城市軌道交通地下線振動環(huán)境影響分析

謝詠梅 劉 揚 辜小安

(1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心 北京 100012;2.北京市地鐵運營公司 北京 100044;3.中國鐵道科學研究院 北京 100081)

城市軌道交通地下線振動環(huán)境影響分析

謝詠梅1劉 揚2辜小安3

(1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心 北京 100012;2.北京市地鐵運營公司 北京 100044;3.中國鐵道科學研究院 北京 100081)

采用城市軌道交通環(huán)境影響評價中的振動預測方法，通過北京、上海、廣州10條運營線路的環(huán)保驗收調(diào)查報告和軌道減振性能測試評估報告提供的實測數(shù)據(jù)和預測結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明:在一定的車速、埋深及區(qū)段等工程條件下，若按交通干線兩側(cè)晝、夜間振動限值標準進行評價，地下線的環(huán)境振動影響范圍約20 m。地下線的振動影響主要取決于線路的線型、埋深，尤其與敏感點的距離、運行速度關(guān)系較大。地鐵隧道上方5 m以內(nèi)的建筑，環(huán)境振動無明顯變化;5～20 m振動級衰減比較明顯。正線區(qū)間比車場線及出、入段線敏感點的振動級高4～6 dB;出段線比入段線敏感點的振動級高2 dB左右。建議根據(jù)振動影響范圍，做好軌道交通及其沿線用地規(guī)劃。地下線路應(yīng)合理選線，尤其要避免下穿環(huán)境敏感建筑;沿線規(guī)劃控制應(yīng)預留振動防護距離，在防護范圍內(nèi)不宜新建敏感建筑;對特殊敏感區(qū)段，可以考慮在夜間時段采取限速的措施。

城市軌道交通;地下線;環(huán)境;振動

1 軌道交通振動源的產(chǎn)生及工程特點

1.1 軌道交通振動源的產(chǎn)生及傳播

截至2011年底，我國內(nèi)地已有北京、上海、廣州、長春、重慶等14個城市，開通運營軌道交通線路54條，其運用車輛類型包括A型、B型、C型、直線電機及跨座式單軌車輛，采用A型和B型車輛的運營線路占80%以上。軌道交通地下線對沿線環(huán)境的影響，主要是運營期列車運行引起的振動對地面建筑物的影響，而室內(nèi)環(huán)境受到的振動影響是環(huán)境影響評價的重點，包括垂向振動響應(yīng)和二次輻射噪聲影響。下面重點分析A型、B型車輛在地下隧道內(nèi)運行時對建筑物室內(nèi)地面的垂向振動響應(yīng)。

地鐵列車在隧道內(nèi)行駛過程中，由于車輪在鋼軌上的滾動與撞擊作用而激發(fā)軌道結(jié)構(gòu)振動，經(jīng)鋼軌、扣件、軌枕、道床向隧道結(jié)構(gòu)傳遞，再經(jīng)隧道結(jié)構(gòu)通過土壤層傳遞至表層土壤，并通過表層土壤向鄰近的建筑物傳播，從而激發(fā)地面建筑物的振動響應(yīng)，以至對沿線鄰近區(qū)域產(chǎn)生振動干擾。研究表明，由于振動在地表傳導過程中其水平方向的衰減比鉛垂向振動衰減得快，因而鉛垂方向的振動大于水平方向的振動。人體可感知的振動頻率范圍是1～1 000 Hz，其中1～100 Hz為敏感區(qū)。人體對于小于16 Hz的低頻振動更為敏感，垂向振動最敏感的頻率范圍為4～8 Hz，橫向振動為1～2 Hz。振動在傳播過程中，高頻部分比低頻部分衰減得快，因此低頻振動影響比高頻振動影響要大〔1〕。

當列車在地下隧道內(nèi)運行時，車速為60 km/h的列車通過時段距道床0.5 m處(混凝土整體道床)的鉛垂向Z計權(quán)振動級VLZ10值為84～85 dB，其振動頻率主要集中在31.5～60 Hz〔2〕。按照城市區(qū)域環(huán)境振動限值標準考量，在正常的工程和地質(zhì)條件下，軌道交通線路兩側(cè)30 m范圍將受到不同程度的振動影響〔2〕。

1.2 軌道交通振動影響的工程特點

根據(jù)國內(nèi)地鐵建設(shè)經(jīng)驗，服務(wù)于中心城區(qū)的地鐵線路平均站間距一般在1～1.2 km，車輛最高設(shè)計速度為80 km/h，正線區(qū)間最小曲線半徑一般為350～400 m，困難地段為250～300 m，最大縱斷面坡度不大于30‰。當線路穿越中心城區(qū)(包括主城區(qū)、老城區(qū)、古城區(qū)和規(guī)劃新城中心區(qū))時，一般采用地下敷設(shè)方式，中心城區(qū)以外在道路條件及沿線環(huán)境條件允許的地段采用高架或地面敷設(shè)方式。線路一般沿城市既有道路或規(guī)劃道路的路中或一側(cè)布置，道路紅線寬度要求地下線一般不小于50 m，高架線不小于60 m。地下線的隧道結(jié)構(gòu)在表層土壤以下埋設(shè)，根據(jù)城市地形、地質(zhì)特點和地面建筑及工程條件等確定線路埋深。

軌道交通環(huán)境影響以高架線噪聲影響、地下線振動影響為主要特征。由于受其工程、環(huán)境等條件的制約，導致地下線至沿線建筑物的距離較近。當隧道下穿建筑物時，列車運行對建筑物室內(nèi)環(huán)境的振動影響最為突出，特別是線路下穿居民樓、學校、醫(yī)院等振動敏感建筑的情況，在環(huán)境影響評價中備受關(guān)注。受列車振動影響的主要是地下線路正線區(qū)間上方或兩側(cè)的敏感點，若車輛段、停車場出入線為地下線時，其線路上方或兩側(cè)的敏感點也會受到振動影響。

2 軌道交通振動影響范圍

2.1 軌道交通振動影響預測

根據(jù)HJ 453—2008《城市軌道交通環(huán)境影響評價技術(shù)導則》〔3〕(以下簡稱《導則》)推薦的振動預測方法，對列車振動影響按式(1)進行計算，預測結(jié)果見表1。

表1 地下線運營對地面環(huán)境振動影響預測 dB

為便于討論，筆者根據(jù)一般工程條件，對計算過程作了一定簡化和假設(shè)，實際工程條件往往更加復雜。

式中:VLz0，i為列車振動源強，列車通過時段參考點的Z振級;n為列車通過列數(shù)，n≥5;C為振動修正項，dB。

式中:Cv為速度修正，dB;Cw為軸重修正，dB;CL為軌道結(jié)構(gòu)修正，dB;CR為輪軌條件修正，dB;CH為隧道結(jié)構(gòu)修正，dB;CD為距離修正，dB;CB為建筑物類型修正，dB。

假設(shè)車速、軌道結(jié)構(gòu)、線路埋深等按以下條件設(shè)定，則主要修正項及取值如下。

1)列車振動源強VLz0=84 dB(VLZ10值)。

2)速度修正Cv=20lg(v/v0)，其中:v0為源強的參考速度，v0=60 km/h;v為列車通過預測點的運行速度，一般v=70 km/h。

3)軸重修正Cw=20lg，其中:w0為源強的參考軸重，w0=14t(B型車);w為預測車輛的軸重，一般w=14t(B型車)。

4)若軌道結(jié)構(gòu)為混凝土整體道床，無縫線路，車輪圓整，鋼軌表面平順，隧道結(jié)構(gòu)為單洞雙線，則軌道結(jié)構(gòu)、輪軌條件及隧道結(jié)構(gòu)修正分別為CL=0，CR=0，CH=0。

6)建筑物類型的修正。預測計算過程暫不考慮不同建筑物的修正值，設(shè)CB=0。

2.2 軌道交通振動影響實測

國內(nèi)已開通運營的54條軌道交通線路中，北京、上海、廣州開通運營線路有34條，占全部運營線路的63%，其中通過國家環(huán)保部組織的環(huán)境保護驗收線路共11條。本次調(diào)查收集了北京地鐵4號線、5號線、10號線一期，上海地鐵6號線、9號線一期，廣州地鐵1～5號線共10條運營線路的相關(guān)資料，包括7項環(huán)保驗收調(diào)查報告、8項軌道減振性能測試評估報告。對上述地鐵線路振動影響實測數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計，并與預測結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2〔4-18〕。

表2 地下線運營對地面環(huán)境振動影響實測與預測結(jié)果對比dB

表2的結(jié)果表明:對于距離線路20 m范圍內(nèi)的地面環(huán)境振動，實際測量結(jié)果與預測計算結(jié)果基本吻合(實際測量值與計算預測值的點位基本對應(yīng))，其誤差范圍在1～5 dB。其中，北京、廣州地下線列車運行振動對地面環(huán)境的實際影響，低于預測計算值約1～5 dB，但上海地鐵高于預測計算值3～5 dB。由于振動影響的工程因素比較復雜，預測邊界條件及其與實際情況均存在一定差異。

2.3 軌道交通振動影響范圍

根據(jù)上述軌道、線路、車輛、車速等設(shè)定條件及其相應(yīng)的修正量，對距線路0～20 m范圍內(nèi)的敏感點振動影響預測結(jié)果，按照環(huán)境振動現(xiàn)行標準進行評價，其評價結(jié)果見表3。表3是依據(jù)式(1)、式(2)計算并經(jīng)表2進行驗證對比的計算數(shù)值。

表3 地下線運營對地面環(huán)境振動影響范圍 dB

對表3的分析與說明如下:

1)評價對象。表3的預測結(jié)果為軌道交通列車運行引起的振動影響，不包含背景振動影響。一般隧洞頂部及兩側(cè)近距離的敏感建筑，其環(huán)境振動背景值比軌道交通振動值低10 dB以上。

2)評價時段。軌道交通振動影響是按列車通過時段的振動級進行評價的，與初、近、遠期各運營時段晝、夜間的列車流量無關(guān)。因此，各運營時段晝間與夜間的振動預測結(jié)果數(shù)值相同。

3)評價標準。根據(jù)GB 10070〔19〕《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》規(guī)定的振動限值進行評價。居民文教區(qū)晝間≤70 dB，夜間≤67 dB;交通干線道路兩側(cè)晝間≤75 dB，夜間≤72 dB。

4)評價量。按照《導則》相關(guān)規(guī)定，振動預測量為軌道交通列車通過時段的振動級VLZ10和 VLz，max值(本文僅作VLZ10值計算)，以 VLZ10值對標給出預測超標量及評價結(jié)果，按照VLz，max值的超出量采取減振措施。

5)評價結(jié)論。當線路埋深為10～20 m，列車在正線區(qū)間以70 km/h運行時:對于10 m以內(nèi)的敏感點，居民文教區(qū)和交通干線兩側(cè)晝、夜間基本超限值標準;對于＞10 m、＜20 m的敏感點，居民文教區(qū)晝、夜間均超標，交通干線兩側(cè)夜間超限值標準;對于20 m以外的敏感點，基本可滿足交通干線兩側(cè)晝、夜間限值標準要求。

按照交通干線兩側(cè)振動標準的要求，軌道交通振動影響范圍約20 m。上述評價結(jié)論是在一定的線路埋深、列車通過車速及運行區(qū)段等工程條件下得到的，若上述工程條件發(fā)生變化，如對于重慶、貴陽等山地城市，或大連、青島等沿海城市，因其線路埋深條件變化較大，所以其振動影響特性必然隨之變化。因此，軌道交通的振動影響程度、范圍應(yīng)根據(jù)敏感點的距離、高差(線路埋深)、車速等實際情況進行預測，根據(jù)預測超標量和實際振動影響，采取相應(yīng)的減振措施，不能一概而論。

3 軌道交通振動環(huán)境影響的工程因素

地下線運營對地面建筑物的振動影響與振動傳播過程的多種因素有關(guān)(見表4)。在振動影響預測中，根據(jù)工程具體情況進行預測參數(shù)的取值，其振動影響程度取決于預測參數(shù)的大小，或者說振動環(huán)境影響的程度是由工程條件決定的。振動影響程度與線位至敏感點的距離、埋深、列車運行速度等工程條件更為密切，是振動影響的重要預測參數(shù)(以表4中*號標注)。

表4 軌道交通振動影響因素

3.1 距離對振動環(huán)境的影響

由表5可見，若正線區(qū)間下穿地面敏感建筑，線路埋深為20 m，則距線路5 m以內(nèi)的各敏感點振動級比較接近，變化在0.5 dB范圍內(nèi);當距離從5 m增加到10 m時，振動級減小近1 dB;當距離從10 m增加到20 m時振動級衰減2 dB。

表5 距離與振動環(huán)境影響的對比分析

3.2 車速對振動環(huán)境的影響

由表6可見，當正線區(qū)間和出、入段線均下穿地面敏感建筑，線路埋深為20 m時，正線區(qū)間比出、入段線敏感點的振動級高4～6 dB(不考慮出入線為彎道或道岔區(qū)段的情況)。在實際運行中，一般出段線比入段線的車速高約10 km/h，出段線比入段線敏感點的振動級高2 dB。

表6 車速與振動環(huán)境影響的對比分析

3.3 其他工程因素對振動環(huán)境的影響

1)在振動預測時，還應(yīng)關(guān)注彎道尤其是小曲線彎道處的振動影響，而在城區(qū)范圍或出入段線下穿地面建筑的彎道線路更為多見。然而，由于測試條件所限，目前對彎道路段的振動影響測試開展較少，彎道路段的振動增加量目前尚難確定。

2)《導則》給出了建筑物類型的修正量，見表7。由于表7中給出的取值范圍較大，評價中該項取值差別較大，導致預測結(jié)果誤差較大。建議應(yīng)對不同類型建筑物的振動影響開展更深入的研究，確定適宜的建筑物振動修正值，以保證振動預測結(jié)果的準確性。

表7 不同類型建筑物的振動修正值 dB

4 結(jié)論

1)敏感點與線位的距離、埋深、車速、線型是振動影響的關(guān)鍵因素。運營期車速是可變因素，而距離、埋深、線型等工程指標均為不可變的因素。

2)車速對振動影響關(guān)系較大，振動影響隨著車速的提高而增大。為保證預測結(jié)果的準確性，在進行振動預測計算時，通過各敏感點的列車速度應(yīng)根據(jù)列車牽引計算結(jié)果確定。若通過限速實現(xiàn)減振的要求，一是車速控制存在人為因素，二是降低車速將使平均旅行速度下降，影響線網(wǎng)的運營效率。

3)預防軌道交通運營期的振動影響最有效的方法，就是做好軌道交通的線路規(guī)劃及沿線用地規(guī)劃。工程線路的選線選址最為重要，沿線用地規(guī)劃控制也是非常必要的。從線路規(guī)劃角度來說，應(yīng)參考工程的環(huán)境影響合理選線，地下線路應(yīng)盡量避免或減少下穿環(huán)境敏感建筑;從城市規(guī)劃角度來說，應(yīng)根據(jù)振動預測結(jié)果，在振動防護距離內(nèi)不再新建敏感建筑。

［1］孫家麒，戰(zhàn)嘉愷，虞仁興，等.振動危害和控制技術(shù)［M］.石家莊:河北科學技術(shù)出版社，1991:52-70.

［2］孫家麒.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊［M］.北京:北京科學技術(shù)出版社，2002:55-56.

［3］HJ 453—2008城市軌道交通環(huán)境影響評價技術(shù)導則［S］.北京:中國環(huán)境出版社，2009.

［4］交通部公路科學研究所.北京城市軌道交通5號線竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.北京，2008.

［5］北京嘉和綠洲環(huán)保技術(shù)投資有限公司.北京城市軌道交通10號線一期竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.北京，2008.

［6］上海船舶運輸科學研究所.上海城市軌道交通6號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.上海，2010.

［7］上海船舶運輸科學研究所.上海城市軌道交通9號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.上海，2010.

［8］中國環(huán)境監(jiān)測總站.廣州城市軌道交通1號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.北京，2000.

［9］中國環(huán)境監(jiān)測總站.廣州城市軌道交通2號線首期工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.北京，2004.

［10］環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心.廣州城市軌道交通3號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.北京，2008.

［11］北京鐵科工程檢測中心.北京城市軌道交通4號線軌道減振措施性能測試評估報告［R］.北京，2010.

［12］北京鐵科工程檢測中心.北京城市軌道交通5號線軌道減振措施減振性能測試評估報告［R］.北京，2008.

［13］北京交通大學，北京城市軌道交通設(shè)計研究所.北京城市軌道交通5號線軌道減振措施減振性能測試評估報告［R］.北京，2009.

［14］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.廣州城市軌道交通1號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估報告［R］.北京，2007.

［15］中船重工集團七二五研究所.廣州城市軌道交通1號線GJ-Ⅲ減振扣件減振性能評估報告［R］.河南，2010.

［16］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.廣州城市軌道交通3號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估報告［R］.北京，2007.

［17］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.廣州城市軌道交通4號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估報告［R］.北京，2007.

［18］中船重工集團七二五研究所.廣州城市軌道交通5號線GJ-Ⅲ減振扣件減振性能評估報告［R］.河南，2010.

［19］GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動標準［S］.北京:中國環(huán)境出版社，2009.

Analysis on Underground Vibration Environment of Urban Rail Transit

Xie Yongmei1Liu Yang2Gu Xiaoan3
(1.Appraisal Center for Environment Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012;2.Beijing Subway Operation Corp.，Beijing 100044;3.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081)

Abstract:By means of the vibration prediction method for urban rail transit vibration environment assessment，comparative analysis was carried out according to the measured data and prediction results obtained from Beijing，Shanghai，Guangzhou 10 metro lines’acceptance reports on enviromental protection during operation and test and evaluation reports on track damping performance，results indicated:under the conditions of certain vehicle speeds，overburdens and the same section etc.，the affected distance by underground traffic was about 20m as evaluated according to the vibration limit standards along two sides of main traffic lines round the clock.Underground vehicle vibration depends on buried depth and types of lines，especially on distance to sensitive points and vehicle running speeds.For buildings located 5m and more above the railway tunnel the vibration effect does not change obviously，but for those located 5-20 m above the tunnel vibration damping is obvious.Vibrations on sensitive points along main lines are 4～6 dB larger than those along the vehicle yard lines and the entrance and exit lines.It is recommended to rationally design the route of lines to bypass sensitive buildings and plan the land use along urban railways.

Key words:urban rail transit;underground lines;environment;vibration

U231.8

A

1672-6073(2012)02-0059-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.016

收稿日期:2011-11-04

2012-03-15

作者簡介:謝詠梅，女，碩士，工程師，高級項目負責人，主要從事城市軌道交通類建設(shè)項目環(huán)境影響技術(shù)評估工作，xieym@acee.org.cn

(編輯:曹雪明)