城市轨道交通地下线振动环境影响分析

谢咏梅 刘 扬 辜小安

(1.环境保护部环境工程评估中心 北京 100012;2.北京市地铁运营公司 北京 100044;3.中国铁道科学研究院 北京 100081)

城市轨道交通地下线振动环境影响分析

谢咏梅1刘 扬2辜小安3

(1.环境保护部环境工程评估中心 北京 100012;2.北京市地铁运营公司 北京 100044;3.中国铁道科学研究院 北京 100081)

采用城市轨道交通环境影响评价中的振动预测方法，通过北京、上海、广州10条运营线路的环保验收调查报告和轨道减振性能测试评估报告提供的实测数据和预测结果进行对比分析，结果表明:在一定的车速、埋深及区段等工程条件下，若按交通干线两侧昼、夜间振动限值标准进行评价，地下线的环境振动影响范围约20 m。地下线的振动影响主要取决于线路的线型、埋深，尤其与敏感点的距离、运行速度关系较大。地铁隧道上方5 m以内的建筑，环境振动无明显变化;5～20 m振动级衰减比较明显。正线区间比车场线及出、入段线敏感点的振动级高4～6 dB;出段线比入段线敏感点的振动级高2 dB左右。建议根据振动影响范围，做好轨道交通及其沿线用地规划。地下线路应合理选线，尤其要避免下穿环境敏感建筑;沿线规划控制应预留振动防护距离，在防护范围内不宜新建敏感建筑;对特殊敏感区段，可以考虑在夜间时段采取限速的措施。

城市轨道交通;地下线;环境;振动

1 轨道交通振动源的产生及工程特点

1.1 轨道交通振动源的产生及传播

截至2011年底，我国内地已有北京、上海、广州、长春、重庆等14个城市，开通运营轨道交通线路54条，其运用车辆类型包括A型、B型、C型、直线电机及跨座式单轨车辆，采用A型和B型车辆的运营线路占80%以上。轨道交通地下线对沿线环境的影响，主要是运营期列车运行引起的振动对地面建筑物的影响，而室内环境受到的振动影响是环境影响评价的重点，包括垂向振动响应和二次辐射噪声影响。下面重点分析A型、B型车辆在地下隧道内运行时对建筑物室内地面的垂向振动响应。

地铁列车在隧道内行驶过程中，由于车轮在钢轨上的滚动与撞击作用而激发轨道结构振动，经钢轨、扣件、轨枕、道床向隧道结构传递，再经隧道结构通过土壤层传递至表层土壤，并通过表层土壤向邻近的建筑物传播，从而激发地面建筑物的振动响应，以至对沿线邻近区域产生振动干扰。研究表明，由于振动在地表传导过程中其水平方向的衰减比铅垂向振动衰减得快，因而铅垂方向的振动大于水平方向的振动。人体可感知的振动频率范围是1～1 000 Hz，其中1～100 Hz为敏感区。人体对于小于16 Hz的低频振动更为敏感，垂向振动最敏感的频率范围为4～8 Hz，横向振动为1～2 Hz。振动在传播过程中，高频部分比低频部分衰减得快，因此低频振动影响比高频振动影响要大〔1〕。

当列车在地下隧道内运行时，车速为60 km/h的列车通过时段距道床0.5 m处(混凝土整体道床)的铅垂向Z计权振动级VLZ10值为84～85 dB，其振动频率主要集中在31.5～60 Hz〔2〕。按照城市区域环境振动限值标准考量，在正常的工程和地质条件下，轨道交通线路两侧30 m范围将受到不同程度的振动影响〔2〕。

1.2 轨道交通振动影响的工程特点

根据国内地铁建设经验，服务于中心城区的地铁线路平均站间距一般在1～1.2 km，车辆最高设计速度为80 km/h，正线区间最小曲线半径一般为350～400 m，困难地段为250～300 m，最大纵断面坡度不大于30‰。当线路穿越中心城区(包括主城区、老城区、古城区和规划新城中心区)时，一般采用地下敷设方式，中心城区以外在道路条件及沿线环境条件允许的地段采用高架或地面敷设方式。线路一般沿城市既有道路或规划道路的路中或一侧布置，道路红线宽度要求地下线一般不小于50 m，高架线不小于60 m。地下线的隧道结构在表层土壤以下埋设，根据城市地形、地质特点和地面建筑及工程条件等确定线路埋深。

轨道交通环境影响以高架线噪声影响、地下线振动影响为主要特征。由于受其工程、环境等条件的制约，导致地下线至沿线建筑物的距离较近。当隧道下穿建筑物时，列车运行对建筑物室内环境的振动影响最为突出，特别是线路下穿居民楼、学校、医院等振动敏感建筑的情况，在环境影响评价中备受关注。受列车振动影响的主要是地下线路正线区间上方或两侧的敏感点，若车辆段、停车场出入线为地下线时，其线路上方或两侧的敏感点也会受到振动影响。

2 轨道交通振动影响范围

2.1 轨道交通振动影响预测

根据HJ 453—2008《城市轨道交通环境影响评价技术导则》〔3〕(以下简称《导则》)推荐的振动预测方法，对列车振动影响按式(1)进行计算，预测结果见表1。

表1 地下线运营对地面环境振动影响预测 dB

为便于讨论，笔者根据一般工程条件，对计算过程作了一定简化和假设，实际工程条件往往更加复杂。

式中:VLz0，i为列车振动源强，列车通过时段参考点的Z振级;n为列车通过列数，n≥5;C为振动修正项，dB。

式中:Cv为速度修正，dB;Cw为轴重修正，dB;CL为轨道结构修正，dB;CR为轮轨条件修正，dB;CH为隧道结构修正，dB;CD为距离修正，dB;CB为建筑物类型修正，dB。

假设车速、轨道结构、线路埋深等按以下条件设定，则主要修正项及取值如下。

1)列车振动源强VLz0=84 dB(VLZ10值)。

2)速度修正Cv=20lg(v/v0)，其中:v0为源强的参考速度，v0=60 km/h;v为列车通过预测点的运行速度，一般v=70 km/h。

3)轴重修正Cw=20lg，其中:w0为源强的参考轴重，w0=14t(B型车);w为预测车辆的轴重，一般w=14t(B型车)。

4)若轨道结构为混凝土整体道床，无缝线路，车轮圆整，钢轨表面平顺，隧道结构为单洞双线，则轨道结构、轮轨条件及隧道结构修正分别为CL=0，CR=0，CH=0。

6)建筑物类型的修正。预测计算过程暂不考虑不同建筑物的修正值，设CB=0。

2.2 轨道交通振动影响实测

国内已开通运营的54条轨道交通线路中，北京、上海、广州开通运营线路有34条，占全部运营线路的63%，其中通过国家环保部组织的环境保护验收线路共11条。本次调查收集了北京地铁4号线、5号线、10号线一期，上海地铁6号线、9号线一期，广州地铁1～5号线共10条运营线路的相关资料，包括7项环保验收调查报告、8项轨道减振性能测试评估报告。对上述地铁线路振动影响实测数据进行汇总统计，并与预测结果进行对比，结果见表2〔4-18〕。

表2 地下线运营对地面环境振动影响实测与预测结果对比dB

表2的结果表明:对于距离线路20 m范围内的地面环境振动，实际测量结果与预测计算结果基本吻合(实际测量值与计算预测值的点位基本对应)，其误差范围在1～5 dB。其中，北京、广州地下线列车运行振动对地面环境的实际影响，低于预测计算值约1～5 dB，但上海地铁高于预测计算值3～5 dB。由于振动影响的工程因素比较复杂，预测边界条件及其与实际情况均存在一定差异。

2.3 轨道交通振动影响范围

根据上述轨道、线路、车辆、车速等设定条件及其相应的修正量，对距线路0～20 m范围内的敏感点振动影响预测结果，按照环境振动现行标准进行评价，其评价结果见表3。表3是依据式(1)、式(2)计算并经表2进行验证对比的计算数值。

表3 地下线运营对地面环境振动影响范围 dB

对表3的分析与说明如下:

1)评价对象。表3的预测结果为轨道交通列车运行引起的振动影响，不包含背景振动影响。一般隧洞顶部及两侧近距离的敏感建筑，其环境振动背景值比轨道交通振动值低10 dB以上。

2)评价时段。轨道交通振动影响是按列车通过时段的振动级进行评价的，与初、近、远期各运营时段昼、夜间的列车流量无关。因此，各运营时段昼间与夜间的振动预测结果数值相同。

3)评价标准。根据GB 10070〔19〕《城市区域环境振动标准》规定的振动限值进行评价。居民文教区昼间≤70 dB，夜间≤67 dB;交通干线道路两侧昼间≤75 dB，夜间≤72 dB。

4)评价量。按照《导则》相关规定，振动预测量为轨道交通列车通过时段的振动级VLZ10和 VLz，max值(本文仅作VLZ10值计算)，以 VLZ10值对标给出预测超标量及评价结果，按照VLz，max值的超出量采取减振措施。

5)评价结论。当线路埋深为10～20 m，列车在正线区间以70 km/h运行时:对于10 m以内的敏感点，居民文教区和交通干线两侧昼、夜间基本超限值标准;对于＞10 m、＜20 m的敏感点，居民文教区昼、夜间均超标，交通干线两侧夜间超限值标准;对于20 m以外的敏感点，基本可满足交通干线两侧昼、夜间限值标准要求。

按照交通干线两侧振动标准的要求，轨道交通振动影响范围约20 m。上述评价结论是在一定的线路埋深、列车通过车速及运行区段等工程条件下得到的，若上述工程条件发生变化，如对于重庆、贵阳等山地城市，或大连、青岛等沿海城市，因其线路埋深条件变化较大，所以其振动影响特性必然随之变化。因此，轨道交通的振动影响程度、范围应根据敏感点的距离、高差(线路埋深)、车速等实际情况进行预测，根据预测超标量和实际振动影响，采取相应的减振措施，不能一概而论。

3 轨道交通振动环境影响的工程因素

地下线运营对地面建筑物的振动影响与振动传播过程的多种因素有关(见表4)。在振动影响预测中，根据工程具体情况进行预测参数的取值，其振动影响程度取决于预测参数的大小，或者说振动环境影响的程度是由工程条件决定的。振动影响程度与线位至敏感点的距离、埋深、列车运行速度等工程条件更为密切，是振动影响的重要预测参数(以表4中*号标注)。

表4 轨道交通振动影响因素

3.1 距离对振动环境的影响

由表5可见，若正线区间下穿地面敏感建筑，线路埋深为20 m，则距线路5 m以内的各敏感点振动级比较接近，变化在0.5 dB范围内;当距离从5 m增加到10 m时，振动级减小近1 dB;当距离从10 m增加到20 m时振动级衰减2 dB。

表5 距离与振动环境影响的对比分析

3.2 车速对振动环境的影响

由表6可见，当正线区间和出、入段线均下穿地面敏感建筑，线路埋深为20 m时，正线区间比出、入段线敏感点的振动级高4～6 dB(不考虑出入线为弯道或道岔区段的情况)。在实际运行中，一般出段线比入段线的车速高约10 km/h，出段线比入段线敏感点的振动级高2 dB。

表6 车速与振动环境影响的对比分析

3.3 其他工程因素对振动环境的影响

1)在振动预测时，还应关注弯道尤其是小曲线弯道处的振动影响，而在城区范围或出入段线下穿地面建筑的弯道线路更为多见。然而，由于测试条件所限，目前对弯道路段的振动影响测试开展较少，弯道路段的振动增加量目前尚难确定。

2)《导则》给出了建筑物类型的修正量，见表7。由于表7中给出的取值范围较大，评价中该项取值差别较大，导致预测结果误差较大。建议应对不同类型建筑物的振动影响开展更深入的研究，确定适宜的建筑物振动修正值，以保证振动预测结果的准确性。

表7 不同类型建筑物的振动修正值 dB

4 结论

1)敏感点与线位的距离、埋深、车速、线型是振动影响的关键因素。运营期车速是可变因素，而距离、埋深、线型等工程指标均为不可变的因素。

2)车速对振动影响关系较大，振动影响随着车速的提高而增大。为保证预测结果的准确性，在进行振动预测计算时，通过各敏感点的列车速度应根据列车牵引计算结果确定。若通过限速实现减振的要求，一是车速控制存在人为因素，二是降低车速将使平均旅行速度下降，影响线网的运营效率。

3)预防轨道交通运营期的振动影响最有效的方法，就是做好轨道交通的线路规划及沿线用地规划。工程线路的选线选址最为重要，沿线用地规划控制也是非常必要的。从线路规划角度来说，应参考工程的环境影响合理选线，地下线路应尽量避免或减少下穿环境敏感建筑;从城市规划角度来说，应根据振动预测结果，在振动防护距离内不再新建敏感建筑。

［1］孙家麒，战嘉恺，虞仁兴，等.振动危害和控制技术［M］.石家庄:河北科学技术出版社，1991:52-70.

［2］孙家麒.城市轨道交通振动和噪声控制简明手册［M］.北京:北京科学技术出版社，2002:55-56.

［3］HJ 453—2008城市轨道交通环境影响评价技术导则［S］.北京:中国环境出版社，2009.

［4］交通部公路科学研究所.北京城市轨道交通5号线竣工环境保护验收调查报告［R］.北京，2008.

［5］北京嘉和绿洲环保技术投资有限公司.北京城市轨道交通10号线一期竣工环境保护验收调查报告［R］.北京，2008.

［6］上海船舶运输科学研究所.上海城市轨道交通6号线工程竣工环境保护验收调查报告［R］.上海，2010.

［7］上海船舶运输科学研究所.上海城市轨道交通9号线工程竣工环境保护验收调查报告［R］.上海，2010.

［8］中国环境监测总站.广州城市轨道交通1号线工程竣工环境保护验收调查报告［R］.北京，2000.

［9］中国环境监测总站.广州城市轨道交通2号线首期工程竣工环境保护验收调查报告［R］.北京，2004.

［10］环境保护部环境工程评估中心.广州城市轨道交通3号线工程竣工环境保护验收调查报告［R］.北京，2008.

［11］北京铁科工程检测中心.北京城市轨道交通4号线轨道减振措施性能测试评估报告［R］.北京，2010.

［12］北京铁科工程检测中心.北京城市轨道交通5号线轨道减振措施减振性能测试评估报告［R］.北京，2008.

［13］北京交通大学，北京城市轨道交通设计研究所.北京城市轨道交通5号线轨道减振措施减振性能测试评估报告［R］.北京，2009.

［14］铁道科学研究院铁道建筑研究所.广州城市轨道交通1号线轨道动态测试及减振性能评估报告［R］.北京，2007.

［15］中船重工集团七二五研究所.广州城市轨道交通1号线GJ-Ⅲ减振扣件减振性能评估报告［R］.河南，2010.

［16］铁道科学研究院铁道建筑研究所.广州城市轨道交通3号线轨道动态测试及减振性能评估报告［R］.北京，2007.

［17］铁道科学研究院铁道建筑研究所.广州城市轨道交通4号线轨道动态测试及减振性能评估报告［R］.北京，2007.

［18］中船重工集团七二五研究所.广州城市轨道交通5号线GJ-Ⅲ减振扣件减振性能评估报告［R］.河南，2010.

［19］GB 10070—88城市区域环境振动标准［S］.北京:中国环境出版社，2009.

Analysis on Underground Vibration Environment of Urban Rail Transit

Xie Yongmei1Liu Yang2Gu Xiaoan3
(1.Appraisal Center for Environment Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012;2.Beijing Subway Operation Corp.，Beijing 100044;3.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081)

Abstract:By means of the vibration prediction method for urban rail transit vibration environment assessment，comparative analysis was carried out according to the measured data and prediction results obtained from Beijing，Shanghai，Guangzhou 10 metro lines’acceptance reports on enviromental protection during operation and test and evaluation reports on track damping performance，results indicated:under the conditions of certain vehicle speeds，overburdens and the same section etc.，the affected distance by underground traffic was about 20m as evaluated according to the vibration limit standards along two sides of main traffic lines round the clock.Underground vehicle vibration depends on buried depth and types of lines，especially on distance to sensitive points and vehicle running speeds.For buildings located 5m and more above the railway tunnel the vibration effect does not change obviously，but for those located 5-20 m above the tunnel vibration damping is obvious.Vibrations on sensitive points along main lines are 4～6 dB larger than those along the vehicle yard lines and the entrance and exit lines.It is recommended to rationally design the route of lines to bypass sensitive buildings and plan the land use along urban railways.

Key words:urban rail transit;underground lines;environment;vibration

U231.8

A

1672-6073(2012)02-0059-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.016

收稿日期:2011-11-04

2012-03-15

作者简介:谢咏梅，女，硕士，工程师，高级项目负责人，主要从事城市轨道交通类建设项目环境影响技术评估工作，xieym@acee.org.cn

(编辑:曹雪明)