北京市地铁列车运行引起的建筑室内结构噪声污染特征与评价

胡月琪，刘倩，王铮，姜涛，孔川，张虎，邬晓东1.北京市环境保护监测中心，北京 100048 2.大气颗粒物监测技术北京市重点实验室，北京 100048

北京市地铁列车运行引起的建筑室内结构噪声污染特征与评价

胡月琪1，2，刘倩1，2，王铮1，2，姜涛1，2，孔川1，2，张虎1，2，邬晓东1，2
1.北京市环境保护监测中心，北京 100048 2.大气颗粒物监测技术北京市重点实验室，北京 100048

以200 Hz以下低频部分等效A声级(LAeq200)、12.5～20 kHz频率的等效A声级(LAeq20 k)与倍频带声压级作为评价量，结合HJ 793—2106《城市轨道交通(地下段)结构噪声监测方法》、GB 22337—2008《社会生活环境噪声排放标准》和JGJT 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》监测和评价地铁列车运行引起临近建筑室内结构噪声，并应用于北京市实测研究。结果表明：北京市地铁列车运行引起建筑室内结构噪声的频率范围为12.5～200 Hz；LAeq20 k不适用于地铁低频结构噪声的评价；北京市2条地铁线路列车运行的结构噪声特征频率分别为31.5、40、50、63和100 Hz，以40 Hz为主。实测表明，地铁结构噪声污染的特征是列车通过时特征频率上的声压增量明显，由于地铁结构噪声在200 Hz以下低频部分的能量分布差异，以及A计权对低频段声压级的消减差异，LAeq200评价结果不能客观反映地铁结构噪声的实际影响；低矮楼房对地铁结构噪声有放大作用，而高层楼房则有一定衰减作用；建筑物体量大小和隧道埋深较水平距离对地铁结构噪声衰减的影响更为明显。因此，地铁建设宜综合考虑地铁埋深，并避免穿越低矮楼房和平房区以控制结构噪声污染。

地铁结构噪声；监测与评价；13倍频程；特征频率；北京市

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城市交通系统发展的重点。城市地下轨道交通作为一个国家综合国力、城市经济实力、人民生活水平及现代化的重要标志，已在我国数十个大中城市陆续开工建设。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，但由于城市地下轨道交通大都位于或穿越中心城区，地铁列车经常在敏感建筑物下方穿越或近距离经过，其运行对沿线古建筑物、居民的居住环境及身体健康等均产生显著影响[1-4]。

地铁列车运行引起的振动，通过轨道基础和隧道结构向周围土介质和地面传播，进而激发沿线敏感建筑物基础振动，使敏感建筑物室内因结构振动而产生结构噪声。相关研究分析了地铁列车运行对周围环境产生的振动和噪声影响及其控制措施[5-7]；通过数值模拟方法探讨地铁列车运行引起沿线建筑物振动与结构噪声的分布规律[8-10]；并对二者相关性进行了分析和实测研究[11-12]。也有学者提出了地铁列车运行引起的室内振动与结构噪声之间的经验预测公式[13-15]，分析和探讨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[16-19]。

截至2016年底，北京市城市地下轨道交通运营总里程已超过560 km，基本实现了北京市重点功能街区与交通枢纽的便捷联系。但随着城市地下轨道交通在我国各大中城市的快速发展，地铁列车运行带来的室内振动与结构噪声问题日益突出，地铁沿线居民针对地铁运行引起的振动和结构噪声的投诉也日益增多，其引发的相关环境问题也日益受到人们的广泛关注。

针对地铁列车运行引起的沿线敏感建筑物室内结构噪声带来的环境问题，目前缺少统一明确的国家标准监测方法与评价量。为了解地铁列车运行引起室内结构噪声的污染状况与特征，探讨室内结构噪声监测、评价及其相关标准问题，笔者结合HJ 793—2016《城市轨道交通(地下段)结构噪声监测方法》、GB 22337—2008《社会生活环境噪声排放标准》与JGJT 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》[20-22]，以北京市为例，开展了针对地铁列车运行引起建筑室内结构噪声的监测与评价实测研究，探索准确监测与评价地铁列车运行引起的沿线敏感建筑物室内结构噪声方法，确定地铁列车运行引起的建筑室内结构噪声污染特征及其影响因素，以合理评估地铁列车运行对沿线敏感建筑物与居民生活的影响，以期为针对性地采取治理措施提供技术依据，并为相关管理部门治理决策提供相应的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 测点信息

研究涉及北京市2条不同隧道埋深的地铁线路(地铁A线和地铁B线)，各线路按与地铁外轨中心线垂直上方的不同水平距离、不同建筑结构特性及不同楼层各选取3个测点，共6个测点。地铁A线的测点F1、F5为与地铁外轨中心线垂直上方20～30 m水平距离的一幢5层4单元砖混结构楼房同侧同结构的1层与5层卧室内；测点PF-A为与地铁外轨中心线垂直上方50～60 m水平距离，与F1、F5所在楼房水平距离约50 m的普通平房内。地铁B线的测点B1、B2为与地铁外轨中心线垂直上方10～20 m水平距离的一幢12层4单元钢筋混凝土结构楼房同侧不同结构的地下1层与地下2层室内；测点PF-B为与地铁外轨中心线垂直上方10～20 m水平距离，与B1、B2所在楼房水平距离约20 m的普通平房内。各数据采集测点及位置信息见表1。

表1 室内结构噪声测点信息

注：地铁最高设计时速为80 kmh；标准轨道宽为1 435 mm；B型车6节编组；直流750 V第三轨供电。

1.2 监测方法

依据GB 3096—2008《声环境质量标准》测量铁路交通噪声的技术要求[23]，以HJ 793—2016方法获取地铁列车运行引起的建筑室内结构噪声事件，结合GB 22337—2008与JGJT 170—2009，针对地铁列车运行引起沿线敏感建筑室内结构噪声测量与评价方法要求，利用丹麦B&K公司的TYPE2250型噪声测量仪，于2014年7、8月对北京市地铁A线、B线选取的6个测点进行实时测量，采集12.5～20 kHz频率内13倍频程各中心频率的声压级随测量时间变化的时间历程数据。

同一地铁线路3个测点同时测量，连续测量1 h，采样频率为1组s。

1.3 室内结构噪声测量及其相关技术要求

根据我国建筑室内结构噪声监测与评价相关标准要求，测量时室内噪声监测的测点一般选择在卧室或客厅进行，且布设在靠近房间中央，距离任一反射面1 m以上、距地面1.2 m、距外窗1 m以上，窗户关闭状态下测量。同时关闭被测房间内其他可能干扰测量的声源，如电视机、电冰箱、空调机、排风扇以及镇流器较响的日光灯、运转时出声的时钟等。

测量前后现场进行声学校准，其前后校准示值偏差小于0.5 dB，否则测量结果无效。

1.4 室内结构噪声测量数据记录与处理

为数据分析的需要，结合GB 22337—2008和JGJT 170—2009对地铁列车运行引起建筑室内结构噪声评价要求，按照HJ 793—2016方法获取地铁列车事件并计算该次列车通过时的13倍频程各中心频率能量平均声压级、200 Hz以下低频部分等效A声级(LAeq200)，12.5～20 kHz频率的等效A声级(LAeq20 k)，以及测量时间段内扣除地铁列车通过时段作为背景的13倍频程各中心频率能量平均声压级、LAeq200、LAeq20 k。

Leq,i=10×lg(1

(1)

式中：Leq,i为第i个中心频率上测量时间T内的能量平均声压级，dB；Li为第i个中心频率上t时刻次的声压级，dB；N为规定的测量时间段T内采样的总数。

LAeq200、LAeq20 k的计算公式为：

(2)

式中：LAeq为测量时间T内的等效A声级，dB；Wa,i为第i个中心频率上的A声级计权因子，dB；n为需要进行计权的中心频率个数。

Pi=100.05×Leq,i×P0

(3)

式中：Pi为第i个中心频率上的声压，Pa；P0为基准声压，取值为2×10-5Pa。

Lk=10×lg(100.1×Li-1+100.1×Li+100.1×Li+1)

(4)

2 结果与讨论

2.1 建筑室内结构噪声频率特征

图1 列车通过时F1的13倍频程结构噪声实测结果Fig.1 Measured results of ground-borne noise level at the 13 octave band in F1

依据地铁列车运行时刻调查和通过每次列车引起室内结构噪声能量变化数据分析，北京市地铁列车运行密度基本上为2～4 min列，每次列车通过测点时的噪声事件持续时间一般为10～15 s。得到所有通过测点的单次近轨列车或远轨列车的13倍频程中心频率能量平均声压级，再分别按式(1)计算出近轨列车与远轨列车各中心频率的能量平均声压级，并计算出测量时间段内扣除地铁列车通过时段的13倍频程各中心频率能量平均声压级作为背景值。图2为地铁A线3个测点测量时间段内近轨列车、远轨列车结构噪声及背景噪声13倍频程中心频率能量平均声压级的实测结果。

图2 地铁A线列车通过时各测点13倍频程结构噪声实测结果Fig.2 Measured results of ground-borne noise level at the 13 octave band in measurement points of subway line A

从图2可看出，在地铁列车通过时，F5与F1结构噪声在40 Hz中心频率处均出现大小2个峰值，且与背景噪声声压级相差25～38 dB，其特征频率均为40 Hz；F5与F1相同，近轨列车与远轨列车在特征频率处能量差异明显并略有放大。但在距地铁外轨中心线水平距离较远的PF-A只监测到了近轨列车引起的室内结构噪声，其列车结构噪声在31.5和40 Hz处出现了数值相近的最大声压级和峰值，与背景噪声声压级均相差25 dB左右，故其特征频率为31.5和40 Hz。

图3 地铁B线列车通过时各测点13倍频程结构噪声实测结果Fig.3 Measured results of ground-borne noise level at the 13 octave band in measurement points of subway line B

图3为地铁B线3个测点测量时间段内近轨列车、远轨列车结构噪声及背景噪声13倍频程中心频率能量平均声压级的实测结果。由图3可知，B2近轨与远轨列车结构噪声均在50和100 Hz中心频率处均出现峰值，且其声压级较背景声压级均高15～19 dB，因此其特征频率为50 Hz和100 Hz；B1列车结构噪声在40 Hz中心频率处出现峰值，其声压级较背景声压级高20 dB左右，20 Hz处虽出现了峰值但与背景声压级相近，故其特征频率为40 Hz；而PF-B列车结构噪声在31.5和63 Hz中心频率处声压级增量明显，达10～16 dB，且出现了明显峰值，故其特征频率为31.5和63 Hz。

地铁A线、地铁B线的6个测点的特征频率不尽相同，特征频率为31.5～100 Hz，以40 Hz为主，其可能与地铁的水平距离、地铁隧道埋深、建筑物特征、地基地质等条件有关。张中平等[19]认为地铁结构噪声特征频率为63 Hz，Walker等[3]认为峰值一般出现在50～80 Hz，均与本研究相似。

2.2 建筑室内结构噪声频率分布

按式(3)计算6个测点的远轨、近轨列车结构噪声及其背景噪声的13倍频程各中心频率平均声压，将列车通过时的各中心频率平均声压扣除背景噪声的平均声压，即得到列车通过时13倍频程中心频率平均声压(能量)增加值。

图4为地铁A线列车通过时中心频率声压增量贡献率实测结果。由图4可知，地铁A线列车通过时13倍频程中心频率的能量增加主要集中在200 Hz以下频段。F5远轨列车通过时200 Hz以下频率能量增加贡献率最低，但仍然高达94%左右，其他近轨、远轨列车通过测点时，200 Hz以下频率贡献率则都在99%以上。同时发现声压增加量贡献最大的频率为31.5和40 Hz的特征频率处。

图4 地铁A线列车通过时13倍频程中心频率能量增量的贡献率Fig.4 Measured cumulative contribution rate of energy increment level at the 13 octave band in subway line A

图5 地铁B线列车通过时13倍频程中心频率能量增量的贡献率Fig.5 Measured cumulative contribution rate of energy increment level at the 13 octave band in subway line B

综上可见，地铁列车运行引起的建筑室内结构噪声主要以200 Hz以下低频噪声为主，其能量增加贡献率均在82%以上，而高频部分则贡献有限。Walker等[3，18]认为地铁列车运行引起室内二次辐射噪声的主要频段为16～200和16～250 Hz，与本研究的结论基本一致。因此，JGJT 170—2009要求二次辐射噪声以200 Hz以下低频噪声作为结构噪声评价的频率范围符合地铁列车运行引起建筑室内结构噪声的特点。

2.3 建筑室内结构噪声的影响分析

图6 地铁A线列车通过时13倍频程中心频率能量累积增量Fig.6 Measured cumulative energy increment level at the 13 octave band in subway line A

从图6还可看出，F5近轨列车引起室内结构噪声的平均声压总增加量显著高于F1近轨列车的影响，二者相差达65 mPa；而F5远轨列车引起的平均声压总增加量稍高于F1远轨列车的影响，二者相差仅6 mPa。与地铁A线外轨中心线垂直上方的水平距离相同的测点F1、F5，楼层越高，结构噪声声压能量增加越大，可见低矮的砖混结构楼房对于地铁引起室内结构噪声随楼层往上具有一定的放大作用。

另外发现，地铁A线的PF-A只监测到了近轨列车引起的室内结构噪声，说明地铁隧道埋深较浅的地铁A线远轨对该建筑室内结构噪声影响有限，该测点距远轨中心线的水平距离约80 m，且有近轨隧道的衰减作用。

研究表明，PF-A近轨列车引起的室内结构噪声平均声压总增加量显著高于距地铁A线水平距离约近30 m的F1近轨列车的影响，二者相差95 mPa，比具有放大作用的F5近轨列车高30 mPa，因此建筑物的体量大小对于地铁引起室内结构噪声来说，比距地铁的水平距离具有更大的衰减作用。

图7 地铁B线列车通过时13倍频程中心频率能量累积增量Fig.7 Measured cumulative energy increment level at the 13 octave band in subway line B

从图6和图7可看出，PF-A近轨声压能量增加值是PF-B近轨和远轨声压能量增量的4.1～4.6倍。虽然PF-A与地铁外轨垂直上方的水平距离较PF-B远40～50 m，但PF-A地铁隧道埋深比PF-B浅约10 m，而地铁隧道埋深越深，对建筑物振动影响越小[7,24]，在地铁列车等相关状况大致相当的情况下，相对于距地铁的水平距离来说，可能地铁隧道埋深对地铁引起建筑室内结构噪声水平具有更显著的衰减作用。

2.4 建筑室内结构噪声的评价

2.4.1 等效A声级的评价分析

将各测点的近轨列车结构噪声、远轨列车结构噪声和背景噪声13倍频程中心频率能量平均声压级，按式(2)分别计算LAeq200和LAeq20 k，并按照HJ 706—2014《环境噪声监测技术规范 噪声测量值修正》[25]规定的噪声监测技术规范要求分别对测量值进行背景修正。

图8为地铁列车通过各测点时，实测的LAeq200、LAeq20 k与GB 22337—2008和JGJT 170—2009限值标准的比较。从图8可以看出，测点近80%的地铁列车引起的建筑室内结构噪声LAeq20 k与背景噪声相差小于3 dB，不满足噪声监测值修正要求，可见LAeq20 k易受到背景噪声的干扰和影响，而LAeq200均满足HJ 706—2014修正要求。

图8 地铁列车通过时LAeq20 k和LAeq200实测结果Fig.8 Comparision of measured LAeq20 k and LAeq200 during subway pass

研究表明，所有测点LAeq20 k均满足GB 22337—2008中2、3、4类区域A类房间的昼间限值标准(45 dB)，但只有2个测点(F1和PF-B)LAeq20 k满足GB 22337—2008中2、3、4类区域A类房间的夜间限值标准(35 dB)。而LAeq200均满足JGJT 170—2009中2类区域的昼间限值标准(41 dB)，除F5近轨、PF-A近轨与B2的列车结构噪声LAeq200为36.7～39.1 dB，其他测点均低于35 dB。

从图8可以看出，F5近轨与B2近轨LAeq200的实测值、背景值和修正值大致相当，但与现场实测的实际感受存在明显差距。实测时，F5近轨列车通过时振感强烈，房屋窗户产生明显晃动，其引起的建筑室内结构噪声比B2近轨感觉要大得多，并与图6和图7中能量增量实测结果差距明显，F5近轨声压能量增加123 mPa，是B2近轨声压增加量的2.6倍。其原因是F5近轨声压能量增加的近90%在40 Hz以下，因其特征频率为40 Hz；而B2近轨声压增量只有小于15%在40 Hz以下，因其特征频率为50和100 Hz。A计权声级频率越低，对低频声压级的消减作用越大。可见，LAeq200与声压在200 Hz以下低频部分的能量分布及A计权声级对低频段声压级的消减差异有关。

地铁A线LAeq200的顺序为F5近轨>PF-A近轨>F1近轨>F5远轨>F1远轨。与图6声压增量的顺序比较，只有F5近轨与PF-A近轨易位，原因可能是PF-A近轨在特征频率31.5和40 Hz处声压增量相当，而F5近轨只在特征频率40 Hz处声压增量明显，进一步说明LAeq200A计权声级对低频声压级消减作用更明显，与声压在200 Hz以下低频部分的能量分布不同有关。

研究表明，LAeq200虽然是针对200 Hz以下低频部分噪声，但地铁列车结构噪声在200 Hz以下低频部分的能量分布差异，以及A计权声级对低频段声压级的消减差异，导致LAeq200不能完全客观反映结构噪声的实际影响。

2.4.2 倍频程声压级的评价分析

图9 地铁列车通过时倍频程声压级实测结果Fig.9 Comparision of measured sound pressure level in octave bands during subway pass

从图9可以看出，除B2近轨结构噪声为125 Hz，超限值4.2 dB外，其他测点结构噪声均满足GB 22337—2008中2、3、4类区域A类房间昼间限值。对于GB 22337—2008中2、3、4类区域A类房间夜间限值超标较多：31.5 Hz处，F5近轨超过限值1.6 dB，PF-A近轨超过限值2.1 dB；63 Hz处，地铁A线均达标，地铁B线只有B1测点满足限值要求，B2近轨超4.6 dB，B2远轨超3 dB，PF-B近轨超2 dB，PF-B远轨超1 dB；125 Hz处，B2近轨超13.2 dB，B2远轨超8.4 dB；250 Hz处，F5测点、B1测点与B2测点超1～6 dB，F1、PF-A、PF-B测点满足限值要求；500 Hz处，F5测点、PF-A近轨测点、B1与B2测点超1～7 dB，F1、PF-B测点满足限值要求。总之，倍频程声压级限值与监测时的实际感受存在差异，在100 Hz以下限值较松，而在100 Hz以上限值略严。

地铁列车运行引起建筑室内结构噪声的特征频率为31.5～100 Hz，在特征频率处，声压能量增加明显，而人体对于100 Hz以下频率较敏感，因该频率范围与人体脏器频率一致，与人体健康和身体感受显著相关，因此对地铁列车运行引起建筑室内振动与结构噪声污染的治理与评价，应着重加强对100 Hz以下低频部分噪声的监测评价与控制。

3 结论与建议

(1)地铁列车运行引起建筑室内结构噪声，主要以12.5～200 Hz低频噪声为主，该频率范围内地铁造成的声压增量贡献率在82%以上。GB 22337—2008以LAeq20 k作为结构噪声的评价指标，不适合专门针对地铁低频结构噪声的评价。

(2)地铁列车运行引起建筑室内结构噪声的特征频率为31.5～100 Hz，以40 Hz为主，并在特征频率处声压级出现峰值，声压能量增加明显。

(3)实测表明：楼层较少的低矮砖混结构楼房对地铁引起的建筑室内结构噪声随楼层升高具有明显的放大作用，楼层越高室内结构噪声越显著；而楼层较多的高层钢筋混凝土结构则对地铁引起的建筑室内结构噪声随楼层升高具有一定的衰减作用。

(4)地铁隧道埋深和建筑物体量的大小对临近地铁建筑室内结构噪声及其居住环境的影响与地铁外轨中心线垂直上方水平距离显著相关。穿越城区的地铁建设宜综合考虑地铁隧道埋深，同时避免穿越低矮楼房或平房区，以合理控制并减少地铁列车运行引起建筑室内结构噪声，及对居住环境的影响。

(6)地铁结构噪声实测结果表明：倍频带声压级限值在100 Hz以下较松，而在100 Hz以上略严，地铁列车运行噪声污染的治理与评价应着重加强对100 Hz以下低频部分噪声的监测评价与控制。

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Characteristics and evaluation of building indoor ground-borne noise pollution induced by subway in Beijing

HU Yueqi1，2, LIU Qian1，2, WANG Zheng1，2, JIANG Tao1，2, KONG Chuan1，2, ZHANG Hu1，2, WU Xiaodong1，2
1.Beijing Municipal Environmental Protection Monitoring Center, Beijing 100048, China 2.Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing 100048, China

Combined withMeasurementmethodofground-bornenoisearisingfromurbanrailtransit(underground) (HJ 793-2016),Emissionstandardforcommunitynoise(GB 22337-2008) andStandardforlimitandmeasuringmethodofbuildingvibrationandsecondarynoisecausedbyurbanrailtransit(JGJT 170-2009), usingLAeq200,LAeq20 kand sound pressure level in octave bands as evaluation indexes, the indoor ground-borne noise induced by subway in the nearby buildings was monitored and evaluated, with an experimental study in Beijing. The results showed that the frequency range of building indoor ground-borne noise caused by subway was 12.5-200 Hz in Beijing, andLAeq20 kwas not suitable for the evaluation of low frequency ground-borne noise induced by subway. The characteristics frequency of indoor ground-borne noise of the two subway lines in Beijing was 31.5, 40, 50, 63 and 100 Hz respectively, with 40 Hz as the main frequency. The sound pressure increment on the characteristic frequency was obvious during subway pass, which was the characteristic of subway ground-borne noise pollution. The measured results showed that due to the difference of the energy distribution in the lower part of the subway ground-borne noise below 200 Hz, as well as the difference of A-weighted reduction to low frequency sound pressure level, theLAeq200evaluation results could not objectively reflect the actual effect of subway ground-borne noise. The low-rise buildings had amplification effect on ground-borne noise induced by subway, but the high-rise buildings had certain attenuation. Compared with horizontal distance, the weight of the building and the depth of subway tunnel had a significant effect on the ground-borne noise attenuation. The depth of subway tunnel in subway construction should be considered especially, and the subway should avoid through the low-rise buildings and cottage area in order to control the ground-borne noise pollution.

ground-borne noise; monitoring and evaluation; 13 octave band; characteristic frequencies; Beijing

2017-02-07

国家环境保护标准制修订项目(2014-24)

胡月琪(1971—)，男，高级工程师，主要研究方向为环境与污染源监测研究，huyueqi@bjmemc.com.cn

X593

1674-991X(2017)05-0606-09

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.084

胡月琪，刘倩，王铮,等.北京市地铁列车运行引起的建筑室内结构噪声污染特征与评价[J].环境工程技术学报,2017,7(5):606-614.

HU Y Q, LIU Q, WANG Z, et al.Characteristics and evaluation of building indoor ground-borne noise pollution induced by subway in Beijing[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(5):606-614.