地铁车站地面站厅层振动与噪声试验分析

周凌宇，李龙祥，肖双江，苏湘祁

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 长沙轨道交通运营有限公司，湖南 长沙 410000)

地铁车站进行物业综合开发，充分利用其商业价值，不仅可以为地铁建设提供巨大的资金，弥补地铁建设、运营的资金缺口，使地铁步入建设、运营、再建设的良性循环，也是节约土地资源、提高土地使用率、提高社会效益的重要措施，具有广阔的应用前景。据不完全统计，目前国内已经有北京、上海、广州、深圳、杭州、长沙等城市在地铁工程建设中规划和实施地铁车站物业综合开发和建设[1]。但是，地铁车站来往频繁的列车运行产生振动激励，经由轨道、地基、传播至站厅层中办公区，容易给在上部结构中的工作人员带来不适感，影响工作环境质量与人体健康。我国某城市地铁车辆段的现场试验结果表明，当列车以15~20 km/h的速度通过时，其正上方住宅楼的振动响应高达85 dB[1]。国内外学者对地铁振动对周边建筑物的影响、评价及其控制进行了大量的研究并取得了丰富的研究成果[2]，但是关于地铁列车运行引发的车站结构，特别是“站房合一”的建筑结构(底层为车站站厅，上层用于办公或居住)的振动与噪声影响规律的研究还十分缺乏，目前暂无具体针对此类“站房合一”建筑的振动与噪声的标准与规范，导致对车站站厅用于物业开发的减振降噪设计无据可依。本文基于某地铁车站列车运行诱发的振动与噪声实测，通过时域分析，对列车运行引发车站结构的振动与噪声进行评价，并为地面站厅层物业开发提出合理有效的减振降噪措施，并为未来相关规范的出台提供试验依据。

1 试验概况

1.1 车站概况

试验现场设在某地铁站，本站为地下1层(地面站厅段设备夹层)岛式车站，车站总长339.355 m，有效站台宽度为11 m。车站西端接明挖区间，东端接出入线段，并预留远期明挖区间延伸条件。该站地上商业设备用房总长59.42 m，宽9 m。与车站预留通道口联通。其中地面站厅层部分将用作长沙轨道交通集团办公使用，并改造两间办公用房进行减振降噪试用。改造后的办公室的振动与噪声测试为本次检测的重点。

1.2 仪器选用与测点布置

本次测试采用INV3060V型智能信号采集处理分析仪、941B型拾振器、DASP数据采集和分析软件进行信号采集和记录，采样频率为410 Hz；车站噪声等级的测量通过 GM1356型在线式数字噪音计，采样频率0.5 Hz。所有仪器在试验前均已进行标定。试验列车荷载长沙地铁2号线上B型列车，编组为6组，总长120 m。列车以80 km/h的速度减速进站停止。每个振动测点记录 23次列车通过车站时的数据，每个噪声测点测量记录连续20 min的瞬时A声级。根据数据波形完整、外部环境干扰与否的原则，选取 20个有效车次进行时域分析、频域分析、1/3倍频程振动加速度级分析和振级分析。

地面站厅层拾振器置于车站站厅地面振动敏感处，共选取7个测点，S1~S7。其中S1和S2测点分别位于将做装修试用的办公室房间中部；S3~S7测点根据柱网和轨道走向以及其相对于站厅层的位置布置，其中S3测点位于房间楼板中部，且刚好位于左侧轨道中心线的正上方；S4~S6测点距离框架柱0.3 m，即在梁柱板的结合处；S7测点位于轴线C上且在梁跨中位置。振动测点均布置于楼板中部、梁柱板梁结合处、等振动传播路径的敏感地带。选取的测点数量及位置能较好地反映站厅层的振动敏感性。其中S1，S2和S43个测点放置X，Y和Z 3个方向的拾振器(X方向平行列车运行方向，Y方向垂直列车运行方向，Z为竖直方向)，其余测点仅放置Z方向的拾振器。车站地面站厅层暂时未投入使用，其面积较大，相对开阔，故将该区域均匀划分13个小区域，每个小区域1个噪声测点；2个装饰后的办公室内各1个测点。每个测点连续测量20 min的瞬时A声级。站厅测点布置如图1所示。

图1 地面站厅测点布置图Fig. 1 Test point arrangement in overground station hall

2 试验结果评价与减振降噪分析

2.1 振动与噪声的评价方法与标准

我国适用于列车运行引起的环境振动的标准有《GB 10070—88城市区域环境振动标准》、《JGJ/T 170—2009城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其方法测量标准》、《GB 50868—2013建筑工程容许振动标准》以及《GB/T 50355—2005住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》。各标准对振动评价量选取稍有不同；有关环境噪声的规范主要有《GB 3096—2008声环境质量标准》。本文主要基于《GB 10070—88》、《JGJ/T 170—2009》以及《GB 3096—2008》3个标准对车站地面站厅层的振动舒适度以及环境噪声等级进行评价，其他规范与此3个规范内容是相协调的，对本次评价仅作参考。评价方法和评价量的计算流程如图2所示。其中式(1)取自《GB 10070—88》中的竖向振动加速度级计算公式：

式中：a为实测或计算的振动加速度有效值；a0为基准加速度， a0= 1 0-6m/s2。

式(2)和式(3)分别取自《JGJ/T 170—2009》和《GB 50868—2013》中的采用1/3倍频程带宽计权得到的计权振动加速度级。计权振动加速度计算公式分别如下：

式中：VL为振动计权加速度级(dB)；VALi为第i个中心频率上的振动加速度级；ai为该频率上的计权因子，不同规范取值不同。

式(4)取自《GB 3096—2008》中等效声级计算式：

式中：LA为t时刻的瞬时A声级；T为规定的测量时间。

该站用于物业开发的地面站厅层中部分做办公使用，根据此使用环境仅考虑昼间情况，不同规范对振动和噪声的限值见表1。

表1 规范中的振动限值Table 1 Limiting value of vibration in standard

2.2 振动与噪声评价

2.2.1 背景振动

图 3为站厅在上行和下行列车通过车站时 S2测点的完整加速度时程曲线，图3中240 s之后时段为背景振动加速度时程曲线，其余各测点的竖向、水平向背景振动加速度时程曲线与之类似，限于篇幅不再一一列出。背景竖向振动加速度最大值为 0.002~0.005 m/s2，最大加速度振动级分布在67~73 dB。《GB 10070—88》中对铁路干线两侧文教区环境振动的最大竖向振动加速度级的限值为70 dB。而实际测量值在70 dB左右，主要是因为车站紧邻公路车辆来往频繁且车站外部附近有施工场地作业。背景竖向振动加速度最大值为 0.002~0.005 m/s2，最大加速度振动级分布在 67~73 dB。《GB 10070—88》中对铁路干线两侧文教区环境振动的最大竖向振动加速度级的限值为70 dB。而实际测量值在70 dB左右，主要是因为车站紧邻公路车辆来往频繁且车站外部附近有施工场地作业。

图2 评价方法及评价量的计算流程Fig. 2 Evaluation methods and computational flow of evaluation quantities

采用1/3倍频程分析法计算得到的地面站厅层在车站无列车通过时段内的平均振动级则为45~53 dB，能满足所有规范要求。

图3 地面站厅层竖向振动加速度时程曲线Fig. 3 Time-history curve of vibration acceleration in vertical direction of over ground station hall

2.2.2 原结构振动测试分析

站厅各测点的最大振动加速度级列于表2，其计算流程见图2中虚线部分，取《GB 10070—88》按铁路线路两侧的文教区确定的竖向振动限值70 dB。

由表2的比较可得：竖向最大振动加速度明显大于水平最大振动加速度，竖向振动比水平振动大约10 dB；各规范中没有水平方向的最大振动限值，各测点竖向最大振动加速度级超出规范限值 19.6~35.7 dB，可见地面站厅层内各点振动均严重超标，其内工作人员会感觉极不舒适；位于房间中部的S1~S3测点位置处的振动比其他位于柱跟或梁跨中位置处的振动略大。由于S3号测点位于房间中部，此处楼板结构刚度较小，正好位于列车上行线路中心的上方，且该站为地铁2号线的终点站，站厅下方的轨道为曲线(将与下行线并轨用以掉头)，轮轨接触的振动必定会比直线段的振动大。同时列车经过该测点时车速已经提高，因此振动级会比较大。

由于轨道交通振动的间期性和长期性，我国现行的相关环境振动标准多采用以计权加速度均方根为基础的基本评价方法评估振动对人体舒适性的影响。该站列车运行的周期约6 min，因此本次试验采集以6 min为一个时间间隔，共选取20次有效值，按不同规范的1/3倍频程计权法得到各点的平均振动级。图4为各测点Z方向振动级与规范限值比较图。

由图4的比较可知：列车上下运行的一个周期内位于房间中部的S1，S2和S3测点和柱脚处的S4测点的竖向振动级不能满足《JGJ/T 170—2009》要求的65 dB，此规范是对振动要求最为严格的；而按《GB/T 50355—2005》和《GB 50868—2013》计算得到的振动级均能满足相应要求。可见地面站厅原结构的振动并不能满足所有规范要求，因此很有必要做减振处理。

表2 各测点的最大振动加速度级Table 2 Maximum vibration acceleration level of each test point

图4 各测点的竖向振动加速度级与规范限值Fig. 4 Vibration acceleration level of each testpoint in vertical direction and limiting value in standard

图5 地面站厅层内噪声等级与规范限值Fig. 5 Noise level in overground station hall and limiting value in standard

2.2.3 原结构噪声测试分析

原结构地面站厅内各测点的瞬时最大A声级、20 min等效连续A声级以及规范限值比较见图4，由图5的比较可知：地面站厅各点的最大瞬时A声级在69.7~74.3 dB(A)；20 min等效连续A声级在57.6~63.1 dB(A)，均超出规范限值的55 dB(A)。噪声等级较高同样是因为站厅紧邻公路车辆来往频繁且车站附近施工场地的作业影响。办公环境对噪声等级要求较高，因此必须对办公位置做降噪处理。

2.3 减振降噪分析

2.3.1 减振降噪措施

对于地铁车站，影响结构振动的因素主要有列车速度、机车类型、隧道基础和衬砌结构类型、轨道类型、是否有隔振措施等，因此地铁车站最常见的减振措施为采用弹性短轨枕、特殊扣件、橡胶浮置板道床、在结构柱下承台周围设置粗砂隔振沟或车站主体结构中设置隔振措施等。

由于该站已经建成且部分已投入使用，以上针对振动源头的减振降噪措施已不可能采用。本次地面站厅层办公室的减振降噪改造主要采用“房中房”的隔离措施阻断地面站厅层的振动接受通道。本次改造的主要措施有：1)从地面楼板向上依次铺设11 mm厚吸音板双层、12 mm厚减振垫1层、40 mm厚带钢丝网水泥砂浆找平层，以减小接触刚度增大上部质量。2)柱体用双层10 mm厚隔振垫包裹，墙体与柱螺栓节点孔内用橡胶膨胀套隔振，节点板上下各垫30 mm和10 mm厚橡胶减振垫圈。3)办公室隔墙采用轻质减振龙骨架与柱墙节点通过橡胶垫圈连接。4)隔墙内置75 mm厚吸音棉，室内表面黏贴10 mm厚吸音棉做美化装饰墙面。

2.3.2 减振降噪效果分析

在改造后试用的办公室原位处再次做振动与噪声测试，原结构与改造后结构测试结果对比见表3和表4。表中1S′和2S′表示减振降噪改造后办公室同位置测点编号。

由表3可得：做了减振降噪装修的办公室内的测点1S′和2S′位置的 Z方向最大振动加速度级比原结构振动减小约13 dB，相比于规范限值70 dB仍超标27%；水平向最大振动加速度级比原结构振动减小约10 dB。

由表4可得：改造后结构在列车运行间隔周期内的平均计权振动级均比原结构振动小。但是按照《JGJ/T 170—2009》计算得到的振动级仍不能满足要求。可见减振措施对地面站厅层的减振动有一定作用，但并没有达到规范要求。

表3 各测点最大振动加速度级对比Table 3 Comparison of maximal vibration acceleration level of each test point

表4 各测点竖向平均振动级对比Table 4 Comparison of average vibration level in vertical direction of each test point

表 5为办公室位置改造前后的噪声等级比较表，由表5中的比较可得：改造后办公室内的等效声级均能满足规范要求的55 dB，比装修改造前的噪声等级降低约10 dB；且做精装修的2号办公室比做普通装修的1号办公室噪声等级小3.3 dB。可见降噪措施对降低站厅内噪声等级效果明显。

表5 办公室内噪声等级对比Table 5 Comparison of noise level of the office

3 结论

1) 地铁车站地面站厅层在列车经过车站时，具有较强的水平振动和竖向振动，楼层的水平振动明显小于竖向振动；且最大值出现在地面站厅层的楼层开间较大房间的中部，其竖向振动级较柱脚和框架梁跨中的振动级大约10 dB。

2) 试用办公室在底部加设减振垫，在节点处加设橡胶垫等处理后，平均振动级降低明显，满足规范要求。对于地铁车站地面站厅层中部分区域用于办公场地的改造，此种“房中房”的减振措施效果明显。但是同位置处的最大振动加速度振动级仍不能满足规范要求。可见，地铁站厅的后期减振并不太理想，因此，在地铁建设时需要从振动的源头在建设初期全面考虑日后运营时的振动问题。

3) 车站地面站厅层试用办公室的加设吸音棉等降噪措施效果明显，改造后的办公室内噪声等级完全满足规范要求。

4) 目前暂无具体针对由于地铁列车运行引起的此类用于综合物业开发的“站房合一”建筑的振动与噪声的标准与规范，导致对车站站厅用于物业开发的减振降噪设计无据可依，因此建议尽快出台相关规范要求。

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