地鐵運行對周邊建筑物振動噪聲影響研究

歐 陽 昭

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

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地鐵運行對周邊建筑物振動噪聲影響研究

歐 陽 昭

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

基于實際地鐵線路地下區(qū)間的實測數(shù)據(jù)，對建筑物樓板三向振動和室內(nèi)噪聲在時域和頻域內(nèi)作了初步分析，總結(jié)歸納了振動傳播規(guī)律，并采用相干函數(shù)詳細分析了樓板各向振動與對應點噪聲之間的頻域特征和相干關(guān)系，辨別出產(chǎn)生建筑物二次輻射噪聲的主要振動方向及其頻譜分布特點。

地鐵，振動，二次輻射噪聲，頻譜分析，1/3倍頻程，相干分析

近年來，地鐵在我國得到了迅猛發(fā)展，成為了許多城市公共交通的主干力量，但其在給市民的出行帶來諸多方便的同時，也不可避免地給沿線居民的生活造成了許多困擾，其中最為突出的便是振動問題和噪聲問題。與傳統(tǒng)的地鐵高架線路相比，地鐵地下線路周邊建筑物內(nèi)的噪聲主要由線路地下結(jié)構(gòu)振動導致的地面建筑物二次振動引發(fā)，其聲源更加復雜和分散，傳播的過程難以得到控制，后期治理難度大。

目前，國內(nèi)外對地鐵運行引起周邊環(huán)境振動噪聲問題進行了較為廣泛的理論和實測研究，其中振動問題多集中于振動在土體中的傳播方面[1，2]，對建筑物內(nèi)部的實測分析較為有限。此外，目前國內(nèi)對于建筑物振動和二次噪聲相關(guān)性的討論還有所欠缺，常見的研究方法是在最大Z振級與最大聲級散點圖的基礎(chǔ)上擬合得到兩者的線性關(guān)系[3]，此法忽略了橫縱兩向的影響，在頻域方面也沒有細致討論。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，分析了地鐵周圍建筑物振動噪聲的特性和傳播規(guī)律，并根據(jù)相干函數(shù)在頻域內(nèi)的分布特點及峰值大小評價結(jié)構(gòu)三向振動的聲輻射特點，確定了室內(nèi)二次輻射噪聲的主要貢獻源，為以后采取有針對性的減振降噪措施提供參考。

1 振動噪聲實測介紹

本文對某實際地鐵線路沿線的5個典型地下區(qū)段進行了實測，各測試斷面均位于區(qū)間內(nèi)，線路埋深在14 m左右，測試環(huán)境包含住宅區(qū)及廠區(qū)，建筑物以低層磚混結(jié)構(gòu)為主。建筑物結(jié)構(gòu)振動測試在線路上方各樓層樓板中心部位進行布點，每個測點設置垂向(鉛垂方向)、橫向(水平垂直于地鐵延伸方向)、縱向(水平沿地鐵延伸方向)共3個傳感器。噪聲測試均在密閉的室內(nèi)進行，選擇與振動測點相同位置進行布點。當列車通過時，對各測點的振動加速度數(shù)據(jù)和噪聲聲壓級數(shù)據(jù)進行同步采集，各區(qū)段采集過程中通過列車不少于10列。

2 振動實測分析

2.1 建筑物振動響應

本文共得到5個測試斷面共68組列車駛過隧道的有效數(shù)據(jù)，取其中1個典型斷面的實測振動加速度平均值進行分析。按照我國標準GB 10070—1988城市區(qū)域環(huán)境振動標準[4]將測量得到的建筑物各向振動加速度值按式(1)換算成加速度級，統(tǒng)計得到各測點的振動加速度級如表1所示。

(1)

由表1可知，列車通過時，建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動呈現(xiàn)以下特征：

1)三向振動中垂向振動的加速度級最大，縱向振動要遠小于垂向和橫向振動，說明列車運行時周邊建筑物的結(jié)構(gòu)振動以垂向振動為主。

2)建筑物的垂向和橫向振動都有顯著的增長，增幅在5 dB～7 dB左右，縱向振動的增長最不明顯，和環(huán)境背景振級的差值不超過1 dB，說明列車運行對上方建筑物的影響主要體現(xiàn)在垂向和橫向。

3)樓層越高，振動級的增幅越小，以垂向振動為例，其在1層，2層，3層的振級分別增加了6.67 dB，6 dB，4.86 dB，說明樓層越高，樓板振動受列車影響越不明顯。

4)隨著樓層的升高，樓板各向振動都有所衰減，其中橫向振動的衰減速率最快，從1層傳遞至3層時其振級減小了8.14 dB，除去環(huán)境振動的自然衰減值外仍有3.5 dB的額外衰減量。

表1 實測結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)匯總表 dB

2.2 建筑物振動頻譜特性

圖1為列車通過上述典型測試地段時，線路上方某幢居民樓底層樓板的垂向、橫向、縱向振動加速度響應及對應的幅頻特性曲線。從樓板振動加速度的幅頻特性曲線可以看出，樓板垂向、橫向、縱向加速度所含頻率成分主要集中在100 Hz以內(nèi)，其中，樓板垂向振動加速度幅值頻率為63 Hz，橫向和縱向加速度幅值頻率均為50 Hz，可知地鐵列車引起的建筑物結(jié)構(gòu)振動主要以頻率低于100 Hz的低頻振動為主，其中尤以50 Hz～63 Hz振動最為顯著。

3 二次輻射噪聲實測分析

為了了解地鐵運行引起的建筑物二次輻射噪聲的頻率特征，對列車經(jīng)過時段的室內(nèi)噪聲實測數(shù)據(jù)以及背景噪聲數(shù)據(jù)進行1/3倍頻程分析，比較分析兩者在各個1/3倍頻帶上的聲壓級差異。

圖2為室內(nèi)實測噪聲與背景噪聲的1/3倍頻程對比圖，由圖可知，無列車時，1樓的噪聲聲壓級在50 Hz處達到最大，而2樓和3樓的噪聲聲壓級最大的頻段中心頻率均在20 Hz以下，列車通過時，各樓層噪聲聲壓級最大的頻段中心頻率均在50 Hz～63 Hz之間。

建筑物實測噪聲在31.5 Hz～500 Hz的頻段內(nèi)增長明顯，且以40 Hz～63 Hz的增長最為顯著，對比背景噪聲的增量可達10 dB～20 dB，而在500 Hz以上的頻段內(nèi)，實測噪聲與背景噪聲的值基本一致，差值在2 dB以內(nèi)，這說明地鐵引起的周邊建筑物二次輻射噪聲主要為31.5 Hz～500 Hz的中低頻噪聲。

通過對比各樓層的二次噪聲1/3倍頻程圖可以看出，在噪聲的主頻段上(50 Hz～63 Hz)，2樓噪聲的聲壓級增量最大，受列車的影響最為顯著。

4 振動與噪聲相干分析

4.1 相干分析方法

相干函數(shù)可以說明兩個信號之間在頻域上的相干程度，可以根據(jù)相干函數(shù)結(jié)果判斷某一輸入信號對輸出信號的影響程度，并通過比對判斷此輸出信號的主要來源以及各輸入信號的貢獻大小。對于一個確定信號x(t)，其自相關(guān)函數(shù)可按式(2)定義，根據(jù)Wiener-Khintchine關(guān)系，其自功率譜密度函數(shù)即自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，見式(3)[5]：

(2)

(3)

相應的，兩個信號的互相關(guān)函數(shù)及互功率譜密度函數(shù)可按式(4)及式(5)進行定義[5]：

(4)

(5)

基于以上定義，輸入信號和輸出信號的相干函數(shù)定義為[5]：

(6)

相干函數(shù)的數(shù)值越大，表明輸入信號對輸出信號的影響越大[5]。因此，將樓板各方向的振動信號作為輸入信號，相對應的噪聲信號作為輸出信號，結(jié)合功率譜密度函數(shù)來得到樓板各方向振動和噪聲的頻域特征及相干程度，從而判斷建筑物二次噪聲中結(jié)構(gòu)各向振動的貢獻大小。

4.2 相干分析結(jié)果

樓板垂向振動與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)如圖3a)所示。由圖可知垂向振動和室內(nèi)噪聲在53 Hz處的相干函數(shù)值最大，達到0.716，并在75 Hz,163 Hz和230 Hz處出現(xiàn)局部峰值，說明樓板的垂向振動對室內(nèi)噪聲的獨立貢獻主要集中在以這四個頻點為中心的局部頻段上，且以45 Hz～55 Hz的頻段最為突出。

樓板橫向振動與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)如圖3b)所示。與垂向計算結(jié)果相比，橫向振動與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)在全頻率范圍內(nèi)都有所減小，函數(shù)值分布也更為集中，其最大相干函數(shù)值僅為0.271，在150 Hz～280 Hz外的頻帶上則基本接近于0。此外，其在53 Hz，163 Hz和230 Hz處的峰值與垂向結(jié)果相重合，但相干函數(shù)值有明顯減小，特別是在53 Hz處其峰值僅為0.118，相較同頻率下的垂向相干函數(shù)值減小約83.5%。

樓板縱向振動與室內(nèi)噪聲的相干函數(shù)如圖3c)所示。由圖可以得知，縱向振動與室內(nèi)噪聲的相干性極不明顯，在全頻率范圍內(nèi)其相干系數(shù)均小于0.1，最大峰值出現(xiàn)在110 Hz處，對應的相干系數(shù)僅為0.108。

綜上，地鐵運行時產(chǎn)生的建筑物二次噪聲與樓板的垂向振動

相干關(guān)系明顯，其影響作用在45 Hz～55 Hz范圍內(nèi)最為顯著，這一頻段也是建筑物垂向振動最突出的頻段，說明豎向振動信號在頻域上的局部峰值會引起室內(nèi)噪聲的局部峰值，樓板的垂向振動是產(chǎn)生室內(nèi)二次噪聲的主要原因。

5 結(jié)語

在該實際地鐵線路地下區(qū)間斷面進行現(xiàn)場實測與分析的基礎(chǔ)上，得出了以下結(jié)論：1)地鐵運行引起的建筑物樓板振動以垂向和橫向為主，對于本文實測的低層磚混結(jié)構(gòu)建筑，樓層越高，樓板振動受列車影響越不明顯，且以橫向振動的衰減速率最快。2)地鐵引起的建筑物結(jié)構(gòu)振動主要以頻率低于100 Hz的低頻振動為主，峰值頻段為50 Hz～63 Hz。3)地鐵引起的周邊建筑物二次輻射噪聲主要為31.5 Hz～500 Hz的中低頻噪聲，其峰值頻段為40 Hz～63 Hz。4)建筑物的二次噪聲與建筑物樓板的垂向振動相干性最為明顯，其重點影響頻率為45 Hz～55 Hz，與樓板垂向振動的主振頻率相重合，因此可以考慮采取以控制建筑物豎向振動為主的隔振措施來進行噪聲控制。

[1] 徐忠根，任 氓，楊澤群，等.廣州市地鐵一號線振動傳播對環(huán)境影響測定與分析[J].環(huán)境技術(shù)，2002(4):12-14.

[2] 謝偉平，孫洪剛.地鐵運行時引起的土的波動分析[J].巖土力學與工程學報，2003,22(7):1180-1184.

[3] 儲益萍.地鐵引起的結(jié)構(gòu)振動與噪聲及其相關(guān)性分析[J].噪聲與振動控制，2011(4):85-88.

[4] GB 10070—1988,城市區(qū)域環(huán)境振動標準[S].

[5] J.S.Bendat，A.G.Poersol.相關(guān)分析和譜分析的工程應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.

Study on the impact of metro operation upon surrounding architectural vibration noise

Ouyang Zhao

(InstituteofRailwayandUrbanMassTransit,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Based on actual underground subway measurement data, the paper preliminarily analyzes three dimensional vibrations and indoor noise of architectural slab within time domain and frequency domain, summarizes vibration propagation law, specifically analyzes spectral characteristics and relevant relationship of floor slab vibration and indoor noise, and finally identifies major vibration direction and its frequency distribution features of secondary radiation noise.

metro， vibration， secondary-radiation noise， spectrum analysis， 1/3 octave， coherence analysis

2014-12-04

歐陽昭(1991- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)06-0130-03

U270.16

A