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，機(jī)動車保有量迅速增加，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，世界各國都紛紛開始發(fā)展軌道交通運(yùn)輸，截至目前，已有超過200個城市擁有軌道交通線路，軌道交通線路總長超過9 000 km。我國自20世紀(jì)60年代北京建成第一條地鐵線路以來，經(jīng)過近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，還促進(jìn)了沿線土地開發(fā)，加快了城市發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的國民經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

盡管軌道交通對城市發(fā)展有著巨大貢獻(xiàn)，給城市居民的生活帶來了方便，但軌道交通運(yùn)行所引發(fā)的振動問題，一直受到人們的關(guān)注。城市軌道交通不可避免地會經(jīng)過一些居民聚集區(qū)和重要建筑群，隨著交通密度和荷載的不斷增加，所引起的振動影響日益顯著。除此之外，振動還會影響精密設(shè)備和儀器的正常使用，甚至?xí)ㄖ镌斐蓳p害。

1　地鐵引起室內(nèi)振動原理

地鐵列車在運(yùn)行時由于輪軌間相互作用產(chǎn)生振動，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，對沿線地面建筑物產(chǎn)生影響。

地鐵列車振動影響建筑物主要可分為3個階段[1](見圖1):

1)振動產(chǎn)生階段，列車車輪對軌道的沖擊產(chǎn)生振動，主要包括運(yùn)行列車的重力對軌道產(chǎn)生沖擊，造成車輪和軌道結(jié)構(gòu)振動；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；軌道不平順或車輪磨損等隨機(jī)激勵產(chǎn)生的振動；偏心車輪產(chǎn)生的周期性激勵振動。

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

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

圖1　地鐵列車振動影響地面建筑物過程

2　現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)解讀

對于地鐵列車通過時引起的建筑物室內(nèi)振動，現(xiàn)行有效的主要標(biāo)準(zhǔn)有《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(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)振動與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》(DB 31/T 470—2009)[3]和《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法》(JGJ/T 170—2009)[4]。

不同標(biāo)準(zhǔn)中，對于軌道交通列車通過時引起的建筑物室內(nèi)振動的測試要求和評價量不同。其中《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》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)振動與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》中規(guī)定室內(nèi)振動測量應(yīng)使用全身振動垂向計權(quán)，頻率范圍為1～80 Hz，評價量為Z計權(quán)振級最大值VLZmax。測得軌道交通列車通過時引起的建筑物室內(nèi)振動垂向加速度振級頻譜，根據(jù)ISO 2631/1—1985[5]中規(guī)定的全身振動Z計權(quán)因子進(jìn)行修正。在1～80 Hz范圍內(nèi)各1/3倍頻程中心頻率計權(quán)因子見表1。

表1　ISO 2631/1—1985 Z計權(quán)因子

由各1/3倍頻程中心頻率上的計權(quán)加速度振級可計算得計權(quán)加速度，再根據(jù)式(1)和式(2)得到Z計權(quán)振級，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權(quán)振動加速度；a0為振動加速度基準(zhǔn)值，為10-6m/s2；VLi為各1/3倍頻程中心頻率上的計權(quán)加速度振級。

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

表2　JGJ/T 170—2009中Z計權(quán)因子

此外，對于地鐵列車通過時引起的室內(nèi)振動限值，不同標(biāo)準(zhǔn)對于不同功能區(qū)域中敏感點(diǎn)的要求有所不同(見表3)。

表3　不同標(biāo)準(zhǔn)中敏感點(diǎn)室內(nèi)振動標(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)境振動測量方法》要求較為寬松，《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法》中限值最為嚴(yán)格。

試驗(yàn)證明[7]：當(dāng)振動達(dá)到60 dB時，一般人剛剛可以感覺到振動，它并不太會影響人的睡眠；當(dāng)振動達(dá)到65 dB時，會對睡眠有輕微影響；達(dá)到69 dB時，輕睡眠的人會被驚醒；達(dá)到79 dB后，所有人將被驚醒。所以，對于居民較多的2類區(qū)中，夜間振動不應(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)振動與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》和《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法》中對于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時引起建筑物室內(nèi)振動的大小，對上海地鐵8號線沿線建筑西藏北路762號進(jìn)行室內(nèi)振動測試。測試儀器為AWA 6258環(huán)境振動儀，該儀器具有1/3倍頻程頻譜分析功能。分別測試近遠(yuǎn)軌列車通過時引起室內(nèi)振動的時域信號，選取室內(nèi)振動最大值時刻進(jìn)行分析，分析頻率范圍為1～200 Hz。近遠(yuǎn)軌列車通過時引起的室內(nèi)振動最大值1/3倍頻程頻譜及頻譜圖分別見表4和圖2。

表4　近遠(yuǎn)軌列車通過引起的室內(nèi)振動最大值頻譜

分別根據(jù)ISO 2631/1—1985中Z計權(quán)曲線和JGJ/T 170—2009中Z計權(quán)曲線對近遠(yuǎn)軌列車通過時引起的建筑物室內(nèi)振動最大值頻譜進(jìn)行計權(quán)分析，得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的評價量。最大Z振級VLZmax和分頻最大振級的計算結(jié)果分別見表5。

圖2　近遠(yuǎn)軌列車通過引起的建筑物室內(nèi)振動最大值頻譜圖

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

根據(jù)計算結(jié)果，近遠(yuǎn)軌列車通過時引起的室內(nèi)振動分頻最大振級VLmax均比最大Z振級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)振動能量主要集中在40～80 Hz，兩種Z計權(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VLmax為單個頻率上的最大振級，最大Z振級VLZmax為1～80 Hz整個頻帶上振動能量的總和，所以兩者之間的差值一般會小于40～80 Hz中心頻率上計權(quán)因子的差值，一般為2～4 dB。

4　標(biāo)準(zhǔn)限值對比分析

敏感點(diǎn)西藏北路762號中在3種標(biāo)準(zhǔn)中室內(nèi)振動限值均執(zhí)行晝間75 dB，夜間72 dB。根據(jù)3種標(biāo)準(zhǔn)，近遠(yuǎn)軌列車通過時引起的室內(nèi)振動達(dá)標(biāo)情況見表6。

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

該敏感點(diǎn)處居民普遍反應(yīng)列車經(jīng)過時引起的室內(nèi)振動較大，對居民的正常生活產(chǎn)生了一定的影響。若根據(jù)測試結(jié)果，參考《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》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)振動與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》，室內(nèi)振動均能達(dá)標(biāo)，與居民實(shí)際感受不符。這主要是由于這兩個標(biāo)準(zhǔn)中最大Z振級VLZmax參考的是ISO 2631/1—1985計權(quán)曲線，該曲線計權(quán)值主要是基于等感曲線及當(dāng)時采用的“疲勞-熟練度降低限”曲線來提出的。而《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法》中分頻最大振級參考的是ISO 2631/1—1997計權(quán)曲線，該計權(quán)曲線充分考慮了振動對人體健康、感覺、舒適度和運(yùn)動病等諸多方面的因素，更加注重人的感受。隨著ISO 2631/1—1997計權(quán)曲線的提出，已取代ISO 2631/1—1985計權(quán)曲線。

5　結(jié)　語

地鐵列車通過時引起的建筑物室內(nèi)振動能量主要集中在40～80 Hz，根據(jù)《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法》得到的分頻最大振級VLmax比《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》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)振動與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》中所規(guī)定的最大Z振級VLZmax一般會大2～4 dB。

由于《城市軌道交通引起建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法》中對振動的計權(quán)方式已取代另外兩個標(biāo)準(zhǔn)中計權(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)振動標(biāo)準(zhǔn)限值較為合理，在實(shí)際測試地鐵列車振動引起室內(nèi)振動時，使用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試更加合理。