郝 影 李憲同 張 朋

(1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,天津 300191;2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

近年來(lái),城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速,在給人們帶來(lái)出行便利的同時(shí),軌道交通運(yùn)行也對(duì)沿線建筑物特別是敏感建筑物室內(nèi)產(chǎn)生了振動(dòng)與二次輻射噪聲(以下簡(jiǎn)稱“噪聲”)污染[1-5]。研究表明,城市軌道交通地下線(以下簡(jiǎn)稱“地鐵”)引起的沿線建筑物室內(nèi)振動(dòng),極易引起人體各器官共振而損害身體健康[6-11]。由振動(dòng)引起的噪聲因其低頻特性易造成居民主觀煩惱[12-14],而振動(dòng)和噪聲在室內(nèi)疊加更是會(huì)導(dǎo)致居民煩惱度顯著升高[15-17]。國(guó)際上已對(duì)地鐵產(chǎn)生的這些負(fù)面環(huán)境影響開(kāi)展廣泛研究,但多集中于建立各類振源和聲源傳導(dǎo)模型,分析減振降噪效果[18-21],大多適用于地鐵設(shè)計(jì)初期或地鐵項(xiàng)目改造。而在地鐵運(yùn)行階段的減振降噪效果研究卻鮮有報(bào)道。本研究以穿越天津市城區(qū)的3條地鐵線路為研究對(duì)象,分析普遍采用的降速和輪軌打磨措施前后,在1/3倍頻程頻譜模式下,地上建筑結(jié)構(gòu)(包括框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu))、地下線路排列結(jié)構(gòu)(包括水平并線排列和垂直并線排列)對(duì)室內(nèi)振動(dòng)與噪聲的影響,為降低地鐵的負(fù)面環(huán)境影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 測(cè)試方法

本研究選取的3條地鐵線路均采用整體道床,無(wú)縫鋼軌,DTVI2型扣件和6輛編組的B型不銹鋼列車,隧道盾構(gòu),圓形,內(nèi)徑5.5 m。3條地鐵線路附近的4棟建筑物中1#、2#、3#為6層磚混結(jié)構(gòu),4#為22層框架結(jié)構(gòu)。1#、3#、4#建筑物對(duì)應(yīng)地下線路排列結(jié)構(gòu)為水平并線排列,2#為垂直并線排列,兩種地下線路排列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。具體運(yùn)行工況見(jiàn)表1。

圖1 地下線路排列結(jié)構(gòu)Fig.1 Arrangement structures of underground lines

表1 測(cè)試工況Table 1 Test working conditions

測(cè)量地點(diǎn)位于建筑物1樓的室內(nèi),每棟建筑物布設(shè)1個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)和3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn),傳聲器距離地面高度1.2 m,振動(dòng)傳感器均勻分布于堅(jiān)實(shí)平坦的地面,傳聲器和振動(dòng)傳感器與測(cè)試設(shè)備B&K 2270振動(dòng)、噪聲分析儀相連。測(cè)量過(guò)程中緊閉門窗,保持室內(nèi)安靜,避免其他振動(dòng)和噪聲干擾。

振動(dòng)采集每次列車通過(guò)時(shí)的Z振級(jí)最大示數(shù)和分頻最大振級(jí),每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量20次列車,根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(GB 10071—88)以20次讀數(shù)的算術(shù)平均值作為Z振級(jí)最大示數(shù),截取1/3倍頻程頻譜上4～200 Hz各頻段的分頻加速度級(jí),按照《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)》(JGJ/T 170—2009)中Z計(jì)權(quán)處理后計(jì)算得到的最大值作為分頻最大振級(jí),并記錄相應(yīng)頻率。噪聲采集每次列車通過(guò)時(shí)的全頻帶等效A聲級(jí)和16～200 Hz頻段的等效A聲級(jí),每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量20次列車,按照J(rèn)GJ/T 170—2009以20次讀數(shù)的平均值分別作為全頻帶等效A聲級(jí)和16～200 Hz頻段的等效A聲級(jí)，分別記為L(zhǎng)Aeq和LAeq200。每棟建筑物均進(jìn)行了兩次測(cè)試,第1次測(cè)試時(shí)地鐵按照表1中常速行駛,第2次測(cè)試時(shí)地鐵進(jìn)行了輪軌打磨并按照表1降速行駛。Z振級(jí)最大示數(shù)按照《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—88)進(jìn)行評(píng)價(jià),分頻最大振級(jí)和噪聲按照J(rèn)GJ/T 170—2009進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 減振降噪效果分析

2.1.1 減振效果分析

由表2可見(jiàn),根據(jù)GB 10070—88,地鐵常速行駛時(shí),1#建筑物室內(nèi)的Z振級(jí)最大示數(shù)為84 dB,采取降速和輪軌打磨措施后為73 dB,降低了11 dB;2#建筑物室內(nèi)的Z振級(jí)最大示數(shù)在地鐵常速行駛和采取降速和輪軌打磨措施后分別為76、67 dB,降低了9 dB;3#建筑物室內(nèi)的Z振級(jí)最大示數(shù)在地鐵常速行駛和采取降速和輪軌打磨措施后分別為72、66 dB,降低了6 dB;4#建筑物室內(nèi)的Z振級(jí)最大示數(shù)在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為61、56 dB,降低了5 dB。

表2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Table 2 Vibration measurement results

根據(jù)JGJ/T 170—2009,地鐵常速行駛時(shí),1#建筑物室內(nèi)分頻最大振級(jí)為85 dB,采取降速和輪軌打磨措施后為74 dB,降低了11 dB,相應(yīng)頻率由50.0 Hz變?yōu)?0.0 Hz;2#建筑物室內(nèi)分頻最大振級(jí)在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為78、68 dB,降低了10 dB,相應(yīng)頻率均為40.0 Hz;3#建筑物室內(nèi)分頻最大振級(jí)在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為73、66 dB,降低了7 dB,相應(yīng)頻率由40.0 Hz變?yōu)?1.5 Hz;4#建筑物室內(nèi)分頻最大振級(jí)在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為62、50 dB,降低了12 dB,相應(yīng)頻率由50.0 Hz變?yōu)?1.5 Hz。

1#建筑物與2#建筑物比較發(fā)現(xiàn),地鐵線路排列結(jié)構(gòu)為水平結(jié)構(gòu)可能減振效果更好;1#建筑物與4#建筑物比較發(fā)現(xiàn),磚混結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的建筑物對(duì)分頻最大振級(jí)的降低影響不大,但磚混結(jié)構(gòu)的建筑物對(duì)Z振級(jí)最大示數(shù)減振效果明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu);1#建筑物與3#建筑物比較發(fā)現(xiàn),降速幅度越大,減振效果越好。綜合而言,地鐵降速,地鐵線路排列結(jié)構(gòu)采用水平并線排列,建筑結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu),有利于減小地鐵運(yùn)行對(duì)沿線建筑物室內(nèi)的振動(dòng)影響。

2.1.2 降噪效果分析

由表3可見(jiàn),根據(jù)JGJ/T 170—2009,地鐵采取降速和輪軌打磨措施前后,1#建筑物室內(nèi)LAeq200降低了1 dB,2#建筑物降低了7 dB,3#建筑物降低了4 dB,4#建筑物降低了7 dB;1#建筑物室內(nèi)LAeq降低了3 dB,2#建筑物降低了7 dB,3#建筑物降低了5 dB,4#建筑物降低了7 dB。地鐵采取降速和輪軌打磨措施后所有建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲均有所降低,其中1#建筑物Z振級(jí)最大示數(shù)、分頻最大振級(jí)均下降明顯,但LAeq、LAeq200不明顯,而2#建筑物室內(nèi)Z振級(jí)最大示數(shù)、分頻最大振級(jí)、LAeq和LAeq200均下降明顯,1#和2#建筑物位于同一地鐵線路沿線,除了地鐵線路排列結(jié)構(gòu)差異外地質(zhì)條件是比較相似的,還有一個(gè)更重要的原因是降噪效果很大程度上取決于建筑物自身對(duì)聲音的敏感度,由建筑物自振頻率、建筑布局等因素決定,具體原因有待進(jìn)一步研究。

因此,總體而言,地鐵采取降速和輪軌打磨措施有利于沿線建筑物室內(nèi)減振降噪,但降噪效果比減振效果更加復(fù)雜,受到建筑物自振頻率、建筑布局等因素影響。

2.2 分頻特性分析

由于中心頻率變化對(duì)研究地鐵導(dǎo)致的室內(nèi)振動(dòng)和噪聲影響是非常重要的,因此下面分析1/3倍頻程頻譜模式下,室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的特征頻譜。

2.2.1 頻譜峰值解析

圖2為1#～4#建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的頻譜,可以看到峰值主要出現(xiàn)在低頻部分,通過(guò)解析發(fā)現(xiàn),1#建筑物室內(nèi)振動(dòng)頻譜的峰值中心頻率為50.0 Hz,噪聲頻譜的峰值中心頻率為50.0、63.0 Hz;2#建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的頻譜峰值中心頻率均為40.0、50.0 Hz;3#建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的頻譜峰值中心頻率均為31.5、40.0 Hz;4#建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的頻譜峰值中心頻率均為50.0、63.0 Hz。由此判斷,地鐵導(dǎo)致室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的頻譜峰值中心頻率多出現(xiàn)在80.0 Hz以下的頻段,通常是31.5、40.0、50.0、63.0 Hz,與曹志亮[22]的研究結(jié)論相符。

2.2.2 影響因素對(duì)特征頻譜的影響分析

圖3為地鐵線路垂直并線和水平并線排列時(shí),室內(nèi)振動(dòng)、噪聲的典型頻譜。地鐵線路垂直并線排列時(shí),室內(nèi)振動(dòng)的主要中心頻率在小于80 Hz范圍內(nèi);而水平并線排列時(shí),室內(nèi)振動(dòng)除了小于80 Hz的頻段較高外,125～400 Hz頻段也相對(duì)較高,因此應(yīng)格外警惕80 Hz以上頻段振級(jí)升高。兩種線路排列結(jié)構(gòu)下的噪聲典型頻譜差異很小。

表3 噪聲測(cè)量結(jié)果Table 3 Noise measurement results

圖2 室內(nèi)振動(dòng)和噪聲頻譜Fig.2 Indoor vibration and noise spectrum

圖3 不同線路排列結(jié)構(gòu)的室內(nèi)振動(dòng)和噪聲典型頻譜Fig.3 Typical spectrum of indoor vibration and noise under different line laying structures

圖4為框架結(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)振動(dòng)、噪聲的典型頻譜。磚混結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲頻譜峰值的中心頻率均為40.0、50.0 Hz,框架結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲頻譜峰值的中心頻率均為50.0、63.0 Hz,這種差異是建筑的自振頻率和地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。

圖4 不同建筑結(jié)構(gòu)的室內(nèi)振動(dòng)、噪聲典型頻譜Fig.4 Typical spectrum of indoor vibration and noise under different building structures

圖5為采取降速和輪軌打磨措施前后4#建筑物室內(nèi)振動(dòng)、噪聲的典型頻譜。采取措施后,中心頻率50.0、63.0 Hz處的振動(dòng)和噪聲同步降低,減振降噪效果顯著。

圖5 采取措施前后4#建筑物室內(nèi)振動(dòng)和噪聲衰減Fig.5 Indoor vibration and noise attenuation of 4# Building after taking measures

2.2.3 噪聲和振動(dòng)的相關(guān)性分析

對(duì)各建筑物的振動(dòng)、噪聲頻譜進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥吹?所有建筑物的振動(dòng)、噪聲頻譜秩相關(guān)系數(shù)均為正,即地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)和噪聲變化具有正相關(guān)性,1#、2#、3#磚混結(jié)構(gòu)建筑物的室內(nèi)振動(dòng)和噪聲相關(guān)性更高。

表4 振動(dòng)和噪聲頻譜相關(guān)性Table 4 Vibration and noise spectrum correlation

3 結(jié) 論

(1) 地鐵采取降速和輪軌打磨措施有利于沿線建筑物室內(nèi)減振降噪,地鐵線路排列結(jié)構(gòu)采用水平并線排列,建筑結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu),有利于減小地鐵運(yùn)行對(duì)沿線建筑物室內(nèi)的振動(dòng)影響,降噪效果比減振效果更加復(fù)雜,還受到建筑物自振頻率、建筑布局等因素影響。不過(guò),地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)和噪聲變化具有正相關(guān)性。

(2) 地鐵導(dǎo)致的室內(nèi)振動(dòng)和噪聲的頻譜峰值中心頻率較多出現(xiàn)在小于80 Hz頻段,通常是31.5、40.0、50.0、63.0 Hz。

(3) 地鐵線路水平并線排列時(shí)應(yīng)警惕80 Hz以上頻段振級(jí)升高。