太原地鐵2號線環(huán)境振動影響預測與評價

白婷婷，康靜文，沙艷云，李文娟

(太原理工大學 a.環(huán)境科學與工程學院，b.藝術學院，山西 晉中 030600)

目前我國軌道交通處于高速發(fā)展期?！?015-2020年中國城市軌道交通行業(yè)分析與發(fā)展前景預測報告》顯示，截止2015年底大陸有26個城市116條線路實現(xiàn)運營，總長度達3 618 km，其中地鐵達2 658 km，占73.4%.北京、上海、廣州、西安等城市中密集的軌道路網(wǎng)產生的環(huán)境振動，對敏感區(qū)歷史建筑物、文物造成一定破壞，受振動影響的建筑物產生的二次結構噪聲影響居民的日常休息及生活[1-2]。故施工前對項目將造成的環(huán)境振動影響進行預測和評估至關重要。軌道交通運行引起的振動主要由車輛與輪軌間相互作用產生，并通過地質和建筑物進行傳播，不同車型、輪軌、地質條件、建筑物結構等因素導致振動預測模型中各參數(shù)取值不一。

地鐵2號線是太原市最早動工建設的軌道線路。本文利用國家已頒布的相關振動預測評價規(guī)范及標準，選取2號線一期工程中地處太原市中心的“雙塔西街—大南門”區(qū)段進行環(huán)境振動預測及評價，為設計與建設部門在減振工程選材方面提供參考。

1 工程概況

太原市軌道交通2號線貫穿太原市南北方向，一期工程于2013年10月開工，并預計2018年底建成通車。南起小店火車南站，北止于尖草坪西澗河站。線路全長24.86 km，均為地下線，共設車站21座。

本文以“雙塔西街—大南門”路段為研究對象。該路段地處汾河東岸，主要涉及住宅區(qū)、文教區(qū)及醫(yī)院等，地表建筑物多為中高層，建筑物結構以磚和水泥混凝土結構為主，對振動較為敏感。據(jù)現(xiàn)場勘查，該區(qū)域段的環(huán)境振動敏感目標及其分布如表1所示，主要包括12個環(huán)境振動敏感目標，其中4處住宅區(qū)、3處文教區(qū)、2個醫(yī)院、1個歷史建筑物和2個文物保護單位。

表1 環(huán)境振動敏感目標Table 1 Sensitive objectives of ambient vibration

2 振動預測方法

在掌握各環(huán)境敏感目標功能及地理特性的基礎上，結合2號線工程特點及振源特性，針對評價區(qū)域段的振動預測包括：Z振級預測、二次結構噪聲預測、文物振動速度預測。其中Z振級預測與室內二次結構噪聲預測，采用《環(huán)境影響評價技術導則城市軌道交通》(HJ 453-2008)中經(jīng)校核的預測模型[3]，并以西安地鐵為類比對象，盡可能降低地質差異帶來的影響；針對歷史建筑與文物進行的文物振動速度預測選用《古建筑防工業(yè)振動技術規(guī)范》(GB/T 50452-2008)中的預測模型[4]。

2.1 Z振級預測

環(huán)境敏感目標Z1～Z9的Z振級預測公式如下：

LV,z=LV,z0+Cv+Cm+CL+CR+CH+CD+CB.

(1)

不同的車輛條件、線路及軌道技術條件、大地介質傳播條件、建筑物類型等均影響振動預測結果，故結合實際情況進行相應修正。

1) 列車振動源強LV,z0.

以西安地鐵作為類比對象，結合本線路車輛及軌道技術條件：A型車輛，軸重高于B型車，考慮軸重修正+1.2 dB，列車速度60 km/h，軌道為60 kg/m鋼軌，無縫線路，車輪元整、鋼軌頂面較平順，普通整體道床。參考《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中源強取值，選取地鐵單圓隧道軌旁0.5 m處隧道內振動值LV,z0=85.4 dB[5].

2) 速度修正Cv.

(2)

式中：v0為參考運行速度，本線路地下區(qū)段v0=60 km/h；v為運行速度，km/h.根據(jù)設計中列車性能參數(shù)：列車平均啟動加速度≥0.1 m/s2，平均加速度≥0.6 m/s2，常用制動平均減速度為1.0 m/s2，站臺有效長度為120 m，利用可行性研究中的牽引計算即可求得各敏感目標處的預測速度。

3) 軸重修正Cm.

(3)

式中：m0為參考列車軸重，m0=14 t；m為實際列車軸重，m=16 t.故軸重修正為1.2 dB.

4) 軌道結構修正CL.

目前國內軌道交通線路普遍采用60 kg/m鋼軌，故軌道結構對振動的影響主要體現(xiàn)在道床結構上。本項目采用普通鋼筋混凝土床道，故CL取值為0.

5) 輪軌條件修正值CR.

本線鋪設無縫線路，鋼軌表面平順且車輪圓整，CR=0 dB.

6) 距離衰減CD.

雙塔西街至大南門區(qū)間段所處汾河東岸漫灘，地層主要為第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層。其中第四系上更新統(tǒng)主要有粉質粘土、細砂、粉土、圓礫、中粗礫砂、卵石等，地層厚度大于30 m.第四系全新統(tǒng)分布在地表，主要有黃土、人工填土、粉狀土及細砂，該組地層中一級階地總厚度15～30 m，漫灘總厚度15～25 m[6].同時參考西安地鐵項目環(huán)評成果，項目條件均為A型車，6輛編組，車輛自重38 t/輛，地下段深埋10～25 m.根據(jù)以上地質概況及車輛條件確定CD公式。

隧道垂直上方預測點(L≤5 m)：

(4)

式中：H0為隧道頂至鋼軌頂面的距離，H0=6 m；H為地面測點至軌頂面的垂直距離。

隧道兩側預測點(L≥5 m)：

(5)

式中：R為地面測點至隧道內中心的直線距離；L為測點距隧道中心線水平距離；H為地面測點至軌頂面的垂直距離。

7) 建筑物修正CB.

雙塔西街至大南門區(qū)段的敏感點建筑物大多為結構較好的高層建筑或多層磚混建筑，相對原地面振動有較大的減振。在國內地鐵項目的監(jiān)測表明高層建筑能夠減振6～8 dB以上，多層建筑減振3～5 dB以上，具有簡易基礎的平房減振0～3 dB.

8) 隧道結構修正CH.

本線路雙塔西街至大南門站均為單圓隧道形式，故CH=0.

2.2 二次結構噪聲預測

敏感目標Z1-Z4室內二次結構噪聲預測在振級預測的基礎上采用如下公式：

Lp,i(f)=LV,i(f)-20lg(fi)+37 .

(6)

(7)

式中：LV,i(f)為與頻率相對應的建筑物內的振動加速度級，dB；Lp為建筑物內的A計權聲壓級，dB(A)；Lp,i(f)為未計權的建筑物內的聲壓級，dB；Cf,i為第i個頻帶的A計權修正值，dB；f為1/3倍頻帶中心頻率(16～200 Hz)，Hz；n為1/3倍頻帶數(shù)。

2.3 文物及歷史建筑物振動預測

敏感目標Z9-Z11文物振動速度公式如下：

(8)

式中：vr為距振源中心處地面振動速度，mm/s；v0為r0處地面振動速度，取值0.418 mm/s；r0為振源半徑，m；r為距振源中心的距離，m；ξ0為與振源半徑等有關的幾何衰減系數(shù)；α0為土的能量吸收系數(shù)；f0為地面振動頻率，Hz.r0，ξ0，α0取值參考《古建筑防工業(yè)振動技術規(guī)范》。r0與地鐵隧道寬度b、牽引機車車身長l、隧道底深度h有關，b取值5 m，l取值22.8 m；ξ0與振源類型、土的性質、振源半徑r0有關；α0根據(jù)振源類型及土類性質，地鐵類型振源，評價區(qū)域雙塔西街至大南門區(qū)段土類屬于硬塑土質黏土，故α0取值為0.000 2 s/m.

(9)

式中：vmax為結構最大速度相應，mm/s；vr為基礎處水平向地面振動速度，mm/s；n為振型疊加數(shù)，取值為3；γj第j階振型參與系數(shù)；βj第j階振型動力放大系數(shù)。γj與βj取值均從《古建筑防工業(yè)振動技術規(guī)范》可查得。

3 預測結果及評價分析

敏感目標Z1-Z9的Z振級預測結果詳見表2，Z1-Z4室內二次結構噪聲預測結果詳見表3，Z9-Z11文物振動速度預測結果詳見表4.評價標準分別采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070-1988)[7]、《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限制及其測量方法標準》(JGJ/T 170-2009)[8]、《古建筑防工業(yè)振動技術規(guī)范》(GB/T 50452-2008)[4].

3.1 Z振級預測分析

工程建成后，地鐵列車運行對雙塔西街至大南門站區(qū)間的環(huán)境敏感目標會產生一定的影響，列車振動在9個敏感目標建筑室外0.5 m處過車期間振級如下：LV,z10近軌介于66.3～77.4 dB、遠軌介于63.7～72.5 dB；LV,zmax近軌介于69.3～80.4 dB、遠軌介于66.7～75.5 dB；針對近軌LV,z10預測值，3處晝間超標1.4～2.4 dB，5處夜間超標0.2～5.4 dB；針對近軌LV,zmax預測值，7處晝間超標0.2～5.4 dB，7處夜間超標1.9～8.4 dB.

表2 Z振級預測結果Table 2 Prediction results of Z-weighted vibration dB

3.2 二次結構噪聲預測分析

Z1-Z4處的二次結構噪聲預測值介于38.3～45.5 dB，1處預測值晝間結構噪聲超過參考標準0.5 dB，3處預測值夜間結構噪聲超過參考標準0.5～3.5，可能受到二次結構噪聲影響。

表3 室內二次結構噪聲預測表Table 3 Prediction results of secondary air-brone noise in door

3.3 文物及歷史建筑物振動預測

經(jīng)預測，環(huán)境敏感目標Z11與Z12兩處文物受地鐵運營振動影響，振動速度預測值分別為0.455，0.614 mm/s，超標0.005，0.344 mm/s.其中Z12太原清真古寺受振動影響最為顯著，預測值達標準值的2倍。

表4 文物振動速度預測結果Table 4 Prediction results of vibration velocity of the cultural relics

4 環(huán)境振動控制對策

根據(jù)《城市軌道交通軌道減振措施效果研究分析報告》，結合對北京、上海、廣州、西安等城市軌道交通實測結果，分析對比減振措施的減振效果及經(jīng)濟性，分析結果如表5所示。

表5 減振措施綜合比較Table 5 Comprehensive comparison of vibration reducing measures

依據(jù)敏感點的振動預測結果及表5中減振措施綜合比較，選取減振措施在保證減振效果、適當留有余量、可行且經(jīng)濟合理性的同時，盡量選取少種類的減振措施。在“雙塔西街—大南門”路段內振動敏感點可采取的控制措施見表6.

表6 敏感目標振動防治措施Table 6 Vibration control measures of sensitive objectives

5 結束語

目前針對太原軌道交通環(huán)境振動預測方面的研究仍為空白，故選擇國家現(xiàn)行標準中規(guī)定或推薦的適用性較廣、兼用性較強的預測模型。但在振源類比、參數(shù)選取方面存在較多不確定性因素，如不同的地質情況、車型、軌道材料、敏感點建筑物類型等。針對特定城市，需通過軌道交通擬建前振動預測、運營中現(xiàn)場實測、預測值與實測值的分析對比、校正預測模型等研究工作來建立特定城市的振動預測模型，更有助于提高軌道交通環(huán)境振動影響評價的準確性。本研究中的環(huán)境振動影響預測為將來建立適合太原市的軌道交通環(huán)境振動影響預測模型做前期預測工作。

振動預測結果顯示，在未采取減振措施的情況下，地鐵運營期間對沿線環(huán)境敏感點造成的環(huán)境振動影響較為顯著。環(huán)境振動現(xiàn)狀監(jiān)測值較低，均低于標準限值，但地鐵運營引起的環(huán)境振動貢獻值使沿線敏感點環(huán)境振動值明顯增加，并超過標準限值。故在除了選取減振材料外，還需合理規(guī)劃走向、選擇車輛、避免剛性搭接、加強振動監(jiān)測。

對已運行地鐵的振動建立長期監(jiān)控機制，監(jiān)測不同車輛、不同軌道材料、不同時間段地鐵運行對不同敏感點的振動影響，并建立城市軌道交通環(huán)境振動監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，以便于同一城市其他線路建設前的振動預測與評價。各城市建立并完善軌道交通振動監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，有利于振動預測與評價的準確性，推動軌道交通與環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展。