軌道交通地下段的二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測

李曉東，王亞晨，王巧燕，寇英衛(wèi)，劉昊旻

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

地鐵二次結(jié)構(gòu)噪聲的誘導(dǎo)因素較為復(fù)雜，與影響地鐵列車振動傳播的諸多因素有關(guān)，而地鐵環(huán)境振動又是橫波、縱波和表面波綜合作用下的復(fù)雜波動現(xiàn)象，其振動機(jī)理和傳播形態(tài)受多種因素的影響。影響地鐵列車振動傳播的因素包括車輛條件、軌道線路狀況、地質(zhì)條件、隧道埋深和建筑物特性等。建筑物內(nèi)由地鐵引起的振動與建筑物二次結(jié)構(gòu)的特征頻率有對應(yīng)關(guān)系，地鐵運(yùn)行引起的建筑物二次結(jié)構(gòu)噪聲頻率范圍一般在16～200 Hz，峰值一般出現(xiàn)在50～80 Hz頻段[1-2]。由于二次結(jié)構(gòu)噪聲主要為低頻噪聲，很容易使人的身體產(chǎn)生不適感[3]。

二次結(jié)構(gòu)噪聲可借助振動-聲學(xué)數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)測評估[4]。紀(jì)綱等[5]提出了幾種用來計(jì)算二次結(jié)構(gòu)噪聲特征值的邊界元分析方法。KURZWEIL[6]采用邊界元法與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法研究了建筑物內(nèi)的二次結(jié)構(gòu)噪聲，發(fā)現(xiàn)二次結(jié)構(gòu)噪聲的聲壓級幅值與振動速度級幅值有關(guān)；同時(shí)，基于地鐵周邊建筑物內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲與振動的大量實(shí)測數(shù)據(jù)，提出了室內(nèi)倍頻帶聲壓級與室內(nèi)地鐵倍頻帶振動加速度級和倍頻帶中心頻率的經(jīng)驗(yàn)公式，用于對地鐵周邊建筑物內(nèi)的二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行預(yù)測。FIALA等[7]、ATALLA等[8]和康波[9]研究認(rèn)為，房間尺寸、室內(nèi)吸聲系數(shù)、列車運(yùn)行速度和軌道形式等都會對室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生很大影響。辜小安等[10]結(jié)合軌道交通的實(shí)際情況，提出了敏感建筑物內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲的預(yù)測公式。

由于上述二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測方法很難在環(huán)境影響評價(jià)中實(shí)施，因此2018年生態(tài)環(huán)境部在《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ 453—2018)中給出了室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲的預(yù)測公式，目前已在環(huán)評單位得到廣泛應(yīng)用。鑒于該導(dǎo)則給出的預(yù)測公式存在一些不確定參數(shù)，易導(dǎo)致環(huán)評單位在使用過程中遇到一定的困難，本文給出相應(yīng)的解決方法。

1 二次結(jié)構(gòu)噪聲執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國家標(biāo)準(zhǔn)

二次結(jié)構(gòu)噪聲執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)通常參照《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/170—2009)，該標(biāo)準(zhǔn)給出了0～4類不同噪聲功能區(qū)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，其中監(jiān)測方面的規(guī)定如下。

1) 測量頻率：16～200 Hz。

2) 測量量：等效連續(xù)A聲級。

3) 時(shí)間要求：晝間選擇高峰時(shí)段，夜間時(shí)段內(nèi)通過的列車應(yīng)不少于5列，測量時(shí)間不少于1 h。

1.2 地方標(biāo)準(zhǔn)

2009年，上海市發(fā)布了《城市軌道交通(地下段)列車運(yùn)行引起的住宅室內(nèi)振動與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》(DB31/T 470—2009)。該標(biāo)準(zhǔn)針對《上海市環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)適用區(qū)劃》中提到的1～4類聲功能區(qū)內(nèi)的住宅，分別給出了相應(yīng)的限值要求，規(guī)定在夜間要同時(shí)滿足夜間時(shí)段等效聲級和最大聲級的控制要求，監(jiān)測方面的規(guī)定如下。

1) 測量頻率：20～20 000 Hz。

2) 測量量：晝間/夜間等效聲級和夜間最大聲級。

3) 時(shí)間要求：測量列車運(yùn)行時(shí)段的等效聲級，測量時(shí)間不小于20 min，必要時(shí)應(yīng)測量1 h，測量最大值時(shí)應(yīng)不少于5列車通過。

1.3 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別

上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用時(shí)除了標(biāo)準(zhǔn)值有所不同以外，還有以下區(qū)別：

1) 規(guī)定的頻率范圍不同，JGJ/170—2009規(guī)定的頻率范圍為16～200 Hz，而DB31/T 470—2009規(guī)定的頻率范圍為20～20 000 Hz；

2) 等效值對應(yīng)的意義不用，JGJ/170—2009的等效值為列車通過時(shí)段內(nèi)的等效聲級，而DB31/T 470—2009的等效值為測量時(shí)段(通常為20 min或1 h)內(nèi)的等效聲級，即該值將列車的影響平均到整個(gè)測量時(shí)段，在相同情況下，前者的測量值明顯大于后者。

2 二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測

2.1 預(yù)測模式

對于混凝土樓板而言，根據(jù)HJ 453—2018，單列車通過時(shí)段建筑物內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲空間最大1/3倍頻程聲壓級LP,i(16～200 Hz)的計(jì)算式為

LP,i=Lvmid,i-22

(1)

式(1)中：LP,i為單列車通過時(shí)段建筑物內(nèi)空間最大1/3倍頻程聲壓級(16～200 Hz)，dB；Lvmid,i為單列車通過時(shí)段建筑物內(nèi)樓板中央垂向1/3倍頻程振動速度級(16～200 Hz)，dB，參考振動速度基準(zhǔn)值為1×10-9m/s；i為第i個(gè)1/3倍頻程，i=1～12。

式(1)適用于高度約2.8 m、混響時(shí)間約0.8 s的一般裝修的房間(面積為10～12 m2)。若偏離該條件，則LP,i的計(jì)算式為

LP,i=Lvmid,i+10lgσ-10lgH-20+10lgT60

(2)

式(2)中：Lvmid,i為單列車通過時(shí)段建筑物內(nèi)樓板中央垂向1/3倍頻程振動速度級(16～200 Hz)，dB，參考振動速度基準(zhǔn)值為1×10-9m/s；i為第i個(gè)1/3倍頻程，i=1～12；σ為聲輻射效率，在通常建筑物樓板振動主要頻率時(shí)，σ可近似取1；H為房間平均高度，m；T60為室內(nèi)混響時(shí)間，s。

2.2 預(yù)測常見的問題

結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)測公式，在預(yù)測過程中常見的問題有：

1) 二次結(jié)構(gòu)噪聲與振動速度有關(guān)，而導(dǎo)則只給出了振動加速度級的預(yù)測方法，振動速度級如何計(jì)算沒有明確。

2) 按導(dǎo)則所給預(yù)測公式預(yù)測的二次結(jié)構(gòu)噪聲是列車通過時(shí)段的噪聲，而非DB31/T 470—2009中所述平均到未過車時(shí)段的等效聲級。

3) 相比式(1)，式(2)是考慮房屋混響時(shí)間等因素之后得到的更準(zhǔn)確的表達(dá)式，而實(shí)際關(guān)注的敏感目標(biāo)多為居民建筑，受此類建筑中家具擺放等因素的影響，實(shí)際的混響時(shí)間不會很大，如按ISO 10052—2004標(biāo)準(zhǔn)，對于不同體積的房間，針對室內(nèi)是否有家具和地板及墻體的材質(zhì)等不同情況，可大致估算各類房間的混晌時(shí)間見表1。

2.3 解決辦法

針對預(yù)測過程中常見的問題，提出以下解決辦法。

2.3.1 公式的選擇

式(2)相比式(1)更準(zhǔn)確。對于不同類型房間的室內(nèi)混響時(shí)間，可參照表1中的數(shù)值。例如，國內(nèi)居民臥室的體積大部分情況下在[35，60) m3，混響時(shí)間約為0.56 s，利用式(2)，當(dāng)H=2.8 m時(shí)，有

LP,i=Lvmid,i-27.5

(3)

此外，當(dāng)居民臥室或敏感房間的體積在[15，35) m3時(shí)，混響時(shí)間約為0.50 s，利用式(2)，當(dāng)H=2.8 m時(shí)，有

LP,i=Lvmid,i-27.0

(4)

由此可見，上述計(jì)算結(jié)果與采用式(1)得到的結(jié)果相差0.5 dB，因此采用式(2)，輸入更準(zhǔn)確的房間高度和房間進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2 振動速度級的確定

根據(jù)軌道交通的振動特性，其位移、速度和加速度等3個(gè)物理量幅值之間可相互轉(zhuǎn)換，即

V=ωD;A=ω2D;V=A/ω

(5)

式(5)中：A、V和D分別為頻域的加速度、速度和位移幅值；ω為圓頻率，ω=2πf,f為頻率，Hz。

通過式(3)進(jìn)一步推導(dǎo)出振動加速度級與振動速度級的關(guān)系為

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：La,i為振動加速度級；Lv,i為振動速度級。

二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測技術(shù)路線圖見圖1。

圖2 敏感目標(biāo)室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲振動速度級典型頻譜

3 實(shí)測驗(yàn)證

以杭州地鐵五號線沿線某敏感目標(biāo)為例進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證。典型頻譜類比室內(nèi)振動典型頻譜。敏感目標(biāo)室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲振動速度級典型頻譜見圖2，為盡量精確，該數(shù)據(jù)選取為10趟列車的平均值。根據(jù)振動速度頻譜，利用式(5)計(jì)算對應(yīng)的振動加速度頻譜，結(jié)果見表2。

表2 振動速度級與振動加速度級的轉(zhuǎn)換

表2建立起了振動加速度級與振動速度級的關(guān)聯(lián)，如頻率為1～80 Hz、室內(nèi)Z振級為57.0 dB時(shí)，對應(yīng)的頻率為16～200 Hz時(shí)的振動速度級分別為54.8 dB、57.1 dB，…，54.5 dB。

計(jì)算預(yù)測振級與對應(yīng)參考振級的修正量，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，若室內(nèi)預(yù)測振級為58.0 dB(本例監(jiān)測結(jié)果)，根據(jù)能量占比不變的原理，將對應(yīng)的1.0 dB修正量修正至各振動速度級，根據(jù)振動速度級計(jì)算各頻率的結(jié)構(gòu)噪聲，進(jìn)一步計(jì)算A計(jì)權(quán)噪聲為27.0 dB(A)，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 二次結(jié)構(gòu)噪聲計(jì)算結(jié)果

由此可見，利用振動速度得到的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的誤差僅為0.5 dB(A)，遠(yuǎn)小于一般可接受的2.0～3.0 dB(A)的誤差范圍，說明利用振動速度，按式(2)計(jì)算，預(yù)測的二次結(jié)構(gòu)噪聲較為準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié) 語

綜合以上研究可知：

1) 二次結(jié)構(gòu)噪聲是由振動產(chǎn)生的，其大小與室內(nèi)振動速度級和混響時(shí)間等參數(shù)有關(guān)。對于大部分體積在[35，60) m3的臥室或起居室而言，混響時(shí)間約為0.56 s；對于部分房間體積在[15，35) m3的臥室或起居室而言，混響時(shí)間約為0.5 s，此時(shí)利用式(2)得到的計(jì)算結(jié)果相比式(1)更準(zhǔn)確。

2) 振動速度級無法直接預(yù)測，可通過類比的方式選擇同類型建筑進(jìn)行室內(nèi)振動速度類比監(jiān)測，記錄不同頻率對應(yīng)的振動速度值，利用振動速度與振動加速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算對應(yīng)的總Z振級，建立總Z振級及與之對應(yīng)的振動速度級特征譜。在此基礎(chǔ)上，將實(shí)際預(yù)測的總Z振級和上述特征譜對應(yīng)的總Z振級的修正量直接疊加至各特征譜對應(yīng)的振動速度級中，從而根據(jù)振動速度級，利用式(2)進(jìn)行預(yù)測。

3) 利用式(2)預(yù)測的準(zhǔn)確性較高，但前提是需要有類比測量的振動速度級特征譜?？紤]到頻譜特性至少與建筑類型有關(guān)，至少有針對Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類建筑的不同振動速度特征譜，在預(yù)測不同類型建筑的結(jié)構(gòu)噪聲時(shí)，選擇對應(yīng)的特征譜計(jì)算即可。