不同標(biāo)準(zhǔn)下地鐵列車通過(guò)引起的室內(nèi)振動(dòng)比較

周興敏，　王巧燕

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0　引　言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口不斷增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，造成了嚴(yán)重的空氣污染、能源消耗及交通擁堵等問(wèn)題。城市軌道交通運(yùn)輸方式具有運(yùn)輸能力大、占地少、能耗小及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決城市交通問(wèn)題的首選方案。世界第一條地下鐵道于1863年1月10日在倫敦建成，己有150多年的歷史。隨后，世界各國(guó)都紛紛開(kāi)始發(fā)展軌道交通運(yùn)輸，截至目前，已有超過(guò)200個(gè)城市擁有軌道交通線路，軌道交通線路總長(zhǎng)超過(guò)9 000 km。我國(guó)自20世紀(jì)60年代北京建成第一條地鐵線路以來(lái)，經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，現(xiàn)已進(jìn)入軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展時(shí)期。軌道交通項(xiàng)目承擔(dān)了大量的客流運(yùn)輸職責(zé)，在城市交通中發(fā)揮著重要作用，在公共交通運(yùn)量中的比重也逐年上升。同時(shí)，還促進(jìn)了沿線土地開(kāi)發(fā)，加快了城市發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

盡管軌道交通對(duì)城市發(fā)展有著巨大貢獻(xiàn)，給城市居民的生活帶來(lái)了方便，但軌道交通運(yùn)行所引發(fā)的振動(dòng)問(wèn)題，一直受到人們的關(guān)注。城市軌道交通不可避免地會(huì)經(jīng)過(guò)一些居民聚集區(qū)和重要建筑群，隨著交通密度和荷載的不斷增加，所引起的振動(dòng)影響日益顯著。除此之外，振動(dòng)還會(huì)影響精密設(shè)備和儀器的正常使用，甚至?xí)?duì)建筑物造成損害。

1　地鐵引起室內(nèi)振動(dòng)原理

地鐵列車在運(yùn)行時(shí)由于輪軌間相互作用產(chǎn)生振動(dòng)，再由軌道基礎(chǔ)和隧道等介質(zhì)傳播至地面和沿線建筑物，由此進(jìn)一步引起建筑物內(nèi)的門窗和設(shè)備等的振動(dòng)，對(duì)沿線地面建筑物產(chǎn)生影響。

地鐵列車振動(dòng)影響建筑物主要可分為3個(gè)階段[1](見(jiàn)圖1):

1)振動(dòng)產(chǎn)生階段，列車車輪對(duì)軌道的沖擊產(chǎn)生振動(dòng)，主要包括運(yùn)行列車的重力對(duì)軌道產(chǎn)生沖擊，造成車輪和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)；車輪與鋼軌之間發(fā)生作用產(chǎn)生的作用力，形成車輛與軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)；軌道不平順或車輪磨損等隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)；偏心車輪產(chǎn)生的周期性激勵(lì)振動(dòng)。

2)振動(dòng)傳播階段，振動(dòng)通過(guò)軌道基礎(chǔ)和隧道向周圍土壤和地面建筑傳播。

3)振動(dòng)作用階段，振動(dòng)作用在沿線地面建筑物上，誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)及室內(nèi)家具等的二次振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲，對(duì)建筑物內(nèi)的人群和精密儀器產(chǎn)生影響。

圖1　地鐵列車振動(dòng)影響地面建筑物過(guò)程

2　現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)解讀

對(duì)于地鐵列車通過(guò)時(shí)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)，現(xiàn)行有效的主要標(biāo)準(zhǔn)有《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(GB 10071—1988)[2]、《上海市城市軌道交通(地下段)列車運(yùn)行引起的住宅建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測(cè)量方法》(DB 31/T 470—2009)[3]和《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》(JGJ/T 170—2009)[4]。

不同標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于軌道交通列車通過(guò)時(shí)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)的測(cè)試要求和評(píng)價(jià)量不同。其中《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》和《上海市城市軌道交通(地下段)列車運(yùn)行引起的住宅建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測(cè)量方法》中規(guī)定室內(nèi)振動(dòng)測(cè)量應(yīng)使用全身振動(dòng)垂向計(jì)權(quán)，頻率范圍為1～80 Hz，評(píng)價(jià)量為Z計(jì)權(quán)振級(jí)最大值VLZmax。測(cè)得軌道交通列車通過(guò)時(shí)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)垂向加速度振級(jí)頻譜，根據(jù)ISO 2631/1—1985[5]中規(guī)定的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子進(jìn)行修正。在1～80 Hz范圍內(nèi)各1/3倍頻程中心頻率計(jì)權(quán)因子見(jiàn)表1。

表1　ISO 2631/1—1985 Z計(jì)權(quán)因子

由各1/3倍頻程中心頻率上的計(jì)權(quán)加速度振級(jí)可計(jì)算得計(jì)權(quán)加速度，再根據(jù)式(1)和式(2)得到Z計(jì)權(quán)振級(jí)，式(1)和式(2)為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：ai為各1/3倍頻程中心頻率上的計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度；a0為振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值，為10-6m/s2；VLi為各1/3倍頻程中心頻率上的計(jì)權(quán)加速度振級(jí)。

《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》中規(guī)定室內(nèi)振動(dòng)應(yīng)測(cè)量鉛垂向振動(dòng)加速度，頻率范圍為4～200 Hz，評(píng)價(jià)量為各1/3倍頻程中心頻率上經(jīng)Z計(jì)權(quán)因子[6]修正后的最大振動(dòng)加速度級(jí)，稱為分頻最大振級(jí)VLmax?！冻鞘熊壍澜煌ㄒ鸾ㄖ锸覂?nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》中規(guī)定的4～200 Hz范圍內(nèi)各1/3倍頻程中心頻率計(jì)權(quán)因子見(jiàn)表2。

表2　JGJ/T 170—2009中Z計(jì)權(quán)因子

此外，對(duì)于地鐵列車通過(guò)時(shí)引起的室內(nèi)振動(dòng)限值，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同功能區(qū)域中敏感點(diǎn)的要求有所不同(見(jiàn)表3)。

表3　不同標(biāo)準(zhǔn)中敏感點(diǎn)室內(nèi)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)限值要求　dB

由表3可知，在1類區(qū)和2類區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)上，《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》要求較為寬松，《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》中限值最為嚴(yán)格。

試驗(yàn)證明[7]：當(dāng)振動(dòng)達(dá)到60 dB時(shí)，一般人剛剛可以感覺(jué)到振動(dòng)，它并不太會(huì)影響人的睡眠；當(dāng)振動(dòng)達(dá)到65 dB時(shí)，會(huì)對(duì)睡眠有輕微影響；達(dá)到69 dB時(shí)，輕睡眠的人會(huì)被驚醒；達(dá)到79 dB后，所有人將被驚醒。所以，對(duì)于居民較多的2類區(qū)中，夜間振動(dòng)不應(yīng)高于69 dB，采用《上海市城市軌道交通(地下段)列車運(yùn)行引起的住宅建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測(cè)量方法》和《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》中對(duì)于2類區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)限值更符合實(shí)際需要。

3　實(shí)際案例

為比較不同標(biāo)準(zhǔn)下軌道交通列車通過(guò)時(shí)引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)的大小，對(duì)上海地鐵8號(hào)線沿線建筑西藏北路762號(hào)進(jìn)行室內(nèi)振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試儀器為AWA 6258環(huán)境振動(dòng)儀，該儀器具有1/3倍頻程頻譜分析功能。分別測(cè)試近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)時(shí)引起室內(nèi)振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)，選取室內(nèi)振動(dòng)最大值時(shí)刻進(jìn)行分析，分析頻率范圍為1～200 Hz。近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)時(shí)引起的室內(nèi)振動(dòng)最大值1/3倍頻程頻譜及頻譜圖分別見(jiàn)表4和圖2。

表4　近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)引起的室內(nèi)振動(dòng)最大值頻譜

分別根據(jù)ISO 2631/1—1985中Z計(jì)權(quán)曲線和JGJ/T 170—2009中Z計(jì)權(quán)曲線對(duì)近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)時(shí)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)最大值頻譜進(jìn)行計(jì)權(quán)分析，得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)價(jià)量。最大Z振級(jí)VLZmax和分頻最大振級(jí)的計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表5。

圖2　近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)最大值頻譜圖

振源最大Z振級(jí)VLZmax/dB分頻最大振級(jí)/dB近軌列車69.472.7遠(yuǎn)軌列車60.662.9

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)時(shí)引起的室內(nèi)振動(dòng)分頻最大振級(jí)VLmax均比最大Z振級(jí)VLZmax大，兩者差值分別為3.3 dB和2.3 dB。由于列車運(yùn)行引起的室內(nèi)振動(dòng)能量主要集中在40～80 Hz，兩種Z計(jì)權(quán)因子在40～80 Hz中心頻率上的差值為3 dB或4 dB。由于分頻最大振級(jí)VLmax為單個(gè)頻率上的最大振級(jí)，最大Z振級(jí)VLZmax為1～80 Hz整個(gè)頻帶上振動(dòng)能量的總和，所以兩者之間的差值一般會(huì)小于40～80 Hz中心頻率上計(jì)權(quán)因子的差值，一般為2～4 dB。

4　標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比分析

敏感點(diǎn)西藏北路762號(hào)中在3種標(biāo)準(zhǔn)中室內(nèi)振動(dòng)限值均執(zhí)行晝間75 dB，夜間72 dB。根據(jù)3種標(biāo)準(zhǔn)，近遠(yuǎn)軌列車通過(guò)時(shí)引起的室內(nèi)振動(dòng)達(dá)標(biāo)情況見(jiàn)表6。

表6　不同標(biāo)準(zhǔn)下近遠(yuǎn)軌列車引起室內(nèi)振動(dòng)達(dá)標(biāo)情況

該敏感點(diǎn)處居民普遍反應(yīng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)引起的室內(nèi)振動(dòng)較大，對(duì)居民的正常生活產(chǎn)生了一定的影響。若根據(jù)測(cè)試結(jié)果，參考《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》和《上海市城市軌道交通(地下段)列車運(yùn)行引起的住宅建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測(cè)量方法》，室內(nèi)振動(dòng)均能達(dá)標(biāo)，與居民實(shí)際感受不符。這主要是由于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中最大Z振級(jí)VLZmax參考的是ISO 2631/1—1985計(jì)權(quán)曲線，該曲線計(jì)權(quán)值主要是基于等感曲線及當(dāng)時(shí)采用的“疲勞-熟練度降低限”曲線來(lái)提出的。而《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》中分頻最大振級(jí)參考的是ISO 2631/1—1997計(jì)權(quán)曲線，該計(jì)權(quán)曲線充分考慮了振動(dòng)對(duì)人體健康、感覺(jué)、舒適度和運(yùn)動(dòng)病等諸多方面的因素，更加注重人的感受。隨著ISO 2631/1—1997計(jì)權(quán)曲線的提出，已取代ISO 2631/1—1985計(jì)權(quán)曲線。

5　結(jié)　語(yǔ)

地鐵列車通過(guò)時(shí)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)能量主要集中在40～80 Hz，根據(jù)《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》得到的分頻最大振級(jí)VLmax比《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》和《上海市城市軌道交通(地下段)列車運(yùn)行引起的住宅建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測(cè)量方法》中所規(guī)定的最大Z振級(jí)VLZmax一般會(huì)大2～4 dB。

由于《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法》中對(duì)振動(dòng)的計(jì)權(quán)方式已取代另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)權(quán)曲線，又更加注重人的主觀感受，且其規(guī)定的各功能區(qū)室內(nèi)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)限值較為合理，在實(shí)際測(cè)試地鐵列車振動(dòng)引起室內(nèi)振動(dòng)時(shí)，使用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試更加合理。