地鐵振動(dòng)噪聲擾民投訴問(wèn)題原因分析及整治技術(shù)研究

段玉振，段海濱，劉鵬輝，劉玉濤，王 豪

（1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3.城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；5.鐵科院（深圳）設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518034；6.煙臺(tái)業(yè)達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

1 引言

地鐵大多位于市區(qū)，具有方便、快捷、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，它極大地緩解了城市交通擁擠的現(xiàn)狀。隨著地鐵運(yùn)營(yíng)線路和里程的逐步增多，線網(wǎng)逐漸加密，地鐵線路走向或埋深設(shè)計(jì)愈加難以繞避一些環(huán)境噪聲敏感點(diǎn)，此外，由于人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，沿線居民投訴地鐵噪聲擾民的數(shù)量與日俱增。特別是2022年6月《中華人民共和國(guó)污染防治法》實(shí)施后，地鐵列車運(yùn)營(yíng)誘發(fā)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題成為公眾廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，地鐵運(yùn)營(yíng)引發(fā)的噪聲問(wèn)題尤其是地下線產(chǎn)生的低頻二次結(jié)構(gòu)噪聲問(wèn)題已成為地鐵建設(shè)及運(yùn)營(yíng)面臨的主要疑難問(wèn)題之一。如何分析地鐵運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲投訴的原因并采取有效措施降低對(duì)附近居民的影響，成為地鐵發(fā)展中的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本文針對(duì)某小區(qū)噪聲擾民投訴問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)研、綜合測(cè)試等手段，分析振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的可能原因，針對(duì)性地提出地鐵既有線振動(dòng)噪聲整治的綜合技術(shù)方案，解決了既有線運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲投訴問(wèn)題，可為類似地鐵振動(dòng)噪聲擾民問(wèn)題提供借鑒與參考。

2 地鐵振動(dòng)噪聲擾民投訴原因分析及規(guī)律研究

2.1 擾民投訴敏感點(diǎn)調(diào)研

浙江某地鐵線路自2019年開(kāi)通以來(lái)，某2016年左右建成的小區(qū)居民投訴能明顯聽(tīng)見(jiàn)列車通過(guò)時(shí)的“隆隆聲”，普遍反映線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲影響了小區(qū)居民的休息和生活，尤其是晚上22 : 00 以后和早晨7 : 00 以前噪聲更加明顯。地鐵公司組織相關(guān)人員對(duì)該小區(qū)進(jìn)行入戶調(diào)研。該投訴敏感點(diǎn)為15 層高層建筑，地下一層為機(jī)動(dòng)車停車場(chǎng)和設(shè)備用房，周圍安靜時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)能清晰感受到列車通過(guò)時(shí)的二次結(jié)構(gòu)噪聲。據(jù)小區(qū)業(yè)主反映，噪聲有逐漸增大的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響小區(qū)居民的休息和生活。該地鐵為單洞單線圓形盾構(gòu)隧道，線路半徑為1 000 m，距離小區(qū)最近樓房水平距離約53 m，列車運(yùn)行速度約70 km/h。對(duì)應(yīng)地質(zhì)條件為碎塊石混黏性土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土，現(xiàn)場(chǎng)軌道為普通扣件長(zhǎng)枕式整體道床，軌面埋深約22 m，無(wú)縫線路。該線路自運(yùn)營(yíng)開(kāi)始就有居民投訴，說(shuō)明振動(dòng)噪聲不是扣件減振性能衰減產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)敏感點(diǎn)鄰近的軌行區(qū)軌道幾何狀態(tài)、軌道相關(guān)病害等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)鋼軌焊接接頭不平順、鋼軌存在剝離掉塊、扣件與混凝土板結(jié)，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

圖1 軌道相關(guān)問(wèn)題

2.2 振動(dòng)及噪聲測(cè)試

根據(jù)GB 10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)，分析列車通過(guò)時(shí)段的1～80 Hz 的1/3 倍頻程中心頻率上的最大計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)（VLzmax）；根據(jù)JGJ/T 170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)估分析4～200 Hz 的VLzmax。對(duì)投訴敏感小區(qū)一層住宅的室內(nèi)振動(dòng)、二次結(jié)構(gòu)噪聲及對(duì)應(yīng)隧道內(nèi)振動(dòng)源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)（圖2、圖3）。測(cè)得改造前隧道壁Z 振級(jí)VLzmax為72 dB，背景噪聲為21.1 dB（A），16～200 Hz 臥室二次結(jié)構(gòu)噪聲（LAeq）為28.2 dB（A），16～200 Hz 客廳LAeq為27.5 dB（A）；1～80 Hz 室外Z 振級(jí)VLzmax為63 dB，4～200 Hz 臥室分頻振級(jí)（VLmax）為53 dB，4～200 Hz 客廳VLmax為61.1 dB。

圖2 隧道內(nèi)振動(dòng)測(cè)試照片

圖3 室內(nèi)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，該敏感投訴點(diǎn)室內(nèi)振動(dòng)滿足GB 10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》“居民、文教區(qū)”標(biāo)準(zhǔn)（晝間70 dB、夜間67 dB）及JGJ/T 170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》中1 類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)（晝間65 dB（A）、夜間62 dB（A））；室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲滿足JGJ/T 170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》中1 類區(qū)（晝間38 dB（A）、夜間35 dB（A））標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。

2.3 國(guó)內(nèi)地鐵擾民投訴常見(jiàn)原因

通過(guò)調(diào)研上海、北京、南京等城市地鐵敏感點(diǎn)處振動(dòng)噪聲投訴原因，將常見(jiàn)原因歸為如下幾類。

（1）鋼軌波磨加劇輪軌振動(dòng)而導(dǎo)致振動(dòng)噪聲異常增大,尤其是一些小半徑曲線區(qū)段（通常R≤500 m）的波磨是影響減振降噪效果的主要原因之一。

（2）軌道減振級(jí)別設(shè)置偏低、鋪設(shè)長(zhǎng)度不夠等。主要是因?yàn)楹蠼ㄔO(shè)的住宅未按環(huán)評(píng)要求退讓距離退讓或者規(guī)劃性質(zhì)調(diào)整而軌道減振措施未相應(yīng)調(diào)整。

（3）扣件減振性能衰減。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，扣件墊板逐漸老化彈性變小導(dǎo)致扣件節(jié)點(diǎn)剛度增大，從而加大車輛和軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，使得沿線建筑物振動(dòng)增大或振動(dòng)頻率發(fā)生改變，進(jìn)一步引發(fā)室內(nèi)振動(dòng)或二次結(jié)構(gòu)噪聲問(wèn)題。

（4）軌道不平順。道岔區(qū)接頭軌縫狀態(tài)不良，存在錯(cuò)臺(tái)、大軌縫等情況，焊接接頭不平順等；減振軌道之間或減振軌道與非減振軌道之間過(guò)渡段引起的不平順等。

（5）地質(zhì)條件。敏感點(diǎn)位于軟弱土層時(shí)振動(dòng)衰減較大，位于堅(jiān)硬土、巖石類中時(shí)振動(dòng)衰減?。徽駝?dòng)在傳遞過(guò)程中存在局部放大。

（6）建筑結(jié)構(gòu)和房間尺寸、裝修等。體量小的房屋、輕質(zhì)隔墻、尺寸較大或不規(guī)則的房間更容易產(chǎn)生共振而誘發(fā)低頻的結(jié)構(gòu)噪聲。

（7）人的主觀因素和感知差異。一般情況下不能覺(jué)察到振動(dòng)，但是在非常安靜的房間內(nèi)可能聽(tīng)見(jiàn)室內(nèi)二次噪聲；不同年齡、性別、職業(yè)等的人對(duì)振動(dòng)噪聲的感知不同。

（8）其他原因，比如車輛的車輪多邊形、輪軌不圓等。

振動(dòng)噪聲大多是以上多個(gè)原因綜合影響的結(jié)果，在實(shí)際的投訴案例中，需在軌行區(qū)、投訴敏感點(diǎn)入戶調(diào)研和綜合測(cè)試評(píng)估的基礎(chǔ)上綜合考慮振動(dòng)源-傳播路徑-接受體等因素的基礎(chǔ)上綜合分析。

2.4 擾民投訴原因具體分析

參照國(guó)內(nèi)常見(jiàn)地鐵擾民投訴原因分析及敏感點(diǎn)自身情況，對(duì)本小區(qū)擾民投訴原因具體分析如下。

（1）軌行區(qū)相關(guān)問(wèn)題分析。通過(guò)對(duì)軌道焊接接頭不平順、鋼軌剝離掉塊、扣件與混凝土板結(jié)等問(wèn)題進(jìn)行逐條整治后，小區(qū)居民反饋噪聲稍微減小，但仍明顯聽(tīng)見(jiàn)室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲，依然存在擾民問(wèn)題。故軌行區(qū)相關(guān)問(wèn)題為居民反映噪聲有逐漸增大趨勢(shì)的主要原因。

（2）小區(qū)環(huán)境情況分析。本小區(qū)周邊環(huán)境安靜，背景噪聲（16～200 Hz）為21.2 dB（A），列車通過(guò)時(shí)引起的結(jié)構(gòu)噪聲（16～200 Hz）為27.5～28.2 dB（A），雖絕對(duì)綜合噪聲值較小，但列車通過(guò)時(shí)段比無(wú)車時(shí)段的噪聲增量較大，最大增加了7 dB（A）。因此，小區(qū)居民比較敏感及小區(qū)噪聲增量較大為本次擾民投訴的主要原因。

（3）投訴小區(qū)房屋為15 層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，非體量較小的低矮房屋，但從隧道-建筑物地下車庫(kù)底板-頂板-建筑物室內(nèi)的傳遞來(lái)看（圖4），基礎(chǔ)、室內(nèi)振動(dòng)增加最顯著的頻率為50～63 Hz；地下車庫(kù)頂板-底板在此頻率處放大約3.6 dB，從建筑物室外-室內(nèi)在此頻率范圍又有6.5～7.5 dB 的放大，客廳有15 dB 的放大。可以判斷這種帶地下車庫(kù)的多、高層建筑，由于振動(dòng)傳遞過(guò)程中的局部振動(dòng)放大尤其是50～63 Hz 輪軌振動(dòng)的車庫(kù)底板-柱頂板結(jié)構(gòu)空腔效應(yīng)或打鼓效應(yīng)、房屋共振可能是引起室內(nèi)振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲增大的重要原因。

圖4 隧道-車庫(kù)底板-車庫(kù)頂板-室內(nèi)振動(dòng)傳遞

3 減振降噪整治技術(shù)方案

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)綜合分析和規(guī)律研究

隧道內(nèi)振動(dòng)、建筑物室內(nèi)振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲50～63 Hz 為增加最顯著的頻率，振動(dòng)噪聲在63 Hz 處出現(xiàn)峰值的原因分析如下。

簧下質(zhì)量在軌道系統(tǒng)中的振動(dòng)所引起的力（P2）頻率一般在30～100 Hz，為中低頻，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能向上傳遞至車輛，向下傳遞到軌道，成為城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲的主要激勵(lì)源。P2共振不取決于列車速度，只與簧下質(zhì)量和軌道的綜合剛度有關(guān)。對(duì)于普通扣件整體道床，軌道綜合剛度取決于扣件剛度和間距，我國(guó)地鐵線路普通扣件垂向靜剛度為20～40 kN/mm，根據(jù)軌道力學(xué)計(jì)算理論，軌道剛度KG可由下式計(jì)算：

式（1）、式（2）中，KG為軌道剛度，kN/mm；f為共振頻率，Hz；K為扣件節(jié)點(diǎn)剛度，kN/mm；a為軌枕間距，mm；E為鋼軌彈性摸量，MPa；I為鋼軌慣性距，mm4；mw為簧下質(zhì)量，kg。

對(duì)于普通整體道床，K= 40 kN/mm，a= 0.5.95 m，EI= 6.26×106N·m2，mw= 644.5 kg，可以計(jì)算P2共振頻率f約為63 Hz。

根據(jù)圖4可知，降低室內(nèi)振動(dòng)及二次噪聲必須降低50～63 Hz 的輪軌振動(dòng)。限速能起到比較好的效果，但是本條線路繁忙，限速會(huì)影響線路整體的運(yùn)行能力，故本工程不采用限速方案。浮置板道床類減振（如減振墊浮置板、鋼彈簧浮置板等）也可以起到更好的效果，但在不停運(yùn)的狀態(tài)下改造非常困難且代價(jià)很高，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有在地鐵正線不停運(yùn)的情況下改造浮置板的成熟經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，根據(jù)隔振原理和減振措施的可操作性，建議更換成P2共振頻率f不大于40 Hz 的減振扣件。當(dāng)P2共振頻率f0取40 Hz 時(shí)，根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算可得扣件的靜剛度為11.3 kN/mm。即若要降低隧道內(nèi)振動(dòng)、室內(nèi)振動(dòng)及二次噪聲在50～63 Hz 頻率范圍內(nèi)的值，可更換靜剛度小于11.3 kN/mm 的減振扣件。

3.2 整治方案

根據(jù)本工程擾民投訴原因分析，該敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲投訴的解決方案除整治軌行區(qū)軌道狀態(tài)外，還需提高軌道的減振等級(jí)，減小相對(duì)于背景噪聲的噪聲增加量。減振降噪改造技術(shù)方案應(yīng)在盡可能滿足減振降噪需求的同時(shí)，降低既有線改造難度，并確保方案安全可靠?；诖?，本次整治技術(shù)方案如下。

（1）提高軌道平順性。包括鋼軌打磨、鋼軌焊接接頭狀態(tài)不良地段的整治等。

（2）提升振動(dòng)敏感點(diǎn)地段軌道減振效果。目前廣泛應(yīng)用在改造地段的扣件主要有嵌套式減振扣件（靜剛度為11～15 kN/mm）、ZK-1B 扣件（靜剛度為5～10 kN/mm）、雙層非線性壓縮型減振扣件（靜剛度11～18 kN/mm）、浮軌式扣件（靜剛度為5～10 kN/mm）。其中雙層非線性減振扣件比普通扣件高18 mm，需前后順坡、接觸網(wǎng)調(diào)整支架高度，在運(yùn)營(yíng)線路上利用天窗點(diǎn)進(jìn)行改造任務(wù)較重；浮軌式扣件軌道易出現(xiàn)鋼軌異常波磨現(xiàn)象，不利于后續(xù)養(yǎng)護(hù)維修，且可能進(jìn)一步造成振動(dòng)噪聲投訴；嵌套式減振扣件可直接替換普通扣件，無(wú)需調(diào)整線路標(biāo)高及幾何狀態(tài)、造價(jià)便宜且減振效果不小于5 dB。ZK-1B 型減振扣件，可直接替換普通扣件，減振效果不小于8 dB，造價(jià)較高。

本次投訴敏感點(diǎn)結(jié)構(gòu)噪聲比背景噪聲（16～200 Hz）增大7 dB（A）左右，居民感受明顯。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、減振效果、可實(shí)施性以及對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響等多方面因素，為確保降噪效果，對(duì)于近敏感點(diǎn)一側(cè)線路，建議采用高等減振扣件，即ZK-1B 型減振扣件（圖5）；對(duì)于遠(yuǎn)敏感點(diǎn)一側(cè)線路，推薦采用中等減振扣件，即嵌套式減振扣件（圖6）。

圖5 ZK-1B 型減振扣件

圖6 嵌套式減振扣件

3.3 整治情況及實(shí)測(cè)效果

該地鐵線路目前已完成減振整治改造。對(duì)改造前后進(jìn)行了隧道內(nèi)振動(dòng)、室內(nèi)振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，改造前后現(xiàn)場(chǎng)如圖7、圖8所示。

圖7 扣件改造前

圖8 扣件改造后

改造后振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)：隧道內(nèi)隧道壁Z 振級(jí)VLzmax為60.7 dB；1～80 Hz 室外Z 振級(jí)VLzmax為60.5 dB；4～200 Hz 臥室VLmax為48.8 dB；4～200 Hz 客廳VLmax為53.8 dB。

改造后噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)：16～200 Hz 臥室LAeq為26.1 dB（A）；16～200 Hz 客廳LAeq為25.1 dB（A）。改造前后臥室內(nèi)振動(dòng)及噪聲對(duì)比見(jiàn)圖9～圖10。

圖9 改造前后臥室內(nèi)振動(dòng)對(duì)比

圖10 改造前后臥室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)比

從測(cè)試數(shù)據(jù)可得到如下結(jié)論：改造后的隧道壁Z振級(jí)VLzmax減振效果不小于10 dB；減振扣件改造后相對(duì)于改造前的室內(nèi)垂向分頻振動(dòng)VLmax值減小4.2～7.3 dB，室外Z 振級(jí)VLzmax值減小3.5 dB，室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲減少2.1～2.4 dB（A）；改造后室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲降至比背景噪聲增加3.9～4.9 dB（A）。

改造完成后，對(duì)該小區(qū)進(jìn)行二次入戶調(diào)研，根據(jù)居民反饋改造后小區(qū)振動(dòng)噪聲問(wèn)題得到明顯改善，振動(dòng)噪聲基本在居民可接受范圍。從改造后效果可知，二次結(jié)構(gòu)噪聲相對(duì)于背景增量控制在5 dB（A）內(nèi)，基本在居民可接受范圍內(nèi)。HJ 453-2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》的室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲的評(píng)價(jià)范圍為10 m，修訂后HJ 453-2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響范圍擴(kuò)大到了50～60 m，此規(guī)范的修訂也使振動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)時(shí)采用相對(duì)背景值增量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具有可操作性。

4 結(jié)語(yǔ)及建議

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)試，找出振動(dòng)噪聲擾民原因，并采取了針對(duì)性的改造措施，即將普通減振扣件更換為減振扣件。改造后小區(qū)振動(dòng)噪聲問(wèn)題得到明顯改善，改造效果得到居民的高度認(rèn)可。對(duì)于今后減振降噪設(shè)計(jì)中，除按照環(huán)評(píng)報(bào)告中預(yù)測(cè)的振動(dòng)噪聲超標(biāo)量考慮減振降噪措施外，建議根據(jù)小區(qū)的類別及環(huán)境適當(dāng)考慮二次結(jié)構(gòu)噪聲相對(duì)于背景噪聲的增量。即雖然振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)不超標(biāo)，但二次結(jié)構(gòu)噪聲值相對(duì)于背景噪聲增加量不大于5 dB（A）。本案例采用“現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研-綜合測(cè)試及分析原因-綜合整治措施-調(diào)研及后評(píng)估”的成功改造模式，可為國(guó)內(nèi)軌道交通沿線振動(dòng)噪聲投訴類問(wèn)題的處理提供借鑒。