轨道交通地下段的二次结构噪声预测

李晓东，王亚晨，王巧燕，寇英卫，刘昊旻

(中海环境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

地铁二次结构噪声的诱导因素较为复杂，与影响地铁列车振动传播的诸多因素有关，而地铁环境振动又是横波、纵波和表面波综合作用下的复杂波动现象，其振动机理和传播形态受多种因素的影响。影响地铁列车振动传播的因素包括车辆条件、轨道线路状况、地质条件、隧道埋深和建筑物特性等。建筑物内由地铁引起的振动与建筑物二次结构的特征频率有对应关系，地铁运行引起的建筑物二次结构噪声频率范围一般在16～200 Hz，峰值一般出现在50～80 Hz频段[1-2]。由于二次结构噪声主要为低频噪声，很容易使人的身体产生不适感[3]。

二次结构噪声可借助振动-声学数值模型进行预测评估[4]。纪纲等[5]提出了几种用来计算二次结构噪声特征值的边界元分析方法。KURZWEIL[6]采用边界元法与现场实测相结合的方法研究了建筑物内的二次结构噪声，发现二次结构噪声的声压级幅值与振动速度级幅值有关；同时，基于地铁周边建筑物内二次结构噪声与振动的大量实测数据，提出了室内倍频带声压级与室内地铁倍频带振动加速度级和倍频带中心频率的经验公式，用于对地铁周边建筑物内的二次结构噪声进行预测。FIALA等[7]、ATALLA等[8]和康波[9]研究认为，房间尺寸、室内吸声系数、列车运行速度和轨道形式等都会对室内二次结构噪声产生很大影响。辜小安等[10]结合轨道交通的实际情况，提出了敏感建筑物内二次结构噪声的预测公式。

由于上述二次结构噪声预测方法很难在环境影响评价中实施，因此2018年生态环境部在《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ 453—2018)中给出了室内二次结构噪声的预测公式，目前已在环评单位得到广泛应用。鉴于该导则给出的预测公式存在一些不确定参数，易导致环评单位在使用过程中遇到一定的困难，本文给出相应的解决方法。

1 二次结构噪声执行标准

1.1 国家标准

二次结构噪声执行标准通常参照《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/170—2009)，该标准给出了0～4类不同噪声功能区对应的标准限值要求，其中监测方面的规定如下。

1) 测量频率：16～200 Hz。

2) 测量量：等效连续A声级。

3) 时间要求：昼间选择高峰时段，夜间时段内通过的列车应不少于5列，测量时间不少于1 h。

1.2 地方标准

2009年，上海市发布了《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》(DB31/T 470—2009)。该标准针对《上海市环境噪声标准适用区划》中提到的1～4类声功能区内的住宅，分别给出了相应的限值要求，规定在夜间要同时满足夜间时段等效声级和最大声级的控制要求，监测方面的规定如下。

1) 测量频率：20～20 000 Hz。

2) 测量量：昼间/夜间等效声级和夜间最大声级。

3) 时间要求：测量列车运行时段的等效声级，测量时间不小于20 min，必要时应测量1 h，测量最大值时应不少于5列车通过。

1.3 2个标准的区别

上述2个标准在应用时除了标准值有所不同以外，还有以下区别：

1) 规定的频率范围不同，JGJ/170—2009规定的频率范围为16～200 Hz，而DB31/T 470—2009规定的频率范围为20～20 000 Hz；

2) 等效值对应的意义不用，JGJ/170—2009的等效值为列车通过时段内的等效声级，而DB31/T 470—2009的等效值为测量时段(通常为20 min或1 h)内的等效声级，即该值将列车的影响平均到整个测量时段，在相同情况下，前者的测量值明显大于后者。

2 二次结构噪声预测

2.1 预测模式

对于混凝土楼板而言，根据HJ 453—2018，单列车通过时段建筑物内二次结构噪声空间最大1/3倍频程声压级LP,i(16～200 Hz)的计算式为

LP,i=Lvmid,i-22

(1)

式(1)中：LP,i为单列车通过时段建筑物内空间最大1/3倍频程声压级(16～200 Hz)，dB；Lvmid,i为单列车通过时段建筑物内楼板中央垂向1/3倍频程振动速度级(16～200 Hz)，dB，参考振动速度基准值为1×10-9m/s；i为第i个1/3倍频程，i=1～12。

式(1)适用于高度约2.8 m、混响时间约0.8 s的一般装修的房间(面积为10～12 m2)。若偏离该条件，则LP,i的计算式为

LP,i=Lvmid,i+10lgσ-10lgH-20+10lgT60

(2)

式(2)中：Lvmid,i为单列车通过时段建筑物内楼板中央垂向1/3倍频程振动速度级(16～200 Hz)，dB，参考振动速度基准值为1×10-9m/s；i为第i个1/3倍频程，i=1～12；σ为声辐射效率，在通常建筑物楼板振动主要频率时，σ可近似取1；H为房间平均高度，m；T60为室内混响时间，s。

2.2 预测常见的问题

结合上述标准和预测公式，在预测过程中常见的问题有：

1) 二次结构噪声与振动速度有关，而导则只给出了振动加速度级的预测方法，振动速度级如何计算没有明确。

2) 按导则所给预测公式预测的二次结构噪声是列车通过时段的噪声，而非DB31/T 470—2009中所述平均到未过车时段的等效声级。

3) 相比式(1)，式(2)是考虑房屋混响时间等因素之后得到的更准确的表达式，而实际关注的敏感目标多为居民建筑，受此类建筑中家具摆放等因素的影响，实际的混响时间不会很大，如按ISO 10052—2004标准，对于不同体积的房间，针对室内是否有家具和地板及墙体的材质等不同情况，可大致估算各类房间的混晌时间见表1。

2.3 解决办法

针对预测过程中常见的问题，提出以下解决办法。

2.3.1 公式的选择

式(2)相比式(1)更准确。对于不同类型房间的室内混响时间，可参照表1中的数值。例如，国内居民卧室的体积大部分情况下在[35，60) m3，混响时间约为0.56 s，利用式(2)，当H=2.8 m时，有

LP,i=Lvmid,i-27.5

(3)

此外，当居民卧室或敏感房间的体积在[15，35) m3时，混响时间约为0.50 s，利用式(2)，当H=2.8 m时，有

LP,i=Lvmid,i-27.0

(4)

由此可见，上述计算结果与采用式(1)得到的结果相差0.5 dB，因此采用式(2)，输入更准确的房间高度和房间进行计算。

2.3.2 振动速度级的确定

根据轨道交通的振动特性，其位移、速度和加速度等3个物理量幅值之间可相互转换，即

V=ωD;A=ω2D;V=A/ω

(5)

式(5)中：A、V和D分别为频域的加速度、速度和位移幅值；ω为圆频率，ω=2πf,f为频率，Hz。

通过式(3)进一步推导出振动加速度级与振动速度级的关系为

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：La,i为振动加速度级；Lv,i为振动速度级。

二次结构噪声预测技术路线图见图1。

图2 敏感目标室内结构噪声振动速度级典型频谱

3 实测验证

以杭州地铁五号线沿线某敏感目标为例进行实测验证。典型频谱类比室内振动典型频谱。敏感目标室内结构噪声振动速度级典型频谱见图2，为尽量精确，该数据选取为10趟列车的平均值。根据振动速度频谱，利用式(5)计算对应的振动加速度频谱，结果见表2。

表2 振动速度级与振动加速度级的转换

表2建立起了振动加速度级与振动速度级的关联，如频率为1～80 Hz、室内Z振级为57.0 dB时，对应的频率为16～200 Hz时的振动速度级分别为54.8 dB、57.1 dB，…，54.5 dB。

计算预测振级与对应参考振级的修正量，根据预测结果，若室内预测振级为58.0 dB(本例监测结果)，根据能量占比不变的原理，将对应的1.0 dB修正量修正至各振动速度级，根据振动速度级计算各频率的结构噪声，进一步计算A计权噪声为27.0 dB(A)，具体计算结果见表3。

表3 二次结构噪声计算结果

由此可见，利用振动速度得到的预测结果与实测结果的误差仅为0.5 dB(A)，远小于一般可接受的2.0～3.0 dB(A)的误差范围，说明利用振动速度，按式(2)计算，预测的二次结构噪声较为准确、可靠。

4 结 语

综合以上研究可知：

1) 二次结构噪声是由振动产生的，其大小与室内振动速度级和混响时间等参数有关。对于大部分体积在[35，60) m3的卧室或起居室而言，混响时间约为0.56 s；对于部分房间体积在[15，35) m3的卧室或起居室而言，混响时间约为0.5 s，此时利用式(2)得到的计算结果相比式(1)更准确。

2) 振动速度级无法直接预测，可通过类比的方式选择同类型建筑进行室内振动速度类比监测，记录不同频率对应的振动速度值，利用振动速度与振动加速度的转换关系计算对应的总Z振级，建立总Z振级及与之对应的振动速度级特征谱。在此基础上，将实际预测的总Z振级和上述特征谱对应的总Z振级的修正量直接叠加至各特征谱对应的振动速度级中，从而根据振动速度级，利用式(2)进行预测。

3) 利用式(2)预测的准确性较高，但前提是需要有类比测量的振动速度级特征谱。考虑到频谱特性至少与建筑类型有关，至少有针对Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类建筑的不同振动速度特征谱，在预测不同类型建筑的结构噪声时，选择对应的特征谱计算即可。