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(jìn)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(dǎo)致交通壓力劇增，軌道交通由于其快捷、準(zhǔn)時(shí)、安全等特點(diǎn)，將成為城市路網(wǎng)建設(shè)首選[2]。截至2019年底，我國共有65個(gè)城市的城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃獲批(含地方政府批復(fù))，其中規(guī)劃實(shí)施的城市有63個(gè)，規(guī)劃建設(shè)線路總里程達(dá)7 339.4 km；開通運(yùn)營的城市共計(jì)40個(gè)，運(yùn)營線路總里程達(dá)6 736.2 km[3]。城市軌道交通在給人們?nèi)粘３鲂袔肀憷耐瑫r(shí)，也會引起環(huán)境振動及室內(nèi)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)分析城市軌道交通地下段產(chǎn)生的振動影響，為進(jìn)一步完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出改進(jìn)意見。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本文選擇3條城市軌道交通線路的4個(gè)沿線敏感建筑物居民室內(nèi)環(huán)境作為研究對象，開展振動測試，其中有2個(gè)測點(diǎn)位于同一線路，分別為線路2沿線的測點(diǎn)2和測點(diǎn)3。被測敏感建筑物對應(yīng)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(shè)定車速為70 km/h。測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)4地下線路為上下行軌道水平并線(圖1)。測點(diǎn)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(yùn)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of linehorizontal parallel operation

圖2 線路垂直并線運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170—2009)[9]要求，測點(diǎn)位置選擇一樓室內(nèi)，鉛錘向振動的拾振器牢固安裝在平坦、堅(jiān)實(shí)的地面上，拾振器靈敏度主軸方向?yàn)殂U錘向。每個(gè)測點(diǎn)安裝3個(gè)拾振器，同步測量，測試中避免其他振動源干擾，點(diǎn)位具體信息，見表1。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 最大Z振級測量評價(jià)結(jié)果

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)[10]，測點(diǎn)1和測點(diǎn)3判定為“混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)”，晝、夜間執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為75 dB和72 dB。測點(diǎn)2和測點(diǎn)4判定為“居民、文教區(qū)”，晝、夜間執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為70 dB和67 dB。由圖3可知，測點(diǎn)1和測點(diǎn)4晝、夜間均達(dá)標(biāo)，測點(diǎn)2晝、夜間均超標(biāo)，測點(diǎn)3晝間達(dá)標(biāo)，夜間超標(biāo)。有學(xué)者指出[11]：“列車運(yùn)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(jié)構(gòu)的振動，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致居住者出現(xiàn)緊張甚至恐慌心理，降低居民的生活質(zhì)量”。測點(diǎn)1和測點(diǎn)4雖然達(dá)標(biāo)，但2個(gè)測點(diǎn)居民仍表示城市軌道交通運(yùn)行產(chǎn)生的振動主觀煩惱度較高，長期居住導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)中的限值評價(jià)城市軌道交通導(dǎo)致沿線居民室內(nèi)振動，即使最大Z振級測量結(jié)果達(dá)標(biāo)，居民的主觀煩惱度依然較高。

圖3 最大Z振級測量結(jié)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(jià)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(guān)[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(biāo)準(zhǔn)包括《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(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(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170—2009)、《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50355—2018)[19]、《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》(DB31/T 470—2009)[20]。其中GB 10070—1988、GB/T 50355—2018、DB31/T 470—2009均參考ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)[21-23]，關(guān)注1～80 Hz振動頻譜，僅JGJ/T 170—2009關(guān)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(guān)注1～1 000 Hz范圍內(nèi)振動頻譜變化。

2.2.1 頻譜特性

圖4顯示各個(gè)測點(diǎn)的振動頻譜特點(diǎn)不同：測點(diǎn)1分頻振級在40～250 Hz范圍內(nèi)顯著增加，峰值出現(xiàn)在63 Hz和80 Hz處；測點(diǎn)2分頻振級在31.5～630 Hz范圍內(nèi)顯著增加，峰值出現(xiàn)在50 Hz處，達(dá)到50 Hz峰值后，出現(xiàn)緩慢的頻譜寬峰帶；測點(diǎn)3分頻振級在20～80 Hz范圍內(nèi)顯著增加，峰值出現(xiàn)在40 Hz和50 Hz處；測點(diǎn)4分頻振級在25～250 Hz范圍內(nèi)顯著增加，峰值出現(xiàn)在63 Hz和80 Hz處，測點(diǎn)4的特征頻譜譜型和測點(diǎn)1、測點(diǎn)2類似，出現(xiàn)主峰后蔓延出一個(gè)頻譜寬峰帶。由此可見，不同線路的測點(diǎn)譜型存在一定的相似性，即均會出現(xiàn)主峰，對應(yīng)頻率一般為40、50、63、80 Hz，4個(gè)測點(diǎn)中只有測點(diǎn)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(diào)查各測點(diǎn)建筑環(huán)境特點(diǎn)，測點(diǎn)1至測點(diǎn)4的地面房屋建筑均為磚混結(jié)構(gòu)多層住宅樓，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)4地下線路為上下行軌道水平并線，而測點(diǎn)3地下線路為上下行軌道垂直并線。這可能是導(dǎo)致測點(diǎn)3與其他線路測點(diǎn)的特征頻譜差異較大的原因。特別是測點(diǎn)2和測點(diǎn)3地理直線距離約2 km，地質(zhì)條件相似，地面結(jié)構(gòu)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(yùn)行排列方式相關(guān)，與地下段運(yùn)行車輛狀態(tài)本身關(guān)聯(lián)不大。如果地下軌道的排列結(jié)構(gòu)類似，不同線路的測點(diǎn)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(diǎn)2譜線的這一特征最為明顯。

圖4 各測點(diǎn)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(diǎn)晝、夜間頻譜變化，采集各測點(diǎn)每次列車通過時(shí)的1/3倍頻程振動頻譜，晝、夜間各采集1 h，并計(jì)算晝、夜間特征頻譜，計(jì)算方法為將測量時(shí)間內(nèi)采集車次的1/3倍頻程頻譜按對應(yīng)頻率進(jìn)行算術(shù)平均。根據(jù)圖1，各測點(diǎn)夜間振級總量和晝間相差絕對值范圍在1 dB以內(nèi)，差距不明顯。圖5各測點(diǎn)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(shí)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(shí)間內(nèi)(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?yàn)闀儭⒁归g的時(shí)間分割導(dǎo)致侵?jǐn)_特性變化。因此進(jìn)行軌道交通振動評價(jià)時(shí)，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(jià)值低于晝間，僅用夜間測量結(jié)果即可很好地評價(jià)城市軌道交通振動影響。

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

2.2.3 近、遠(yuǎn)軌頻譜特征

在實(shí)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(qiáng)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(nèi)，測量人員也能明顯感覺城市軌道交通近軌和遠(yuǎn)軌的振動區(qū)別，為進(jìn)一步明確近、遠(yuǎn)軌振動曲線差別，繪制了測點(diǎn)2近、遠(yuǎn)軌各5列車次的頻譜曲線(圖6)。多次列車測量結(jié)果表明，無論近軌還是遠(yuǎn)軌列車通過時(shí)，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(shè)于地下，或垂直交疊建設(shè)于地下，振源遠(yuǎn)近導(dǎo)致居民室內(nèi)近軌和遠(yuǎn)軌的振動感覺不同，為此將測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的近、遠(yuǎn)軌監(jiān)測數(shù)據(jù)獨(dú)立分析，并求取特征頻譜。由圖7、圖8可知，同一測點(diǎn)的近、遠(yuǎn)軌振動特征頻譜譜型變化趨勢一致，數(shù)值上近軌較大，遠(yuǎn)軌較小，這與近軌振動對居民家中的侵?jǐn)_更強(qiáng)烈的主觀感受相符。近、遠(yuǎn)軌的頻譜峰值對應(yīng)頻率可能一致，也可能不一致，如圖7中測點(diǎn)2的近、遠(yuǎn)軌的頻譜峰值對應(yīng)頻率一致，均為50 Hz，圖8中測點(diǎn)3近軌為40 Hz，遠(yuǎn)軌為50 Hz，表明現(xiàn)場振動測試時(shí)，除了按照數(shù)據(jù)大小判斷近、遠(yuǎn)軌外，也可以用峰值對應(yīng)頻率來輔助判斷。

圖7 測點(diǎn)2的近、遠(yuǎn)軌特征頻譜Fig.7 Characteristic spectrum of near-orbitand far-orbit at measuring point 2

按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 10070—1988、GB/T 50335—2018和JGJ/T 170—2009，軌道交通的評價(jià)要對測量值進(jìn)行算術(shù)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(diǎn)3按照GB 10070—1988評價(jià)的近、遠(yuǎn)軌監(jiān)測數(shù)據(jù)，晝間近軌數(shù)據(jù)超標(biāo)，遠(yuǎn)軌和近、遠(yuǎn)軌綜合數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)；夜間近軌數(shù)據(jù)和近、遠(yuǎn)軌綜合數(shù)據(jù)超標(biāo)，遠(yuǎn)軌數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)?；谏鲜龇治觯痪€路不同方向的列車，在能夠區(qū)分近、遠(yuǎn)軌的情況下，應(yīng)該分別測量，否則振級值高的近軌和振級值低的遠(yuǎn)軌測量結(jié)果平均后，測量值降低，導(dǎo)致評價(jià)判定達(dá)標(biāo)，但居民反映強(qiáng)烈。

圖8 測點(diǎn)3的近、遠(yuǎn)軌特征頻譜Fig.8 Characteristic spectrum of near-orbitand far-orbit at measuring point 3

表2 測點(diǎn)3監(jiān)測結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，頻譜考量范圍為1～80 Hz，按照J(rèn)GJ/T 170—2009，頻譜考量范圍為4～200 Hz，實(shí)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(gè)寬頻譜范圍，以測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的近、遠(yuǎn)軌數(shù)據(jù)為例，開展相關(guān)分析。

為了進(jìn)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(diǎn)2的近、遠(yuǎn)軌頻率譜值對應(yīng)頻率均為50 Hz。軌道運(yùn)行導(dǎo)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(yuǎn)軌振級增量峰值為63 Hz。圖10顯示測點(diǎn)3的近軌頻譜峰值對應(yīng)頻率為40 Hz，遠(yuǎn)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(yuǎn)軌振級增量峰值為63 Hz。同一線路的2個(gè)測點(diǎn)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(yuǎn)軌振級增量峰值均為63 Hz，近軌和遠(yuǎn)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(zhǔn)確地描述振動頻譜變化特性。從標(biāo)準(zhǔn)限值來看，GB 10070—1988和GB/T 50355—2018的評價(jià)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(jià)范圍為4～200 Hz，相對于GB 10070—1988和GB/T 50355—2018評價(jià)范圍更寬泛，更適合用于軌道交通振動的評價(jià)。

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

3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)用與比較

以測點(diǎn)3數(shù)據(jù)為例，按照GB 10070—1988、GB/T 50355—2018和JGJ/T 170—2009分別進(jìn)行結(jié)果評價(jià)，見表3。采用GB 10070—1988和GB/T 50355—2018評價(jià)后，結(jié)果為晝間達(dá)標(biāo)，夜間超標(biāo)；采用 JGJ/T 170—2009評價(jià)，并運(yùn)用振動加速度最大值和均值計(jì)算后，結(jié)果為晝、夜間均超標(biāo)。因此相對于GB 10070—1988和GB/T 50355—2018，JGJ/T 170—2009標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)振動更為嚴(yán)格。

綜上，采用現(xiàn)行測量和評價(jià)規(guī)范，評價(jià)城市軌道交通振動時(shí)，存在標(biāo)準(zhǔn)限值頻率覆蓋范圍不統(tǒng)一，測量指標(biāo)和測量方法多樣化等問題，一定程度導(dǎo)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(jià)技術(shù)導(dǎo)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(jià)的推薦標(biāo)準(zhǔn)這一原則做出修正。另外，采用GB/T 10071—1998和GB 10070—1988進(jìn)行軌道交通振動測量和評價(jià)時(shí)，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(shí)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(yīng)從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，綜合振動對人體健康和煩惱度影響2個(gè)方面，以ISO 2631為基礎(chǔ)盡快修訂細(xì)化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，明確綜合振級限值，增加振級增量概念，按照振動侵?jǐn)_強(qiáng)度和范圍，開展振動環(huán)境影響效果評價(jià)，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(diǎn)3測量結(jié)果Table 3 Measurement results at measuring point 3 dB

4 結(jié)論

采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行評價(jià)分析，結(jié)果表明：采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)評價(jià)城市軌道交通導(dǎo)致沿線居民室內(nèi)振動，即使最大Z振級達(dá)標(biāo)，居民的主觀煩惱度依然較高；不同線路的測點(diǎn)，振動頻譜均會出現(xiàn)主峰，主峰對應(yīng)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(yùn)行排列方式相關(guān)，與地下段運(yùn)行車輛狀態(tài)本身關(guān)聯(lián)不大；不同路線的測點(diǎn)，如果地下軌道的排列結(jié)構(gòu)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(shí)際測量中，進(jìn)行軌道交通振動評價(jià)時(shí)，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(jià)值低于晝間，僅用夜間測量結(jié)果即可很好地評價(jià)城市軌道交通振動影響。另外對近、遠(yuǎn)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(yīng)頻率來判斷。從標(biāo)準(zhǔn)限值來看，《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)和 《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50355—2018)的評價(jià)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(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170)的評價(jià)范圍為4～200 Hz，相對于《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—1988)和《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50355—2018)評價(jià)覆蓋范圍更寬泛，評價(jià)限值更低，更適合用于軌道交通振動的評價(jià)。