城市軌道交通地下段引起居民室內振動的頻譜特性分析

郝 影，宋欣爽，張 磊，張 朋

天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191

隨著城市化進程的深入，未來30年中國城鎮(zhèn)人口還有約2億的增長空間，且將主要遷入中心城市和主要城市群區(qū)域[1]。人口聚集導致交通壓力劇增，軌道交通由于其快捷、準時、安全等特點，將成為城市路網(wǎng)建設首選[2]。截至2019年底，我國共有65個城市的城市軌道交通建設規(guī)劃獲批(含地方政府批復)，其中規(guī)劃實施的城市有63個，規(guī)劃建設線路總里程達7 339.4 km；開通運營的城市共計40個，運營線路總里程達6 736.2 km[3]。城市軌道交通在給人們日常出行帶來便利的同時，也會引起環(huán)境振動及室內二次輻射噪聲污染[4-5]，特別是穿越老城區(qū)的線路多為地下段，對沿線居民的室內環(huán)境產(chǎn)生一系列影響[6-8]。本文以城市軌道交通沿線敏感建筑物為研究對象，綜合比較軌道交通地下段振動適用標準，重點分析城市軌道交通地下段產(chǎn)生的振動影響，為進一步完善相關標準提出改進意見。

1 實驗部分

本文選擇3條城市軌道交通線路的4個沿線敏感建筑物居民室內環(huán)境作為研究對象，開展振動測試，其中有2個測點位于同一線路，分別為線路2沿線的測點2和測點3。被測敏感建筑物對應的城市軌道交通線路均采用整體道床、無縫鋼軌、DTVI2型扣件，車輛為6輛編組的B型不銹鋼列車，線路車速均為系統(tǒng)自動控制，設定車速為70 km/h。測點1、測點2和測點4地下線路為上下行軌道水平并線(圖1)。測點3地下線路為上下行軌道垂直并線(圖2)。

圖1 線路水平并線運行示意圖Fig.1 Schematic diagram of linehorizontal parallel operation

圖2 線路垂直并線運行示意圖Fig.2 Schematic diagram of linevertical parallel operation

按照《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準》(JGJ/T 170—2009)[9]要求，測點位置選擇一樓室內，鉛錘向振動的拾振器牢固安裝在平坦、堅實的地面上，拾振器靈敏度主軸方向為鉛錘向。每個測點安裝3個拾振器，同步測量，測試中避免其他振動源干擾，點位具體信息，見表1。

表1 監(jiān)測點位信息Table 1 Monitoring point information

2 結果與討論

2.1 最大Z振級測量評價結果

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070—1988)[10]，測點1和測點3判定為“混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)”，晝、夜間執(zhí)行的標準限值分別為75 dB和72 dB。測點2和測點4判定為“居民、文教區(qū)”，晝、夜間執(zhí)行的標準限值分別為70 dB和67 dB。由圖3可知，測點1和測點4晝、夜間均達標，測點2晝、夜間均超標，測點3晝間達標，夜間超標。有學者指出[11]：“列車運行產(chǎn)生的振動，經(jīng)由道床、立柱及平臺這一途徑傳播至平臺上方居住小區(qū)，引起上部結構的振動，嚴重時導致居住者出現(xiàn)緊張甚至恐慌心理，降低居民的生活質量”。測點1和測點4雖然達標，但2個測點居民仍表示城市軌道交通運行產(chǎn)生的振動主觀煩惱度較高，長期居住導致失眠、心慌等身體狀況，損害了身心健康。因此推斷采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070—1988)中的限值評價城市軌道交通導致沿線居民室內振動，即使最大Z振級測量結果達標，居民的主觀煩惱度依然較高。

圖3 最大Z振級測量結果Fig.3 Measurement results ofmaximum Z vibration level

2.2 頻譜數(shù)據(jù)分析

根據(jù)《人體承受全身振動的評價指南》(ISO 2631)，振動舒適度受振動的振幅、速度、加速度以及二次輻射產(chǎn)生的噪聲影響較大，也就是說人體感覺振動同噪聲不同，除了直接人體組織感覺的振動外，還與人類的聽覺和前庭覺有關[12-14]，人體能夠感知的振動頻率范圍為1～1 000 Hz[15]，敏感頻率范圍為1～400 Hz，由于人的各種器官的共振頻率集中在80 Hz以下，因此最為敏感的頻率為80 Hz以下[16-18]。我國環(huán)境管理中，涉及城市軌道交通環(huán)境振動的標準包括《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070—1988)、《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準》(JGJ/T 170—2009)、《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》(GB/T 50355—2018)[19]、《城市軌道交通(地下段)列車運行引起的住宅建筑室內結構振動與結構噪聲限值及測量方法》(DB31/T 470—2009)[20]。其中GB 10070—1988、GB/T 50355—2018、DB31/T 470—2009均參考ISO 2631標準[21-23]，關注1～80 Hz振動頻譜，僅JGJ/T 170—2009關注4～200 Hz振動頻譜。1～80 Hz更多考慮軌道交通產(chǎn)生的振動是否對人體健康產(chǎn)生影響，而忽視居住舒適度，為了更好地了解軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境振動特征，本次測量關注1～1 000 Hz范圍內振動頻譜變化。

2.2.1 頻譜特性

圖4顯示各個測點的振動頻譜特點不同：測點1分頻振級在40～250 Hz范圍內顯著增加，峰值出現(xiàn)在63 Hz和80 Hz處；測點2分頻振級在31.5～630 Hz范圍內顯著增加，峰值出現(xiàn)在50 Hz處，達到50 Hz峰值后，出現(xiàn)緩慢的頻譜寬峰帶；測點3分頻振級在20～80 Hz范圍內顯著增加，峰值出現(xiàn)在40 Hz和50 Hz處；測點4分頻振級在25～250 Hz范圍內顯著增加，峰值出現(xiàn)在63 Hz和80 Hz處，測點4的特征頻譜譜型和測點1、測點2類似，出現(xiàn)主峰后蔓延出一個頻譜寬峰帶。由此可見，不同線路的測點譜型存在一定的相似性，即均會出現(xiàn)主峰，對應頻率一般為40、50、63、80 Hz，4個測點中只有測點3的譜型為規(guī)則圖形，即主峰出現(xiàn)后迅速衰減。

現(xiàn)場調查各測點建筑環(huán)境特點，測點1至測點4的地面房屋建筑均為磚混結構多層住宅樓，測點1、測點2、測點4地下線路為上下行軌道水平并線，而測點3地下線路為上下行軌道垂直并線。這可能是導致測點3與其他線路測點的特征頻譜差異較大的原因。特別是測點2和測點3地理直線距離約2 km，地質條件相似，地面結構也相似，僅線路并線方式不同，由此推斷同一條線路的振動特征譜線可能與軌道運行排列方式相關，與地下段運行車輛狀態(tài)本身關聯(lián)不大。如果地下軌道的排列結構類似，不同線路的測點產(chǎn)生的特征譜線有一定相似性，均表現(xiàn)為低頻段出現(xiàn)峰值后，高頻段出現(xiàn)較寬的頻譜增加帶，測點2譜線的這一特征最為明顯。

圖4 各測點頻譜特性Fig.4 Spectrum characteristicof each measuring point

2.2.2 晝、夜間頻譜變化

為對比各測點晝、夜間頻譜變化，采集各測點每次列車通過時的1/3倍頻程振動頻譜，晝、夜間各采集1 h，并計算晝、夜間特征頻譜，計算方法為將測量時間內采集車次的1/3倍頻程頻譜按對應頻率進行算術平均。根據(jù)圖1，各測點夜間振級總量和晝間相差絕對值范圍在1 dB以內，差距不明顯。圖5各測點的分頻特征頻譜曲線同樣顯示晝、夜間各頻譜差距不大，特別是夜間沒有明顯的衰減。測量中，晝間測量時段選擇晚高峰16:00—19:00之間的1 h，夜間選擇22:00—23:00，相同測量時間內(1 h)，晝間(高峰段)測量的車輛載重和車次密度明顯高于夜間(平峰段)，但晝間振動數(shù)據(jù)增量較小。這說明軌道交通振動頻譜特性不會隨著載重和車次多少而顯著改變，不會因為晝、夜間的時間分割導致侵擾特性變化。因此進行軌道交通振動評價時，雖然荷載和密車次的晝間數(shù)據(jù)更具代表性，但因夜間評價值低于晝間，僅用夜間測量結果即可很好地評價城市軌道交通振動影響。

圖5 各測點晝、夜間特征頻譜Fig.5 Day and night characteristic spectrum of each measuring point

2.2.3 近、遠軌頻譜特征

在實際測量中，經(jīng)常聽到居民反映某一方向的列車產(chǎn)生的振動影響強烈，另一方向相對較弱。在城市軌道沿線受振動影響的居民室內，測量人員也能明顯感覺城市軌道交通近軌和遠軌的振動區(qū)別，為進一步明確近、遠軌振動曲線差別，繪制了測點2近、遠軌各5列車次的頻譜曲線(圖6)。多次列車測量結果表明，無論近軌還是遠軌列車通過時，振動譜型相似，均出現(xiàn)主峰和后延寬峰帶。

圖6 每趟列車通過的頻率曲線Fig.6 The frequency curve of each train

由于軌道交通或平行并線建設于地下，或垂直交疊建設于地下，振源遠近導致居民室內近軌和遠軌的振動感覺不同，為此將測點2和測點3的近、遠軌監(jiān)測數(shù)據(jù)獨立分析，并求取特征頻譜。由圖7、圖8可知，同一測點的近、遠軌振動特征頻譜譜型變化趨勢一致，數(shù)值上近軌較大，遠軌較小，這與近軌振動對居民家中的侵擾更強烈的主觀感受相符。近、遠軌的頻譜峰值對應頻率可能一致，也可能不一致，如圖7中測點2的近、遠軌的頻譜峰值對應頻率一致，均為50 Hz，圖8中測點3近軌為40 Hz，遠軌為50 Hz，表明現(xiàn)場振動測試時，除了按照數(shù)據(jù)大小判斷近、遠軌外，也可以用峰值對應頻率來輔助判斷。

圖7 測點2的近、遠軌特征頻譜Fig.7 Characteristic spectrum of near-orbitand far-orbit at measuring point 2

按照現(xiàn)行標準GB 10070—1988、GB/T 50335—2018和JGJ/T 170—2009，軌道交通的評價要對測量值進行算術平均，被平均的測量值，淹沒了近軌對居民的影響。表2為測點3按照GB 10070—1988評價的近、遠軌監(jiān)測數(shù)據(jù)，晝間近軌數(shù)據(jù)超標，遠軌和近、遠軌綜合數(shù)據(jù)達標；夜間近軌數(shù)據(jù)和近、遠軌綜合數(shù)據(jù)超標，遠軌數(shù)據(jù)達標?；谏鲜龇治?，同一線路不同方向的列車，在能夠區(qū)分近、遠軌的情況下，應該分別測量，否則振級值高的近軌和振級值低的遠軌測量結果平均后，測量值降低，導致評價判定達標，但居民反映強烈。

圖8 測點3的近、遠軌特征頻譜Fig.8 Characteristic spectrum of near-orbitand far-orbit at measuring point 3

表2 測點3監(jiān)測結果Table 2 Monitoring results at measuring point 3

2.2.4 振動影響的頻率范圍

城市軌道交通引起的振動影響按照GB 10070—1988和GB/T 50355—2018標準，頻譜考量范圍為1～80 Hz，按照JGJ/T 170—2009，頻譜考量范圍為4～200 Hz，實際測量發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通振動對居民家中的影響是一個寬頻譜范圍，以測點2和測點3的近、遠軌數(shù)據(jù)為例，開展相關分析。

為了進一步明確軌道交通產(chǎn)生的振動量級變化，引入振級增量概念，這里振級增量定義為振動頻譜測量值與背景測量值的差值。圖9顯示測點2的近、遠軌頻率譜值對應頻率均為50 Hz。軌道運行導致的振級增量從25～800 Hz頻段增加明顯，近軌振級增量峰值為40 Hz，遠軌振級增量峰值為63 Hz。圖10顯示測點3的近軌頻譜峰值對應頻率為40 Hz，遠軌為50 Hz。振級增量在25～160 Hz頻段增加明顯，近軌振級增量峰值為40 Hz，遠軌振級增量峰值為63 Hz。同一線路的2個測點雖然表現(xiàn)的頻譜特性不同，但是從振級增量觀察，近軌振級增量峰值均為40 Hz，遠軌振級增量峰值均為63 Hz，近軌和遠軌分別表現(xiàn)出相同的增量特性。因此采用振級增量能夠更準確地描述振動頻譜變化特性。從標準限值來看，GB 10070—1988和GB/T 50355—2018的評價范圍為1～80 Hz，不能覆蓋城市軌道交通振級增量范圍，而JGJ/T 170—2009的評價范圍為4～200 Hz，相對于GB 10070—1988和GB/T 50355—2018評價范圍更寬泛，更適合用于軌道交通振動的評價。

圖9 測點2振級增量Fig.9 Vibration level incrementof measuring point 2

3 標準規(guī)范應用與比較

以測點3數(shù)據(jù)為例，按照GB 10070—1988、GB/T 50355—2018和JGJ/T 170—2009分別進行結果評價，見表3。采用GB 10070—1988和GB/T 50355—2018評價后，結果為晝間達標，夜間超標；采用 JGJ/T 170—2009評價，并運用振動加速度最大值和均值計算后，結果為晝、夜間均超標。因此相對于GB 10070—1988和GB/T 50355—2018，JGJ/T 170—2009標準評價振動更為嚴格。

綜上，采用現(xiàn)行測量和評價規(guī)范，評價城市軌道交通振動時，存在標準限值頻率覆蓋范圍不統(tǒng)一，測量指標和測量方法多樣化等問題，一定程度導致城市軌道交通振動污染防治陷入困境，因此亟需對《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ 453—2018)[24]中，確定GB 10070—1988為軌道交通振動評價的推薦標準這一原則做出修正。另外，采用GB/T 10071—1998和GB 10070—1988進行軌道交通振動測量和評價時，只能參考鐵路振動監(jiān)測方法，而鐵路均為地面段，其振動監(jiān)測一般在戶外，同時受荷載和頻次影響，監(jiān)測方式并不完全適合位于地下段的城市軌道交通。因此，我國應從環(huán)境保護角度出發(fā)，綜合振動對人體健康和煩惱度影響2個方面，以ISO 2631為基礎盡快修訂細化相關標準規(guī)范，明確綜合振級限值，增加振級增量概念，按照振動侵擾強度和范圍，開展振動環(huán)境影響效果評價，減少軌道交通建成通車后振動污染概率，更好地發(fā)揮規(guī)劃評估重要作用。

表3 測點3測量結果Table 3 Measurement results at measuring point 3 dB

4 結論

采用現(xiàn)行標準規(guī)范，對城市軌道交通地下段產(chǎn)生的振動測量數(shù)據(jù)進行評價分析，結果表明：采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070—1988)評價城市軌道交通導致沿線居民室內振動，即使最大Z振級達標，居民的主觀煩惱度依然較高；不同線路的測點，振動頻譜均會出現(xiàn)主峰，主峰對應頻率一般為40、50、63、80 Hz；同一條線路的振動特征譜線可能與軌道運行排列方式相關，與地下段運行車輛狀態(tài)本身關聯(lián)不大；不同路線的測點，如果地下軌道的排列結構類似，產(chǎn)生的特征譜線有一定相似性，均表現(xiàn)為低頻段出現(xiàn)峰值后，高頻段出現(xiàn)較寬的頻譜增加帶；實際測量中，進行軌道交通振動評價時，雖然荷載和密車次的晝間數(shù)據(jù)更具代表性，但因夜間評價值低于晝間，僅用夜間測量結果即可很好地評價城市軌道交通振動影響。另外對近、遠軌判斷上，除了按照數(shù)據(jù)大小判斷外，也可以用峰值對應頻率來判斷。從標準限值來看，《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070—1988)和 《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》(GB/T 50355—2018)的評價范圍為1～80 Hz，不能覆蓋城市軌道交通振級增量范圍，而《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準》(JGJ/T 170)的評價范圍為4～200 Hz，相對于《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB10070—1988)和《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》(GB/T 50355—2018)評價覆蓋范圍更寬泛，評價限值更低，更適合用于軌道交通振動的評價。