辜小安
(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)
根據(jù)國家發(fā)展改革委運(yùn)輸所完成的《2012—2013年中國城市軌道交通發(fā)展報(bào)告》[1]統(tǒng)計(jì),截至2012年底,全國軌道交通運(yùn)營線路總計(jì)達(dá)到67條,運(yùn)營長度總里程達(dá)到2 042 km,運(yùn)營車站總數(shù)達(dá)到1 353座。2012年度,全國有35個(gè)城市在建軌道交通線路,建設(shè)里程總計(jì)達(dá)2 016 km。2013年預(yù)計(jì)有24個(gè)城市新開城市軌道交通線路,規(guī)模達(dá)40余條段、846 km。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會預(yù)計(jì)[2],至2020年全國將有近50個(gè)城市發(fā)展軌道交通,網(wǎng)絡(luò)總規(guī)模超過7 000 km。目前上述由發(fā)改委審批的已建、在建、規(guī)劃建設(shè)的城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目,均由環(huán)保部審批相應(yīng)的環(huán)境影響報(bào)告書。
鑒于目前城市軌道交通線路敷設(shè)方式以地下線路為主(約占線路總里程的70%),地下線路的振動影響是城市軌道交通的主要環(huán)境影響問題。列車運(yùn)行過程中,由于車輪與鋼軌之間產(chǎn)生撞擊,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)傳到地面,并通過地面向建筑物傳播,從而對周圍區(qū)域產(chǎn)生振動干擾。因此在城市軌道交通振動環(huán)境影響評價(jià)專題中,振動影響預(yù)測是環(huán)境振動影響評價(jià)專題的重要內(nèi)容,而振動源強(qiáng)的確定又是城市軌道交通振動影響預(yù)測的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)討論地下線路振動源強(qiáng)取值問題。
圖1 軌道交通列車振動源模型
地鐵列車振動源主要受車輛和鋼軌間的相互作用引起,見圖1。影響因素包括列車運(yùn)行速度、車體質(zhì)量、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量、車輛簧下質(zhì)量、列車車輪粗糙度、鋼軌阻抗、鋼軌支承、道床隧道和地層阻抗等[3]。已有的研究結(jié)果表明:列車運(yùn)行速度越高,列車運(yùn)行荷載作用到軌道、道床、路基和地層產(chǎn)生的移動變形和彎曲波越大,振動響應(yīng)越大;不同車型的車體質(zhì)量、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量、車輛簧下質(zhì)量不同,所產(chǎn)生的振動源強(qiáng)不同,因此在列車振動源強(qiáng)確定時(shí)需按不同車型分別確定。同時(shí)不同的鋼軌支承、路基-隧道和地層阻抗,都將影響到列車振動源強(qiáng)大小及頻率特性。
在《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》(HJ453—2008)[5]中規(guī)定的地下線列車振動源強(qiáng),為道床上部近軌外側(cè)0.5 m~1.0 m處、對應(yīng)的列車運(yùn)行速度為60 km/h、測量不少于5次列車通過時(shí)段的VLz10值和VLzmax的平均值。其中VLz10和VLzmax值,是依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方 法 》(GB10071—88)[6]中 的 規(guī) 定,按 照ISO2631/1—1985[7]規(guī)定的全身振動不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后的振動加速度級。因此導(dǎo)則中規(guī)定的列車振動源強(qiáng)值,是對列車、軌道、路基-隧道、地層阻抗等邊界條件的綜合反映。
該導(dǎo)則中對振動源強(qiáng)取值方法的規(guī)定主要通過類比測量和資料類比兩種途徑獲得,或采取二者相結(jié)合的方法。具體方法的選擇取決于環(huán)境振動影響評價(jià)專題評價(jià)工作等級的確定。對于一級評價(jià)采用類比測量法確定振動源強(qiáng)。對于二級評價(jià),振動源強(qiáng)的確定以資料調(diào)查為主,可參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料引用源強(qiáng)等類比測量數(shù)據(jù)。目前城市軌道交通振動環(huán)境影響評價(jià)等級一般均確定為一級評價(jià),即按導(dǎo)則規(guī)定,振動源強(qiáng)取值時(shí)應(yīng)采用類比測量法確定。類比測量時(shí)的車輛類型、線路形式、軌道結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況、地質(zhì)等邊界條件應(yīng)類似。否則應(yīng)根據(jù)類比條件的差異進(jìn)行必要的修正。
目前我國城市軌道交通運(yùn)營線路車輛類型主要為B型車和A型車兩大類,其中以B型車居多。C型車、直線電機(jī)和跨座式單軌車輛應(yīng)用較少,具體應(yīng)用情況見表1。
表1 國內(nèi)城市軌道交通主要運(yùn)營線路車輛技術(shù)條件
線路條件一般為60 kg/m長鋼軌、混凝土整體道床,扣件類型形式有所區(qū)別,一般扣件垂向靜剛度為20~40kN/mm,橫向靜剛度為20~60kN/mm。不同城市的地質(zhì)條件有所差別,具體表2。
表2 國內(nèi)主要城市軌道交通線路和地質(zhì)條件
因此在城市軌道交通振動源強(qiáng)確定時(shí),至少應(yīng)依據(jù)不同車型、不同軌道結(jié)構(gòu)、不同地質(zhì)條件科學(xué)確定。
目前城市軌道交通振動環(huán)境影響評價(jià)中,對于地下線列車振動源強(qiáng)取值,一般可分為三類:一類是采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的源強(qiáng)數(shù)據(jù),如依據(jù)《北京市地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》(DB11/T 838—2011)[7]中規(guī)定的振動源強(qiáng);一類是引用已有資料,目前80%以上的報(bào)告書采用該方法;一類是根據(jù)當(dāng)?shù)剡\(yùn)營線路的實(shí)際測量數(shù)據(jù)確定,以廣州地鐵環(huán)境影響評價(jià)中的振動源強(qiáng)確定為代表。
以下重點(diǎn)分析三類源強(qiáng)取值方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
《北京市地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》(DB11/T 838—2011)規(guī)定了北京地鐵列車振動源強(qiáng)取值。
該規(guī)范規(guī)定的列車振動源強(qiáng)為列車通過時(shí)段隧道洞壁處的Z計(jì)權(quán)振動最大值VLzmax,對應(yīng)于六節(jié)編組、B型車、普通扣件、直道、勻速運(yùn)行速度70 km/h,近側(cè)隧道壁上且垂直于地面的切點(diǎn)處VLzmax=84 dB。值得注意的是該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的振動源強(qiáng)測點(diǎn)位置為隧道洞壁處,與HJ453—2008導(dǎo)則規(guī)定的振動源強(qiáng)位于道床上部近軌外側(cè)0.5 m~1.0 m處的位置不同;而且該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Z計(jì)權(quán)振動最大值振動源強(qiáng),是按照新的國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價(jià)第1 部分:一般要求》(GB/T13441.1)[8](該標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化 ISO2631/1—1997標(biāo)準(zhǔn)[9])規(guī)定的全身振動不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動加速度級,與現(xiàn)行《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[10]依據(jù)的ISO2631/1—1985規(guī)定的全身振動不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動加速度級并不對應(yīng)。根據(jù)《振動環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》編制說明[11]:“同一振動源振動監(jiān)測,采用新的頻率計(jì)權(quán)后,振級相比增加2.5~4 dB。根據(jù)大量的監(jiān)測數(shù)據(jù),采用新的計(jì)權(quán)曲線,振級的加權(quán)平均增加量約為3 dB?!睂τ诔鞘熊壍澜煌熊囘\(yùn)行振動,采用 ISO2631/1—1997中規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)因子計(jì)算得到的VLZmax,高于采用ISO2631/—1985中規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)因子計(jì)算得到的VLZmax約2~4 dB。目前環(huán)境振動影響評價(jià)中執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB10080—88),因此預(yù)測中振動源強(qiáng)應(yīng)采用GB10080—88中依據(jù)的ISO2631—1985規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)因子確定Z振級,現(xiàn)階段尚不宜根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)ISO2631/1—1997規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)因子確定Z振級作為源強(qiáng)數(shù)據(jù),否則兩者相差約為2~4 dB。
采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定法統(tǒng)一城市軌道交通列車振動源強(qiáng),應(yīng)是環(huán)境影響評價(jià)中的首選。但標(biāo)準(zhǔn)源強(qiáng)的確定需要在大量系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上確定,如振動源強(qiáng)位置應(yīng)在“道床上部近軌外側(cè)0.5 m~1.0 m處”或者是在“隧道洞壁處”更為合理有待進(jìn)一步系統(tǒng)研究確定。源強(qiáng)的具體數(shù)值應(yīng)在大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析相應(yīng)的邊界條件基礎(chǔ)上,分類統(tǒng)計(jì)各類振動源強(qiáng),建立相應(yīng)的振動源強(qiáng)數(shù)據(jù)庫后,方可制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的源強(qiáng)。
目前城市軌道交通環(huán)境影響評價(jià)中,對于地下線的振動源強(qiáng)取值80%以上的環(huán)評報(bào)告書采用《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》[12]中,列出的地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)(見表3)。表中數(shù)據(jù)基于北京、上海、廣州、天津2000年現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得到。
表3 國內(nèi)主要城市的地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)
上述源強(qiáng)數(shù)據(jù)對應(yīng)的工程邊界條件為:行車速度60 km/h,線路采用60 kg/m無縫鋼軌、普通扣件和普通整體道床。
若嚴(yán)格按照HJ453—2008導(dǎo)則規(guī)定,則一級評價(jià)中振動源強(qiáng)取值應(yīng)采用類比測量法確定,只有二級評價(jià)可參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料引用源強(qiáng)等類比測量數(shù)據(jù)。理論上對于已有地鐵運(yùn)營線路的城市,開展相應(yīng)的軌道交通環(huán)境影響評價(jià)時(shí),不應(yīng)簡單采用《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中列出的地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)數(shù)據(jù),宜通過對本地實(shí)際運(yùn)營的地鐵線路振動源強(qiáng)進(jìn)行類比測量測量或結(jié)合已通過工程環(huán)保竣工驗(yàn)收的調(diào)查數(shù)據(jù),校驗(yàn)振動環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果。但考慮到地下線振動源強(qiáng)測點(diǎn)位置為道床上部近軌外側(cè)0.5 m~1.0 m處,類比測試時(shí)需選擇地下線標(biāo)準(zhǔn)測試斷面、下洞布設(shè)測量儀器、正確安裝測試設(shè)備、準(zhǔn)確確定測試參數(shù)等諸多技術(shù)細(xì)節(jié),加之在地鐵列車運(yùn)行期間,在地下線近軌側(cè)布置測量儀器并安排測試人員下洞存在一定的安全隱患,需得到地鐵運(yùn)營公司的批準(zhǔn),否則無法實(shí)施。因此,在此前的環(huán)境影響評估中,對一級評價(jià)的列車振動源強(qiáng)采用類比測量法的規(guī)定未嚴(yán)格落實(shí),一般認(rèn)可直接采用《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中列出的地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)數(shù)據(jù)。
近年來北京、上海、廣州等地鐵公司也組織開展了大量的地鐵振動影響現(xiàn)場測試,部分測試結(jié)果見表4[13~17]。由表中數(shù)據(jù)可見,同樣邊界條件下,近年來的地下線路振動源強(qiáng)測試結(jié)果相對于2000年測試結(jié)果略低或基本持平。如同等邊界條件下北京地鐵4號線、5號線的振動源強(qiáng),低于1號線源強(qiáng)7~8 dB;上海地鐵1號線振動源強(qiáng)降低了3 dB;廣州地鐵2號線振動源強(qiáng)與1號線源強(qiáng)基本持平。該測試結(jié)果表明,隨著城市軌道交通技術(shù)進(jìn)步發(fā)展,車輛和線路條件的不斷優(yōu)化完善,振動源強(qiáng)取值也應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。
表4數(shù)據(jù)還表明:對于相同車型及運(yùn)行速度、相同的隧道結(jié)構(gòu)、線路條件下,北京地鐵4號線、5號線的列車振動源強(qiáng)低于廣州地鐵3號線振動源強(qiáng)7~8 dB;上海地鐵1號線振動源強(qiáng)與廣州地鐵2號線振動源強(qiáng)基本持平。
表4 國內(nèi)主要城市軌道交通地下線路振動源強(qiáng)測試數(shù)據(jù)
隨著近年來我國已有17座城市開通了近70條(段)的城市軌道交通運(yùn)營線路,在環(huán)境影響評價(jià)中已具備采用現(xiàn)場類比測試法確定列車振動源強(qiáng)的條件。以廣州、長春等城市軌道交通為代表的環(huán)評項(xiàng)目中,根據(jù)已投入運(yùn)營的地鐵線路列車振動源強(qiáng)類比實(shí)測結(jié)果,確定軌道交通地下區(qū)段的振動源強(qiáng)。
《廣州市軌道交通二、八號線延長線環(huán)境影響報(bào)告書》[18]、《廣州市軌道交通八號線北延段環(huán)境影響報(bào)告書》[19]依據(jù)廣州地鐵二號線現(xiàn)場實(shí)際類比測試數(shù)據(jù),確定對于A型車,6節(jié)編組,運(yùn)行速度為80 km/h,線路條件為60 kg/m無縫鋼軌,普通鋼筋混凝土整體道床,彈性分開式扣件條件下,位于隧道邊墻底部列車振動源強(qiáng)取值為88.0 dB。該振動源強(qiáng)值相對于《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中給出的廣州一號線距離軌道0.5 m處的地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)值,高約1.5 dB。
《長春市城市快速軌道交通輕軌3號線一期工程延伸線環(huán)境影響報(bào)告書》[20]依據(jù)已運(yùn)行的輕軌3號線一期工程現(xiàn)場實(shí)際類比測試數(shù)據(jù),確定對于C型車,2單元編組,運(yùn)行速度為60 km/h,線路條件為50 kg/m無縫鋼軌,碎石道床,普通扣件條件下,距軌道0.5 m處振動源強(qiáng) VLzmax為83.7 dB。該振動源強(qiáng)值相對于《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中給出的A型車距離軌道0.5 m處的地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)值,低約3.3 dB。
環(huán)境影響評價(jià)中采用現(xiàn)場類比測試結(jié)果確定振動源強(qiáng)值時(shí),需正確選擇適宜的線路、場地、測試方案、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等諸多技術(shù)細(xì)節(jié),且需得到地鐵運(yùn)營公司的批準(zhǔn)配合,會涉及較大的人力、物力、財(cái)力,此外用某一次的振動測試結(jié)果作為源強(qiáng)數(shù)據(jù),也存在一定的局限性。因此目前城市軌道交通環(huán)境影響評價(jià)中,評價(jià)單位較少采用現(xiàn)場類比測試方法確定源強(qiáng)。
由于目前城市軌道交通環(huán)境影響評價(jià)中地下線路振動源強(qiáng)取值不統(tǒng)一,使得預(yù)測結(jié)果相差較大,對環(huán)保措施的合理選擇和應(yīng)用都存在制約。因此有必要結(jié)合我國已運(yùn)營地鐵現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),并根據(jù)振動源激勵機(jī)理,分類統(tǒng)計(jì)分析不同邊界條件下的振動源強(qiáng),建立我國城市軌道交通噪聲振動源強(qiáng)數(shù)據(jù)庫,形成我國城市軌道交通源強(qiáng)估算模式,完善城市軌道交通環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)方法。
截止2012年底,我國城市軌道交通運(yùn)營線路67條,運(yùn)營總里程2 042 km,北京、上海、廣州、深圳等17座城市的地鐵公司對已開通的地鐵線路,分別開展過各類振動影響測試,但分散在各個(gè)地鐵公司內(nèi)部掌握。若能在理論分析地鐵列車振動源強(qiáng)激勵機(jī)理的基礎(chǔ)上,分類統(tǒng)計(jì)分析不同邊界條件下的振動源強(qiáng),并系統(tǒng)研究我國城市軌道交通地下線振動源強(qiáng)特性,方可對合理確定振動源奠定理論基礎(chǔ)。
環(huán)境影響評價(jià)法中規(guī)定了“環(huán)境保護(hù)主管部門應(yīng)當(dāng)對建設(shè)項(xiàng)目投入生產(chǎn)或者使用后所產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行跟蹤監(jiān)測”,“原環(huán)境影響評價(jià)文件審批部門也可以責(zé)成建設(shè)單位進(jìn)行環(huán)境影響的后評價(jià),采取改進(jìn)措施”[21]。由于現(xiàn)階段城市軌道交通環(huán)境影響評價(jià)預(yù)測評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性方面存在一定的局限,因此應(yīng)推進(jìn)城市軌道交通運(yùn)營期后評價(jià)工作,通過長期跟蹤監(jiān)測,建立監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)庫,為振動源強(qiáng)數(shù)據(jù)的積累及掌握環(huán)境影響狀況提供數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。
美國聯(lián)邦運(yùn)輸局在《軌道交通噪聲與振動影響評價(jià)》(FTA-VA-90-1003-06)規(guī)范[22]中,給出了振動源強(qiáng)數(shù)據(jù)庫及環(huán)境振動影響預(yù)測計(jì)算方法。但我國《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》(HJ453—2008)中僅規(guī)定了列車振動源強(qiáng)測試方法,未明確振動源強(qiáng)具體取值。因此在系統(tǒng)研究我國城市軌道交通地下線振動源強(qiáng)特性基礎(chǔ)上,建立我國城市軌道環(huán)境影響評價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,對今后規(guī)范振動源強(qiáng)取值,完善城市軌道交通振動環(huán)境影響評價(jià)均將起著重要作用。
通過系統(tǒng)梳理城市軌道交通環(huán)境振動影響預(yù)測方法中所存在的問題,在推進(jìn)并開展運(yùn)營期后評價(jià)及建立振動源強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,不斷補(bǔ)充、完善、修改振動預(yù)測模式,確保預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性,利于各相關(guān)部門可依據(jù)城市軌道交通環(huán)境振動影響預(yù)測結(jié)果,合理規(guī)劃地鐵線路走向、控制沿線周圍的土地利用開發(fā)、有效采取減振措施等工作內(nèi)容。
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鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生2013年5期