不同标准下地铁列车通过引起的室内振动比较

周兴敏，　王巧燕

(中海环境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0　引　言

随着我国城市化进程的不断加快，城市规模不断扩大，城市人口不断增长，机动车保有量迅速增加，造成了严重的空气污染、能源消耗及交通拥堵等问题。城市轨道交通运输方式具有运输能力大、占地少、能耗小及安全性高等优点，已成为解决城市交通问题的首选方案。世界第一条地下铁道于1863年1月10日在伦敦建成，己有150多年的历史。随后，世界各国都纷纷开始发展轨道交通运输，截至目前，已有超过200个城市拥有轨道交通线路，轨道交通线路总长超过9 000 km。我国自20世纪60年代北京建成第一条地铁线路以来，经过近50年的发展，现已进入轨道交通事业的蓬勃发展时期。轨道交通项目承担了大量的客流运输职责，在城市交通中发挥着重要作用，在公共交通运量中的比重也逐年上升。同时，还促进了沿线土地开发，加快了城市发展，产生了巨大的国民经济效益和社会效益。

尽管轨道交通对城市发展有着巨大贡献，给城市居民的生活带来了方便，但轨道交通运行所引发的振动问题，一直受到人们的关注。城市轨道交通不可避免地会经过一些居民聚集区和重要建筑群，随着交通密度和荷载的不断增加，所引起的振动影响日益显著。除此之外，振动还会影响精密设备和仪器的正常使用，甚至会对建筑物造成损害。

1　地铁引起室内振动原理

地铁列车在运行时由于轮轨间相互作用产生振动，再由轨道基础和隧道等介质传播至地面和沿线建筑物，由此进一步引起建筑物内的门窗和设备等的振动，对沿线地面建筑物产生影响。

地铁列车振动影响建筑物主要可分为3个阶段[1](见图1):

1)振动产生阶段，列车车轮对轨道的冲击产生振动，主要包括运行列车的重力对轨道产生冲击，造成车轮和轨道结构振动；车轮与钢轨之间发生作用产生的作用力，形成车辆与轨道结构振动；轨道不平顺或车轮磨损等随机激励产生的振动；偏心车轮产生的周期性激励振动。

2)振动传播阶段，振动通过轨道基础和隧道向周围土壤和地面建筑传播。

3)振动作用阶段，振动作用在沿线地面建筑物上，诱发建筑结构振动及室内家具等的二次振动和结构噪声，对建筑物内的人群和精密仪器产生影响。

图1　地铁列车振动影响地面建筑物过程

2　现有标准解读

对于地铁列车通过时引起的建筑物室内振动，现行有效的主要标准有《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—1988)[2]、《上海市城市轨道交通(地下段)列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》(DB 31/T 470—2009)[3]和《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》(JGJ/T 170—2009)[4]。

不同标准中，对于轨道交通列车通过时引起的建筑物室内振动的测试要求和评价量不同。其中《城市区域环境振动测量方法》和《上海市城市轨道交通(地下段)列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》中规定室内振动测量应使用全身振动垂向计权，频率范围为1～80 Hz，评价量为Z计权振级最大值VLZmax。测得轨道交通列车通过时引起的建筑物室内振动垂向加速度振级频谱，根据ISO 2631/1—1985[5]中规定的全身振动Z计权因子进行修正。在1～80 Hz范围内各1/3倍频程中心频率计权因子见表1。

表1　ISO 2631/1—1985 Z计权因子

由各1/3倍频程中心频率上的计权加速度振级可计算得计权加速度，再根据式(1)和式(2)得到Z计权振级，式(1)和式(2)为

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：ai为各1/3倍频程中心频率上的计权振动加速度；a0为振动加速度基准值，为10-6m/s2；VLi为各1/3倍频程中心频率上的计权加速度振级。

《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》中规定室内振动应测量铅垂向振动加速度，频率范围为4～200 Hz，评价量为各1/3倍频程中心频率上经Z计权因子[6]修正后的最大振动加速度级，称为分频最大振级VLmax。《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》中规定的4～200 Hz范围内各1/3倍频程中心频率计权因子见表2。

表2　JGJ/T 170—2009中Z计权因子

此外，对于地铁列车通过时引起的室内振动限值，不同标准对于不同功能区域中敏感点的要求有所不同(见表3)。

表3　不同标准中敏感点室内振动标准限值要求　dB

由表3可知，在1类区和2类区的标准上，《城市区域环境振动测量方法》要求较为宽松，《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》中限值最为严格。

试验证明[7]：当振动达到60 dB时，一般人刚刚可以感觉到振动，它并不太会影响人的睡眠；当振动达到65 dB时，会对睡眠有轻微影响；达到69 dB时，轻睡眠的人会被惊醒；达到79 dB后，所有人将被惊醒。所以，对于居民较多的2类区中，夜间振动不应高于69 dB，采用《上海市城市轨道交通(地下段)列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》和《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》中对于2类区的标准限值更符合实际需要。

3　实际案例

为比较不同标准下轨道交通列车通过时引起建筑物室内振动的大小，对上海地铁8号线沿线建筑西藏北路762号进行室内振动测试。测试仪器为AWA 6258环境振动仪，该仪器具有1/3倍频程频谱分析功能。分别测试近远轨列车通过时引起室内振动的时域信号，选取室内振动最大值时刻进行分析，分析频率范围为1～200 Hz。近远轨列车通过时引起的室内振动最大值1/3倍频程频谱及频谱图分别见表4和图2。

表4　近远轨列车通过引起的室内振动最大值频谱

分别根据ISO 2631/1—1985中Z计权曲线和JGJ/T 170—2009中Z计权曲线对近远轨列车通过时引起的建筑物室内振动最大值频谱进行计权分析，得到相应标准中的评价量。最大Z振级VLZmax和分频最大振级的计算结果分别见表5。

图2　近远轨列车通过引起的建筑物室内振动最大值频谱图

振源最大Z振级VLZmax/dB分频最大振级/dB近轨列车69.472.7远轨列车60.662.9

根据计算结果，近远轨列车通过时引起的室内振动分频最大振级VLmax均比最大Z振级VLZmax大，两者差值分别为3.3 dB和2.3 dB。由于列车运行引起的室内振动能量主要集中在40～80 Hz，两种Z计权因子在40～80 Hz中心频率上的差值为3 dB或4 dB。由于分频最大振级VLmax为单个频率上的最大振级，最大Z振级VLZmax为1～80 Hz整个频带上振动能量的总和，所以两者之间的差值一般会小于40～80 Hz中心频率上计权因子的差值，一般为2～4 dB。

4　标准限值对比分析

敏感点西藏北路762号中在3种标准中室内振动限值均执行昼间75 dB，夜间72 dB。根据3种标准，近远轨列车通过时引起的室内振动达标情况见表6。

表6　不同标准下近远轨列车引起室内振动达标情况

该敏感点处居民普遍反应列车经过时引起的室内振动较大，对居民的正常生活产生了一定的影响。若根据测试结果，参考《城市区域环境振动测量方法》和《上海市城市轨道交通(地下段)列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》，室内振动均能达标，与居民实际感受不符。这主要是由于这两个标准中最大Z振级VLZmax参考的是ISO 2631/1—1985计权曲线，该曲线计权值主要是基于等感曲线及当时采用的“疲劳-熟练度降低限”曲线来提出的。而《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》中分频最大振级参考的是ISO 2631/1—1997计权曲线，该计权曲线充分考虑了振动对人体健康、感觉、舒适度和运动病等诸多方面的因素，更加注重人的感受。随着ISO 2631/1—1997计权曲线的提出，已取代ISO 2631/1—1985计权曲线。

5　结　语

地铁列车通过时引起的建筑物室内振动能量主要集中在40～80 Hz，根据《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》得到的分频最大振级VLmax比《城市区域环境振动测量方法》和《上海市城市轨道交通(地下段)列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》中所规定的最大Z振级VLZmax一般会大2～4 dB。

由于《城市轨道交通引起建筑物室内振动限值及其测量方法》中对振动的计权方式已取代另外两个标准中计权曲线，又更加注重人的主观感受，且其规定的各功能区室内振动标准限值较为合理，在实际测试地铁列车振动引起室内振动时，使用该标准进行测试更加合理。