城市轨道交通运营引起建筑物内振动超标治理研究

刘 力,王文斌,陈 曦,孙 宁

(1.中国铁道科学研究院城市轨道交通中心,北京 100081； 2.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100037)

城市轨道交通运营引起建筑物内振动超标治理研究

刘 力1,王文斌1,陈 曦2,孙 宁1

(1.中国铁道科学研究院城市轨道交通中心,北京 100081； 2.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100037)

通过对隧道内、地面和建筑物内的振动测试,研究轨道结构形式、受振建筑与地铁线路距离、地层振动特性以及车辆状态对青岛嘉园居民区建筑物环境振动的影响。结果表明：造成青岛嘉园振动超标的原因是地铁列车运行引起的近场建筑物受迫振动,下行线梯形轨枕轨道起到了较好的减振作用,其引起的环境振动在标准限值内；上行线DTⅥ2扣件引起环境振动较下行线约大6 dB,且超过标准限值。在分析振动超标原因的基础上,提出了限速运行、扣件改造、分级提速的治理措施,最终将青岛嘉园建筑物环境振动控制在“特殊住宅区” 65 dB的振动限值之内,解决了北京地铁大兴线青岛嘉园振动扰民问题。

城市轨道交通；建筑物内振动；振动超标；评价标准

随着我国大城市轨道交通网络的逐渐形成，越来越多的轨道交通线路不可避免地要临近、通过，甚至下穿建筑物[1-3]。近几年，在城市轨道交通的建设过程中，虽然轨道减振的比例不断提高，但是，部分地段因建筑物内振动超标引发居民投诉的事件屡有发生，城市轨道交通运营引起的环境振动问题仍倍受关注。针对既有地铁线路引起的建筑物内振动超标问题，主要从振源、传播路径和建筑物结构等几个方面进行治理，主要措施如下。

(1)限速运行。限速运行是一种简单、快速、高效的振源减振措施。在振动超标治理初期，采取限速措施可以及时地将环境振动控制在居民可以接受的水平，待其他有效减振措施实施后，再将行车速度恢复到合理的运行速度。

(2)车辆维修养护。现场测试数据表明，即使是同一地面监测点，不同列车引起的z振级差值也可达到10 dB之上。因此，加强车辆维修养护，对车辆轮对病害状况进行监控，并及时进行镟削处理，也是一种有效的振源减振措施。

(3)轨道结构改造。对减振需求预估不足而使用普通型式扣件的区段，将普通扣件更换为减振扣件，以弥补扣件选型偏差所产生的轨道减振性能不足，是另一有效的振源减振措施。

(4)传播路径隔振。振源产生的振动波传播到隔振屏障时，会发生透射和反射，屏障后地面振动得以降低。常见的传播路径隔振主要是在振源和受振体间设置隔振屏障，如空沟、连续墙、桩排、孔列、波阻块等[4-6]方式。

(5)建筑物被动隔振。在既有轨道交通附近修建新的建筑物时，采取钢弹簧隔振基座或橡胶、聚氨酯等减振材料包裹建筑物基础是一种建筑物自身被动隔振措施，此外，还可在建筑物设计时增大楼板刚度、安装调质阻尼器、设置楼板隔振系统等。

目前，由于传播路径隔振措施大多停留在数值模拟层面，缺少充分的试验研究数据和工程应用先例，既有建筑物被动隔振措施工程实施难度大，因此，在实际工程中主要采用振源治理措施。结合青岛嘉园振动超标治理实例，详细介绍了实际工程中振动超标的原因分析，有针对性的振源治理措施的选择，以及措施应用效果的测试与评价方法等。

1 工程背景

青岛嘉园是位于北京市轨道交通大兴线高米店北站—高米店南站区间西侧的住宅小区。该住宅区楼体为现浇五层结构，基础采用钢筋混凝土条形基础，埋深为1.5～2.0 m。青岛嘉园距离大兴线右线(下行)线路中线最近约12.5 m(10号楼)，距离线路左线(上行)线路中线约25.5 m；区间隧道结构为马蹄形复合式衬砌结构，结构覆土深8.0～9.6 m；该区间左线为DTⅥ2型扣件普通混凝土道床结构，右线在青岛嘉园区段采用梯形轨枕轨道结构，布设长度为293 m。青岛嘉园俯视图如图1所示。

图1 青岛嘉园俯视

大兴线试运行后期，多次接到青岛嘉园居民有关振动扰民的投诉。针对此情况，通过现场调研、振动测试等一系列手段，分析振动扰民的原因，提出相关治理措施，并对改造工程完工后的实际效果进行评估。

2 现场测试与结果分析

2.1 评价标准与评价量

根据大兴区规划，青岛嘉园为交通干线两侧功能区域，其环境振动标准依据《城市区域环境振动标准》(GB10070—1988)[7]，昼间振动限值为75 dB、夜间振动限值为72 dB。

根据《城市区域环境振动测量方法》(GB10071—1988)[8]的规定，振动测量量为铅垂向z振级，时间计权常数为1 s，读取每辆列车通过过程中最大示数，每个测点连续测量20次列车，以20次读值的算术平均值为评价量，即z振级峰值VLzmax。

环境监测点根据《城市区域环境振动测量方法》和《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2008)[9]的要求，置于建筑物室外0.5 m处。

2.2 测点布设

为探寻作用于建筑物的振动水平和主要振动能量的频带分布情况以及青岛嘉园振动扰民的原因和主要影响因素，分别对左右线隧道内、地面及青岛嘉园建筑物进行了环境振动测试，测点布置如图2所示。其中，在左右线同一里程断面钢轨、道床和隧道壁上布置传感器，用于测量振源处振动强度水平及频谱分布规律；在右线隧道顶部地面(建筑物前15 m)、建筑物前7.5 m和0.5 m处布置传感器，用于分析地层对振动的衰减规律；建筑物1、3和5层测点用于分析建筑物内的振动水平。

图2 测点布置示意

2.3 测试结果分析

为评估大兴线青岛嘉园区段地铁列车运行引起的环境振动影响及治理方案的实施效果，对测试数据分别进行了加速度1/3倍频程和时域z振级峰值VLzmax分析。

图3～图6为车速60 km/h时隧道内和地面测点的1/3倍频程振动加速度级。

图3 隧道内测点1/3倍频程加速度级

图4 楼前0.5 m测点1/3倍频程加速度级

图5 列车上行时地面测点1/3倍频程加速度级

图6 列车下行时地面测点1/3倍频程加速度级

由图3可以看出，列车在梯形轨道上运行引起的钢轨振动加速度级远大于DTⅥ2型扣件，在30 Hz附近频段相差最大，达到20 dB以上，但在60～80 Hz频段两者相近。

在3～40 Hz频段，梯形轨道隧道壁振动加速度级略大于DTⅥ2型扣件，表明相对于DTⅥ2型扣件梯形轨道对此频段的振动有放大作用，在25 Hz附近频段相差最大，达到15 dB；在40～110 Hz频段，梯形轨道隧道壁振动加速度级小于DTⅥ2型扣件，表明相对于DTⅥ2型扣件梯形轨道在此频段具有减振作用，在60 Hz附近频段相差最大，达到13dB；在110～200 Hz频段，两者隧道壁振动加速度级基本相等。

由图4可以看出，建筑物振动能量输入测点(楼前0.5 m测点)，在2～4 Hz频段，梯形轨道、DTⅥ2型扣件地面振动与背景振动加速度级基本相等，列车运行对此频段地面环境振动基本无影响。

4～200 Hz频段，列车运行对地面环境振动的贡献明显，且不同频带的贡献差异较大，其中，梯形轨道的主要贡献频带为30 Hz左右，与其主频一致[10]，其贡献量约为38 dB；DTⅥ2型扣件的主要贡献频带为60 Hz左右，其贡献量约为42 dB。

在4～35 Hz频段，梯形轨道地面振动加速度级略大于DTⅥ2型扣件，在30 Hz附近频段相差最大，达到8 dB；在35～200 Hz频段，梯形轨道地面振动加速度级小于DTⅥ2型扣件，在60 Hz附近频段相差最大，达到12 dB。

由图5和图6可以看出，对于左线(DTⅥ2型扣件)，地面振动的主要振动能量主要集中在60 Hz附近频段，具有能量高频段窄的特点；对于右线(梯形轨道)，由于梯形轨枕的减振削峰作用，使地面主要振动能量的频带范围加宽(30～70 Hz)，但振动能量降低。地铁线路与青岛嘉园间约宽15 m的地层对30～70 Hz频段的振动无衰减作用，并有所放大。

表1为楼前0.5 m测点时域z振级峰值统计。

表1 楼前0.5 m测点时域z振级峰值 dB

由表1可以得出，右线20趟列车经过时引起的监测点振动数据中，有6组数据超过交通干线道路两侧振动限值72 dB，20次数据平均时域z振级峰值为70.7 dB，未超过72 dB振动限值；左线20趟列车经过时引起的监测点振动数据中，有12组数据超过交通干线道路两侧振动限值72 dB，20次数据平均时域z振级峰值为76.5 dB，超过72 dB振动限值；左、右线由于车辆状况不同引起的地面振动监测点时域z振级峰值差值分别为16.5 dB和15.4 dB。

2.4 振动超标主要原因

通过以上测试数据分析可以得出，大兴线青岛嘉园小区振动问题属于地铁列车运行引起的近场建筑物受迫振动；左线(DTⅥ2型扣件)的影响约大于右线(梯形轨道)6 dB左右，且列车上行时地面监测点处振动量值已超过环境振动标准规定的交通线道路两侧夜间振动量不超过72 dB的限值，达到了76.5 dB，列车下行时地面监测点处振动量值仅为70.7 dB，未超过振动限值；状态良好的列车运营引起的地面环境振动与状态不良的列车运营引起的地面环境振动的最大差值在15 dB以上，车辆状态对地面环境振动影响显著。

3 治理方案及效果评估

3.1 振动超标治理方案

我国西安地铁为减轻地铁运营对古建筑钟鼓楼的振动危害，采取了限速经过措施，已取得了理想的效果。北京地铁5号线在刘家窑—宋家庄区间振动超标地段使用先锋扣件替换了原DTⅥ2型扣件[11]，更换后减振效果明显，地面z振级减少了10dB以上。根据上述分析结果，结合既有线振动超标治理措施，针对本工程的具体情况，提出了以下振动超标治理方案。

(1)为快速消除列车运行引起的振动对居民生活的影响，同时考虑到青岛嘉园区段为高米店北—高米店南进出站区段，车速快慢对整个区间运营时间影响较小，暂时将该区段列车车速限制在25 km/h。

(2)根据目前大兴线轨道结构既有状况及上下行的影响规律，在限速期间将左线青岛嘉园受保护区段两端各外延30 m范围内的DTⅥ2型扣件更换为先锋扣件，更换区间为左线DK9+250～DK9+540。

(3)待扣件改造工程完毕后，采取分级提速与现场实测相结合的方法，最终确定最佳运行时速。

(4)加强车辆维修养护，对车辆轮对病害状况进行监控，对病害轮对及时进行镟削处理。

3.2 振动超标治理效果评估3.2.1 限速及扣件改造措施效果评估

采取限速及扣件改造措施后，青岛嘉园居民表示减振效果明显，基本感觉不到振动。图7～图9为限速前后楼前0.5 m测点的1/3倍频程振动加速度级。表2为实施限速措施前后及更换先锋扣件后楼前0.5 m测点时域z振级峰值统计数据。

图7 列车下行时楼前0.5 m测点1/3倍频程加速度级

图8 列车上行时楼前0.5 m测点1/3倍频程加速度级

图9 25 km/h时楼前0.5 m测点1/3倍频程加速度级

由图7和图8可以看出，与限速前相比，限速后作用于建筑物的主要振动能量频带基本无变化；限速后列车运行引起的地面振动加速度级普遍小于限速前，10～200 Hz频段，振动加速度级最大降低约10 dB，限速运行的减振效果明显。

由图9可以看出，在10～35 Hz频段，先锋扣件地面振动加速度级略大于DTⅥ2型扣件，在30 Hz附近频段相差最大，达到5 dB；在35～200 Hz频段，先锋扣件地面振动加速度级小于DTⅥ2型扣件，在60 Hz附近频段相差最大，达到13 dB。

由表2可以得出，相对于限速前，限速后列车下行与上行时，地面振动监测点时域z振级峰值分别降低6.2 dB和7.6 dB，限速措施减振效果明显；相对于DTⅥ2型扣件，先锋扣件地面振动监测点时域z振级峰值降低了10.2 dB，先锋扣件减振效果明显。

表2 限速前后楼前0.5 m测点时域z振级峰值 dB

3.2.2 分级提速及最佳运行时速分析

为降低限速对运营的影响，对限速区段进行试验性提速，同时进行环境振动监测分析，作为最终提速方案制定的依据，试提速工况分别为：行车速度25、35 km/h和45 km/h。

图10和图11为分级提速时楼前0.5 m测点的1/3倍频程振动加速度级。可以看出，随着车速的增加，列车运行引起的地面环境振动1/3倍频程加速度级逐渐增大，先锋扣件在30 Hz和100 Hz附近频段，梯形轨道在自振频率30 Hz附近频段加速度级增大较快。

图10 列车上行时楼前0.5 m测点1/3倍频程加速度级

图11 列车下行时楼前0.5 m测点1/3倍频程加速度级

表3为试提速阶段楼前0.5 m测点时域z振级峰值。由表3可以得出，随着车速的增加，列车运行引起的地面时域z振级峰值明显增大，相对于先锋扣件，梯形轨枕对车速的敏感度较高。车速从25 km/h增加到45 km/h时，上行线路和下行线路地面振动监测点的时域z振级峰值分别增大了3.3dB和4.5dB。

表3 试提速阶段楼前0.5 m测点时域z振级峰值 dB

考虑到青岛嘉园居民要求，为切实保障居民的生活质量，北京市轨道交通建设管理有限公司和京港地铁运营有限公司决定将青岛嘉园环境振动控制在《城市区域环境振动标准》(GB10070—1988)中“特殊住宅区”标准65 dB的限值内。根据试提速测试数据统计推算结果，在车速为40 km/h时，青岛嘉园小区环境振动能够满足此要求。

表4为行车速度40 km/h时，青岛嘉园建筑物内时域z振级峰值。可以看出，列车以40 km/h速度运行时，上行和下行工况，青岛嘉园建筑物室内时域z振级峰值均小于65 dB，满足《城市区域环境振动标准》(GB10070—1988)中的“特殊住宅区”标准要求。

表4 40 km/h时建筑物内时域z振级峰值

4 结语

对于城市轨道交通运营引起的环境振动问题，应从前期环境影响评价、轨道减振设计选型、减振产品和减振轨道结构施工质量等环节进行综合控制，尽量避免新建线路投入运营后产生振动超标和扰民问题。后期的治理不但会造成建设投资的大幅增加，而且受已形成的土建结构和运营的限制，往往不得不采取限速措施，从而对运营组织造成影响。

近年来，虽然各相关单位对城市轨道交通运营引起的环境振动问题的重视程度不断增加，轨道减振的运用比例不断提高，但新建线路运营后振动扰民投诉仍屡有发生，根本性的问题仍未得到有效解决，主要体现在振动预测评价体系、减振产品性能认证和减振轨道设计3个方面。

(1)我国《环境影响评价技术导则—城市轨道交通》(HJ453—2008)采用经验链式公式作为环境振动预测计算方法，由于全国各地地质差异以及沿线建筑物结构动力特性千差万别，经验链式公式得出的环评预测值精度较低。

(2)我国尚未建立统一、完善的轨道减振产品检测与评价方法，难以客观地认识各种轨道产品的减振性能。

(3)地铁线路及沿线敏感目标环境振动要求发生变化时，补充环评工作不够及时，造成轨道减振设计选型与实际环境振动要求脱节，新建线路运营后振动超标问题频发[12]。

为解决上述问题，提出以下建议。

(1)从振动传播方式出发，全面考虑振源特性，地层特性以及建筑物动力特性三方面对振动产生和传播的影响，研究高精度的地铁运营引起的环境振动预测方法[13-14]。

(2)建立国家认可的城市轨道交通轨道产品认证检验机构，开展轨道减振产品减振性能认定专项研究工作，统一产品减振性能的测试方法以及减振性能评价指标，建立城轨交通市场准入制度，为城轨市场提供安全、可靠、高性能的减振产品。

(3)地铁线路及沿线敏感目标环境振动要求发生变化时，应及时补充环评报告，设计单位应按补充环评报告结果修改减振轨道设计与选型，避免因设计问题而产生的环境振动超标。

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Study on Excessive Vibration in Buildings Caused by Urban Rail Transit

LIU Li1, WANG Wen-bin1, CHEN Xi2, SUN Ning1

(1.Urban Rail Transit Center of China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China；2.Beijing MTR Construction Administration Corporation, Beijing 100037, China)

The environmental vibration impact of different track structures, the distance between buildings affected and metro line, the vibration characteristics of stratigraphy and the state of vehicles on the buildings of Qingdao Jiayuan residential area are investigated through vibration test in tunnel, in building and on ground. The results show that the cause of the excessive vibration in Qingdao Jiayuan is near-field forced-vibration induced by the operation of metro operation. The ladder-sleeper track of down-line is effective in vibration isolation and the environmental vibration is under the limit. In comparison with the ladder-sleeper track, the environmental vibration contributed by fasteners DTⅥ2 of up-line is 6dB higher, exceeding the limit. Based on cause analysis, such countermeasures are put forward as speed limiting, fasteners improvement, and increasing speed in grades, and the nuisances are resolved and the environmental vibration impact on Qingdao Jiayuan is brought under the limit of 65dB of for“special residential areas”.

Urban rail transit； Vibration in buildings； Excessive vibration； Evaluation criteria

2015-01-09；

2015-02-02

国家自然科学基金(51278043)

刘力(1982—)，男，工程师，2008年毕业于中国铁道科学研究院，工学硕士，E-mail：liuli800814815@163.com。

1004-2954(2015)08-0150-05

X593

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.032