1 200 m，总计长度约1 850 m。其中，区段一为6 轨线并行区段，声屏障主体结构采用无柱单拱跨混凝土结构；区段二为多轨线交叉区段，声屏障主体结构采用带中柱的拱形框架结构；沿轨道方向拱距6 m，垂直轨道方向跨度40~80 m，拱顶建筑高度14.5~16.5 m，混凝土拱脚基础采用重力式条形基础，中柱采用桩基础。声屏障接口设计考虑接触网、通信、照明、防雷接地、疏散维修等需求。工程于2019 年开工建设，拟于2020年底完工。

根据线路平面布局，京沈客专环评阶段建议采用封闭式框架结构声屏障，降噪效果需达到16 dB(A)以上，但封闭式框架结构声屏障在铁路上应用尚处于起步阶段，实测数据较少，国家现行标准《声屏障声学设计和测量规范》(HJ/T 90—2004)、《环境影响评价技术导则声环境》(HJ 2.4—2009)推荐采用的声程差计算方法，仅适用于一般直立式及折角式声屏障，对于声源完全遮蔽的框架式结构声屏障，声程差的计算方法不能准确给出插入损失。因此，结合京沈客专立项课题对封闭式框架结构声屏障综合技术的研究[2-3]，采用边界元法、能量叠加法等数值计算方法，利用噪声预测软件通过建模方式，计算得到京沈客专框架式声屏障理论降噪效果插入损失为20 dB(A)。初步设计最终批复采用明洞封闭式声屏障体系，由于声屏障为混凝土全封闭壳体，参考图集《建筑隔声与吸声构造》(08J931)，整体隔声效果可达30 dB(A)。

2 声屏障建筑景观设计

封闭式声屏障的景观设计除包括声屏障自身景观，也应囊括沿线的自然人文元素，将封闭式声屏障庞大的体量与城市设计相融合，在满足声学降噪功能的前提下，突出其与环境生态的和谐设计理念，强调绿色架构、可持续发展，赋予封闭式声屏障更深刻的文化内涵。

京沈客专星火站至五环路段铁路外围与城市道路、城市建筑物之间有绿化隔离带，线路东侧为城市公园，铁路本身对城市绿廊有所分隔。明洞式声屏障设计中景观设计考虑绿化和环境设计，希望借用建筑手法，将绿化带、城市公园与声屏障结合，营造协调统一的景观环境。明洞声屏障分2 个区域，区域一长650 m、宽40 m，区域二长1 200 m、宽65～80 m，地面至结构屋面板建筑高度13.5～15.5 m，屋面呈拱形，声屏障立面设计力求做到简洁、适用、经济、美观的统一，本着因地制宜、经济适用、简洁美观的原则，声屏障外壳设置耐久、防晒、抗裂、耐污性能的保温层和防水层，并喷涂绿色涂料烘托建筑意境，使建筑、场地、景观融为一体。

明洞式声屏障建筑设计主要包括屋面、变形缝、散水、疏散及检修口、爬梯、挂钩等。外屋面按照二级防水设计，并做聚氨酯防水保温层，屋面、外墙保温耐火等级为B1 级，设钢爬梯，设消防疏散口兼作检修口。京沈客专声屏障设计效果如图1所示。

3 声屏障主体结构设计

主体结构绝大部分为混凝土拱形框架结构，主拱框架采用现浇钢筋混凝土结构，薄壳采用预制装配式壳板，拱脚基础均采用重力式条形基础，有条件设中柱地段采用桩基承台基础，通过地基处理措施控制不同基础形式间的沉降变形差。下部条件受限地段采用钢结构，钢结构主体采用实腹式拱形钢框架结构，主要构件采用整体刚度较好的矩形钢管截面，根据下部控制条件设中柱和拱脚；壳板采用现浇混凝土板，利用钢筋桁架楼承板实现免支模工艺。封闭式声屏障沿轨道方向约50 m 设置变形缝，共分成36 段，除局部线路叉出的位置外，其他区段均采用分段等跨度等截面结构形式。沿轨道方向拱距6 m，垂直轨道方向跨度40~80 m，最大无柱跨度40 m，屋面为钢筋混凝土屋面，厚度150 mm。区域一、区域二声屏障典型拱剖面如图2和图3所示。

图1 京沈客专声屏障效果图

3.1 设计要求及设计参数

（1）建筑结构的设计使用年限及安全等级。结构设计基准期50年；结构设计使用年限100年；建筑结构的安全等级一级；结构的重要性系数1.1；建筑抗震设防类别乙类；地基基础设计等级甲级。

（2）荷载情况。基本风压为0.50 kN/m2(重现期100年)；地面粗糙度C类；列车风吸荷载0.40 kN/m2；附加恒荷载2.5 kN/m2；施工或检修集中荷载1.0 kN/m2；活荷载1.0 kN/m2，放大1.1倍；基本雪压为0.45 kN/m2(重现期100年)；抗震设防烈度8度、设计基本地震加速度0.20 g、设计地震分组第二组、建筑场地类别Ⅲ类、地震作用调整系数1.4(对应于设计使用年限100年)；温度作用为升温、降温25 度；基础变位竖向20 mm、水平10 mm。

3.2 基础形式

拱脚基础采用重力式条形基础，基底持力层为粉土、粉质黏土或砂土层，个别地段受地下管线、地下建筑物影响，拱脚采用桩基础。为提高基础的水平抗滑移承载力，基础采用1:10的反倾角设计，且基坑肥槽采用饱和重度不小于20 kN/m3的碎石土回填。

中柱位于线路中心，线间距较小，无法满足独立基础的空间要求，且基础容易受路基荷载长期干扰，因而中柱采用桩基承台基础。桩基采用混凝土灌注桩，桩身直径800 mm，桩长20~30 m，根据项目地质勘察报告参数计算，灌注桩均为摩擦桩。

根据既有铁路设施及线路运营安全，在充分考虑开挖深度范围地层分布的复杂性、地下水的不利影响及周边环境的重要性基础上，确定安全合理的支护及施工方案；基槽开挖至基底标高以上300 mm 时，组织地质勘察、监理、设计等单位共同验槽，确定持力层准确无误后，进行下一道工序。肥槽要求分层夯实，分层铺填厚度200~300 mm，压实系数不小于0.94，分层进行检验；施工中进行沉降观测。

图2 区域一声屏障典型拱剖面设计

图3 区域二声屏障典型拱剖面设计

3.3 结构材料

声屏障大部分主拱框架采用现浇钢筋混凝土结构，壳板采用预应力钢筋混凝土预制板，少部分受限地段主骨架采用钢结构，壳板采用现浇混凝土板。

钢筋：一级、二级、三级抗震等级的构件纵向钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不小于1.25；屈服强度实测值与强度标准值的比值不大于1.30；钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不小于9%；钢筋的强度标准值不小于95%的保证率。钢筋HRB400；钢材Q345B。

混凝土：工程地上外露结构环境类别为《混凝土结构耐久性设计规范》I-B 类和《混凝土结构设计规范》二b 类，要求混凝土最大水胶比、最大氯离子含量和最大碱含量符合上述规范的规定。施工中应严格按照有关要求，采取预防碱集料反应的有效措施。对于二b类环境类别，要求混凝土总含碱量不超过3 kg/m3。拱、梁、混凝土壳板、基础、桩均采用C40混凝土；基础垫层采用C15混凝土。

3.4 结构布置与结构模型

结构分析软件和计算模型结构设计时采用有限元程序SAP 2000 和ANSYS 软件进行分析。整体刚度计算、强度验算、模态分析、反应谱法计算地震作用采用SAP2000 模型，稳定验算采用ANSYS 模型。封闭式声屏障采用拱式加肋混凝土薄壳结构，拱间距采用6 m，拱跨度根据轨道线路的平面变化而变化，声屏障结构按照50 m左右分段，包括框构所造成的分段共分为36 段，段与段之间的双拱中心间距1 800 mm，悬挑800 mm，净距200 mm，依据结构拱脚、柱位与轨道轴线关系平面图进行结构的平面定位，依据每道拱的剖面图来进行立面构件定位及构件尺寸的确定。

3.5 拱截面、次梁、柱配筋

采用概率极限状态设计方法对拱截面在各工况作用下的正截面受力状况进行配筋计算，计算结果以配筋率和配筋面积的形式给出；次梁按照6.0 m和9.0 m跨度的连续梁进行配筋，柱配筋按照压弯构件进行配筋，均按照模型中实际受力的最不利工况进行包络设计。

3.6 结构计算分析

声屏障结构计算包含结构的动力特性、变形情况、整体稳定情况及构件校核，并按照3 个模型包络设计，分别是考虑壳刚度的模型、不考虑壳刚度的模型和半跨模型。

结构的动力特性中结构振型分析共取30~60 个振型，X、Y、Z方向质量参与系数均大于95%，给出周期表；结构变形分析针对典型段声屏障在恒荷载+活荷载作用下和在X向风荷载作用下的结构变形；结构整体稳定性分析主要是针对结构在1.0恒荷载+1.0活荷载作用下的稳定性，主要包括壳板的稳定和拱的稳定。

4 声屏障接口设计

声屏障接口设计中考虑铁路接触网吊柱悬挂、防雷接地、通信照明、排水、消防疏散等。

（1）接触网。一般在满足支柱侧面限界对正线不小于2.5 m 的线间，优先考虑接触网单独立柱方案，否则考虑与全封闭声屏障合建并按吊柱方案设计。吊柱、下锚等安装按在声屏障内壁预埋滑槽考虑，槽道根据《铁路工程建设通用参考图铁路综合接地系统》(通号(2016)9301)接入综合接地系统，并按《电气化铁路接触网隧道内预埋槽道》(TB/T 3329—2013)材质采用Q355B，热浸镀锌防腐锌层厚度不低于86 μm。

（2）声屏障动力照明通信。全封闭声屏障内按照有关规范设计采光，利用声屏障内箱式变电站为声屏障照明设施供电，照明灯具安装在声屏障侧壁，灯具、开关选择考虑铁路行车安全、防潮、防风压、防腐、防震，并设动力照明接地系统。声屏障内壁挂通信漏缆、定向天线，声屏障防雷保护范围覆盖定向天线。

（3）防雷接地。按二类防雷建筑考虑，在声屏障屋面设置接闪带网格。在声屏障两侧拱脚基础的内侧每隔50 m分别设置1个接地端子。

（4）排水。声屏障与地面交汇处设屋面散水系统，声屏障外侧设置排水沟，可将声屏障屋面汇水倒入自然地表。

（5）行车及安全。列车行驶在全封闭声屏障洞内时，需考虑车辆的行驶安全和条件。全封闭声屏障内净空高度约10~16 m，基础及中间柱距临近轨道距离均大于4 m，轨道采用护轮轨，避免发生意外时影响整个结构的安全。声屏障结构设计安全等级为一级，结构设计中进行了抗连续倒塌计算，防止声屏障局部破坏造成结构的大范围坍塌。

5 声屏障施工及防护设计

声屏障工程施工邻近既有铁路，西侧为既有居民建筑，东侧为场坪。既有线路为电气化铁路，接触网供电设备为单杆形式。声屏障布置范围涉及2 处铁路道口、2处跨河中桥，周边分布地下管线、铁路电缆、地方电缆等，声屏障施工需结合星火站过渡同步实施，每步过渡完成阶段声屏障工程。根据地质勘察报告，在勘探深度范围内的岩土由上至下为第四系人工堆积层、第四系全新冲洪积层、第四系上更新统冲洪积层，地下水位埋深为0.7~17.3 m。工程基坑结合声屏障基础结构布置，开挖宽度为基础两侧各外扩800 mm，宽约12~15 m，基坑开挖深度为基础底面下100 mm，深约5~8 m。

结合星火站过渡施工方案，声屏障主拱采用全断面法施工，施工作业面均搭设满堂红脚手架，既有铁路上方搭设门洞式防护棚架保证行车安全。声屏障基础采用明挖法施工，西侧基坑一侧临近既有运营铁路，另一侧邻近砌体结构房屋，东侧基坑场地开阔。结合施工组织和地勘情况，西侧基坑支护采用灌注桩(或钢板桩)+内支撑系统支护体系，东侧基坑采用三级放坡开挖、土钉墙支护体系。

6 结论

（1）京沈客专星火枢纽铁路工程方案复杂，列车运营对周边环境产生噪声影响，环评批复要求采用封闭式框架结构声屏障降低噪声影响。设计阶段从降噪效果、工程可实施性、景观效果及运营维护等方面进行综合比选，最终采用明洞式混凝土结构声屏障。在业主、设计、施工、监理等各方面积极努力及参与配合下，项目进展顺利，预计2020 年12 月随京沈客专北京段开通运营同步投入使用。

（2）该声屏障采用的大跨度拱形混凝土结构在国内应用案例较少，声屏障主体结构设计需要处理好路基、桥梁、接触网等专业之间的衔接，满足相关专业的要求；同时，必须检算结构的整体稳定性，保证结构的安全。施工过程中，还需紧密结合现场地质勘查、征地拆迁、管线迁改、施工工艺、施工组织等完成优化和变更设计。

（3）声屏障的设计及施工质量还需经受长时间的运行考验，一些技术问题和设计理念也将得到实践的检验。从环境保护及噪声控制的技术角度看，全封闭声屏障虽然在目前的铁路降噪措施中降噪效果最佳，在铁路穿越的高层密集居民区也有采用，但相较于单侧声屏障等措施，存在造价偏高及后期养护难度大等问题，是否广泛推广尚需反复论证，同时也需要进一步得到社会的认可。