地铁引起建筑室内振动监测与评价探讨

2017-09-05胡月琪张中平郭建辉

环境科技 2017年1期

胡月琪，张中平，郭建辉，刘倩，王铮，姜涛

(北京市环境保护监测中心大气颗粒物监测技术北京市重点实验室，北京 100048)

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，城市化进程的不断加速以及城市自身发展的需要，城市轨道交通以其快捷、安全、节能、环保等诸多优势，成为了城市交通系统发展的重点。城市地下轨道交通的大力发展既解决了大中城市的交通拥堵问题，又提高了土地资源的利用率，但是由于城市地下轨道交通大都位于或穿越中心城区，城市地下轨道交通经常出现在敏感建筑物下方穿越或近距离经过等情形，地铁列车运行给沿线周围的古建筑物、居民的居住环境及身体健康等均产生显著影响[1-4]。

地铁列车运行过程中车辆对轨道造成的冲击与振动以及影响地铁列车振动传播的因素与控制措施，国内外已有不少研究[5-7]。唐和生等[8]、万胜国等[9]、雷彬等[10]对城市地下轨道交通环境振动影响评价方法与评价指标进行了理论分析与实践探讨。也有学者分析和探讨了城市轨道交通引起的室内振动和结构噪声的监测方法与评价量问题[11-14]。

针对地铁列车运行引起的沿线敏感建筑物室内振动带来的环境问题，目前缺少统一明确的国家标准监测方法与评价量。研究结合我国现行的相关标准适用性及其存在的问题，分析探讨了我国地铁列车运行引起的沿线敏感建筑物室内振动的监测方法与评价量及其限值标准，以期合理评估地铁对沿线敏感建筑物与居民生活的影响，为针对性地采取相关治理措施提供技术基础，为将来制订新国家标准提供一定的技术支持。

2 国内建筑物室内振动测量与评价的标准概况

目前，我国适用于建筑物室内振动测量与评价的标准有：测量振动环境质量的环境保护国家标准；测量建筑物附属设施振动源造成建筑物室内振动，便于规范安装在建筑住宅内设备振动控制设计的建筑设计国家标准；专门测量城市轨道交通（地下段）列车运行引起沿线建筑物室内振动，以规范地铁工程设计与运行管理的国家标准和地方标准。

2.1 GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》与GB 10070—1988《城市区域环境振动标准》

由原国家环境保护局提出的城市区域环境振动测量方法标准与限值标准[15-16]规定的城市区域环境振动评价量是参照采用国际标准ISO 2631.1：1985（等效于原国标GB/T 13441—1992）规定的“全身振动Z计权因子”（Wi）修正后得到的铅垂向Z振级VLZ，评价环境振动对人体的影响频率范围设定为1 ～ 80 Hz。

但是国际标准ISO 2631.1：1985是振动的基础性标准，已被国际标准ISO 2631.1：1997（等效于现行国家标准GB/T 13441.1—2007）替代，“全身振动Z计权因子“（Wi）在新版标准中也被新的表述替代为”全身振动 Z方向的计权因子”（Wk）。Wi与Wk的物理意义有本质不同，Wi是基于等感曲线提出来的，其频率响应特征应与各轴向人体暴露允许界限特性相对应，是相对于人体最敏感频率范围的计权系数；而Wk更关注振动对人体健康、舒适度、感觉等方面的影响，更关注人的主观感受，是用于Z轴方向和卧姿垂直方向（头部除外）的有关健康、舒适与感知的频率计权。Wi与Wk计权因子曲线对比见图1。

图1 Wi与Wk计权因子对比

由图1可以看到，在1～4 Hz的低频部分，Wi计权值大于Wk计权，相差0.3～2.5 dB，平均相差1.5 dB；在4～8 Hz频段，Wi计权值与Wk计权基本相等；而在8～80 Hz频段，Wi计权值小于Wk计权，相差1.9～4.2 dB，平均相差3 dB。可见环境振动信号在以不同计权因子修正后的结果存在一定差异。

现行城市区域环境振动监测仪器是以Wi计权因子修正后的结果，虽然振动的基础性标准ISO 2631.1：1985已被国际标准 ISO 2631.1：1997替换，但新的国家环境振动标准发布之前原有国家标准依然有效。

环境振动根据振动类型的不同，评价量分别采用VLZ10，VLZeq或VLZmax，其中稳态振动以5 s的平均示数VLZeq为评价量，无规振动以连续测量不少于1 000 s的VLZ10为评价量，冲击振动和铁路振动分别以10次重复出现的冲击振动和连续测量20次列车的VLZmax的算术平均值作为评价量。

从环境保护的角度来讲，GB 10071—1988与GB 10070—1988分别是城市区域环境振动的评价方法标准与限值标准，规定了建筑物外部各种振动源对住宅建筑物的振动评价方法与限值标准，是振动环境质量监测与评价的基础标准。地铁作为城市轨道交通（地下段）沿线敏感建筑物室内振动的外部来源，其引起的建筑物室内振动的监测与评价显然适用于 GB 10070—1988与 GB 10071—1988规定的区域环境振动情形。

2.2 GB/T 50355—2005《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》

由原建设部提出的住宅建筑室内振动测量方法标准与限值标准[17]规定的评价量为测量1/3倍频程各中心频率的铅垂向振动加速度级La值（与国标GB 10071—1988规定的振动加速度级定义相同，本标准中称为分频振动加速度级，以下统一记作VALi），即分频振动加速度级限值。振动加速度级VAL定义式为：

式中：a为振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度，a0=10-6m/s2。

振动频率范围与GB 10071—1988规定一致为1～80 Hz。住宅建筑室内振动评价在执行本标准时，还应符合国家现行有关标准的规定，即需满足GB 10070—1988中VLZ值。测量仪器与GB 10071—1988中对测量仪器的规定要求一致，频率计权因子沿用GB 10071—1988中Wi。

1/3倍频程各中心频率的VALi与VLZ之间的换算公式为：

GB/T 50355—2005规定了安装在住宅建筑物（含商住楼）内部的各种振动源（如电梯、水泵、风机等）对住宅建筑内部的振动监测方法标准及容许振动限值标准，以确保居住者有一个良好而又必备的居住条件，同时也为住宅建筑内各种振动源的振动控制提供了可靠的依据。但从环境保护的角度来讲，住宅建筑物自身配备附属设施振动源的振动控制和评价，属于建筑设计技术规范范畴，其对住宅建筑自身的振动影响，不属于环境保护监管的范围，显然GB/T 50355—2005不适用于地铁运行引起的沿线敏感建筑物室内振动的监测与评价。

住宅建筑内振动源一般振动频率比较单一，且为连续性的稳态振动或无规振动。GB/T 50355—2005规定振动测量时，仪器为快响应，采样时间间隔不大于1 s，测量时间不少于1 000 s，读取VALi和VLZ。但并未明确1/3倍频程各中心频率的VALi是采用等效分频振动加速度级、最大分频振动加速度级还是分频累计百分振动加速度级以及铅垂向Z振级是采用等效Z振级、最大Z振级还是累计百分Z振级来进行评价。按照GB/T 50355—2005规定的振动测量方法，属于GB 10071—1988中无规振动的测量方法，建议分别读取VALi,10和VLZ10值来进行评价。

由于目前采用1/3倍频程分析功能的振动监测仪器虽可捕获振动1/3倍频程频谱时间历程监测数据，但均须进行相应数据处理后方可获得有关监测结果，因此监测人员应熟悉振动的基础知识和一定的专业技能。

2.3 JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次幅射噪声限值及其测量方法标准》

由住房和城乡建设部提出的专门针对城市轨道交通列车运行引起沿线建筑物室内振动测量方法标准与限值标准[18]规定的评价量为列车通过时1/3倍频程中心频率上的分频最大振级（记为VLmax）。VLmax既不同于1/3倍频程各中心频率上的最大分频振级VLi,max，也不同于GB/T 50355—2005的评价量分频振动加速度级VALi，而是将列车通过时测量的1/3倍频程各中心频率上最大铅垂向振动加速度级VALi,max按Wk修正后得到的各中心频率上的最大分频振级VLi,max，再以各中心频率上的VLi,max中的最大值作为评价量，即为VLmax，可见VLmax并非针对特定频率下的最大振级。

振动测量的频率范围规定为4～200 Hz。频率计权因子采用ISO 2631.1：1997规定的Wk计权因子，而不是GB 10071—1988中规定的Wi计权因子。地铁列车运行引起沿线建筑物室内振动评价在执行本标准时，还应符合国家现行有关标准的规定，即需满足GB10071—1988中有关铁路振动的规定，其评价量为铅垂向最大Z振级VLZmax限值。

测量应不少于5列列车通过时的分频VLmax和最大Z振级VLZmax，并以各次结果的算术平均值作为评价量。

2.4 DB 31/T470—2009《城市轨道交通（地下段）列车运行引起的住宅室内振动与结构噪声限值及测量方法》。

由上海市环境保护局提出的针对城市轨道交通（地下段）列车运行引起的沿线住宅室内振动测量方法标准与限值标准[19]从本质上讲与现行国家标准GB 10071—1988一致，其评价量为列车通过时的VLZmax。

测量不少于5列对测点影响较大一侧轨道线路的列车通过时的VLZmax，并以各次结果的算术平均值作为评价量。

3 建筑物室内振动测量及其相关技术要求

对我国建筑室内振动监测与评价相关标准分析表明，室内振动监测的测量位置布设及其他监测相关技术要求基本一致。

建筑物室内振动测点一般设在建筑物一楼室内地面中央或室内地面振动敏感处，并尽量距离任一墙面0.5 m以上。当室内布设条件不允许时，可设在建筑物室外0.5 m以内振动敏感处。

测量铅垂向振动的拾振器应稳定安装在平坦、坚实的地面上，尽量避免置于地毯等松软的地面上。拾振器的灵敏度主轴方向应与测量方向铅垂向一致。

振动测量仪器应符合现行国家标准GB 10071—1988中对测量仪器的有关技术规定，并经国家认可的计量部门检定合格且在其有效期内使用。

测量过程中应避免足以影响振动测量值的其他环境因素或其他振动污染源引起的干扰。

4 建筑物室内振动评价限值标准分析

综合我国现行标准对建筑住宅室内振动的评价量主要有：铅垂向 Z 振级VLZ（VLZ10，VLZeq或VLZmax）、VALi与VLmax。其中 GB/T 50355—2005 和 JGJ/T 170—2009分别采用VALi与VLmax作为评价量，同时必须满足国标GB 10070—1988的有关限值要求。

4.1 住宅建筑物室内振动评价标准限值总体分析

我国现行建筑室内振动评价标准限值汇总见表1。从表1中可看出，适用区域范围除GB 10070—1988中单独划分了“铁路干线两侧”外，其他标准对相关适用区域范围的划分基本相同。从标准限值数值上看，DB31/T 470—2009无特殊住宅区（0类区）的划分，2类区域较GB 10070—1988严格3dB外，其他限值完全相同，且对地铁列车运行引起的室内振动而言，2标准的评价量一致；JGJ/T 170—2009与GB 10070—1988相比较，JGJ/T 170—2009除执行GB 10070—1988要求外，还需执行分频最大振级限值，从VLmax限值看，1，2类区域较GB 10070—1988严格5 dB，其他限值完全相同，但二者使用的评价量不同，执行的频率计权因子以及包含的测量振动频率范围亦完全不同，无法直接进行比较。

表1 我国现行建筑物室内振动标准限值dB

按照Wi频率计权因子修正前后GB/T 50355—2005室内振动限值标准见图2（其中1级限值为适宜达到的限值，2级限值为不得超过的限值）。从图2中我们可以看出，1/3倍频程各中心频率的VALi限值按照Wi频率计权因子修正后的各中心频率的分频振级VLi限值均相同，1级昼间限值为70 dB，1级夜间限值为67 dB，2级昼间限值为75 dB，2级夜间限值为72 dB。从2级昼夜间限值数值来看，与GB 10070—1988的2，3，4类适用区域范围数值相同，但GB/T 50355—2005评价量为按照Wi频率计权因子修正后VLi，即使各中心频率的任何一个分频振级VLi刚达标，按照式（2）换算成VLZ值后，也可能不满足GB10070—1988的限值标准要求，可见GB/T 50355—2005中VALi的2级限值标准较宽松。

图2 Wi 频率计权修正前后GB/T 50355 标准限值

4.2 GB/T 50355—2005评价量分频振动加速度级限值与JGJ/T 170—2009评价量分频最大振级限值分析

由于GB/T 50355—2005与JGJ/T 170—2009分别采用VALi和VLmax进行评价，均为分频多值限值。GB/T 50355—2005的VALi限值按照Wi频率计权因子修正后的1/3倍频程各中心频率的分频振级VLi限值均相同，其1级昼夜间限值与JGJ/T 170—2009的2类适用区域昼夜限值数值一致，2级昼夜间限值与JGJ/T 170—2009的3，4类适用区域昼夜限值数值一致。而JGJ/T 170—2009评价量VLmax是按照Wk频率计权因子修正后的分频最大振级，前面已提到，振动频率在4～8 Hz范围内，Wi计权值与Wk计权基本相等，频率在8～80 Hz范围内，Wi计权值比Wk计权值小1.9～4.2 dB，可见JGJ/T 170—2009评价量VLmax较GB/T 50355—2005评价量VALi严格。将JGJ/T 170—2009评价量VLmax限值还原为未按照Wk频率计权因子修正前的各中心频率的VALi，max限值后与GB/T 50355—2005评价量VALi限值比较见图3。其结果与上述分析结论一致。