城市轨道交通环境振动对人体影响的暴露-响应关系研究现况

2021-02-25张厚贵

噪声与振动控制 2021年1期

马蒙，张厚贵

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.北京市劳动保护科学研究所，北京100054）

伴随我国轨道交通事业的迅猛发展和人们环保意识的日益增强，轨道交通引起的环境振动和噪声受重视程的度也越来越高，高要求的减振降噪已成为城市轨道交通发展面临的一项重大挑战[1]。近年来，城市地铁沿线居民对振动的投诉时有发生，解决地铁振动扰民问题是发展绿色轨道交通不容回避的问题。造成这一现象的原因是多方面的，与环境评价、振动预测、轨道选型等因素都有关系，其中一个重要的无法回避的关键问题是：我国目前地铁列车环境振动对居民影响的暴露-响应（Exposure-response）关系究竟处于何种量级、分布形式如何。换言之，振动水平与居民舒适度（或烦恼度）比例之间的关系是什么？正如文献[2]在论述我国城市轨道交通环境振动研究现况时指出：由于我国在人体振动暴露-响应关系研究上的滞后使得大量振动投诉事件和环境振动评价缺乏科学依据的判别标准。本文将就这一问题，对国内外研究进展进行总结和论述。

1 振动暴露-响应关系基础研究

振动对人体舒适度（或烦恼度）的暴露-响应关系是一项基础性研究工作，涉及工程、医学、心理学等多个交叉学科。通常需要通过调研、问卷调查、振动测试与试验、数据统计分析并持续积累数据以形成暴露-响应曲线。暴露-响应曲线反映了振动水平的客观量级与人体烦恼度主观响应间的关系，它可成为政府和科研单位确定环境振动标准的依据。

居住房间内振动水平与振源特性、振源距离、传播路径、建筑基础形式、建筑结构形式、房屋开间大小等若干因素相关，上述因素一旦确定，即可客观测试出居住房间楼板的振动量大小。研究表明：人体对振动的感受不仅取决于振动方向、振动频率、振动持时、人体姿势、人的性别与年龄等，还与人体健康状况、对振动的经历、对房间内有价值物品的主观担忧等无数不确定因素有关[3-4]。因此，人对振动的主观反应受个体差异影响极大。单一个体对振动反应的参考意义不大，只有大样本统计得到的人体对振动响应烦恼度比例才对暴露-响应关系有价值。

表1总结的欧美部分国家室内振动限值与人体干扰比例之间的关系。可以看出：任何一个国家的振动标准都无法确保100 %的居住人群不受到干扰。政府或环保部门可根据该国经济发展水平和人民对环境振动舒适度的需求，先确定满足舒适度要求的人群比例，再确定合适的振动标准限值。

表1 部分国家室内振动限值与对人体干扰的比例关系

由于列车振动对人烦恼度影响问题属于客观外界刺激与主观人体响应相互作用的问题，根据斯蒂芬幂定律（Steven’s power law）[5]，主观感知量与客观刺激量的乘方成正比，即：

式中：ϑ为外界物理刺激；ψ为受外界刺激引发的主观感知量级，n为与刺激类型有关的增长常数，k为比例常数。Morioka 和Griffin[6]、Wyllie和Griffin[7]的研究表明，增长常数与振动激励方向以及激振频率密切相关。

针对轨道交通振动引起邻近居民烦恼度增强的问题，国外研究主要采用测试、实验与主观问卷调查的形式，寻找振动暴露-响应关系，为各国标准中振动限值的确定提供依据。表2总结了部分国内外轨道交通振动暴露-响应关系的基础性研究。

表2 轨道交通振动暴露-响应关系研究

可以看出，上述研究对象以地面客运和货运铁路为主，专门针对城市轨道交通的研究较少。数据样本通常在数百个，有的研究样本超过一千或两千个。上述研究还表明：典型暴露-响应关系（曲线）中，振动对人群干扰的百分比随着振动水平的增加而呈指数地增加。

2 国内列车振动对人体舒适度评价

2.1 振动舒适度评价方法

进行列车振动环境影响评价时，振动对人体舒适度的影响是个无法回避的问题。人体对所处环境振动响应的舒适度是一个难于定义和测量的主观概念，目前尚无统一的评价标准。在评价列车振动对建筑内人体舒适度影响时，目前国内通常采用的方法有两种：

其一是将计算或测试的楼板振动响应与既有标准中的限值对标。例如，在研究高铁车站或桥建合一的高架车站时，刘海鑫等[23]、冯读贝[24]采用《城市区域环境振动标准》[25]限值对标评价人体舒适度，彭涛[26]采用美国钢结构设计指南AISC[27]对候车厅结构进行舒适度评价。需要指出的是，由于国内目前尚没有针对交通振动且基于人体舒适度研究的标准和限值，因此寻求其他标准未必是合适的。

其二是将计算或测试的楼板振动响应与国外标准中烦恼度曲线对标比较，以评价建筑楼板振动是否满足舒适度要求，如周立[28]、丁洁民等[29]、谢伟平等[30]的研究。这种方法能较为便捷地给出预测振动或测试振动与烦恼度曲线的关系。但存在如下问题无法解决：（1）国外标准中的烦恼度曲线与国内振动标准限值之间是什么关系？满足国内振动标准是否自动满足国外烦恼度曲线，反之满足烦恼度曲线是否满足国内振动标准？例如，杨娜等[31]通过实测北京南站列车运行引起站房振动响应，并与不同规范比较，认为现行规范与“房桥合一”结构中实际人体烦恼率并不吻合。（2）不同振源特性引起的人体对振动的烦恼程度差异很大，例如Sharp等[32]、Maclachlan等[33]和Waye等[34]针对欧洲地面客运、货运列车对人体睡眠和烦恼度影响进行了详细研究，证明货运列车对人体影响远大于客运列车，从而拟合出不同的振动暴露-响应曲线。而国内轨道交通（尤其是地铁）的发车间隔、轨道形式、地层条件、运行速度等都与国外存在较大差异，目前我国关于列车环境振动对人体影响的暴露响应关系研究还非常缺乏，因此凸显出进行环境振动舒适度评价的困难。

2.2 调查与试验研究

基于舒适度的合理的振动控制限值确定需要针对特定的振源类型，采用客观振动量和主观感知量相结合的研究方法。我国在制定《城市区域环境振动标准》时，曾进行过近2 000 个样本的问卷调查和测试[21-22]，发现：振级每增加5 dB有反应的人数增加10%，当振动强度达到80 dB 时可引起50%左右的居民“高烦恼度”反应，并基于此制定了铁路干线两侧振动限值。由于上述研究开展较早，振源亦非针对城市轨道交通，近年来同类标准制定和修订时，鲜有类似的基础研究工作见诸报道。

针对地铁沿线及车辆段住宅建筑振动扰民问题，麻云英等[35]、谢鹏等[36]进行了600 个样本的入户调查，调查发现地铁振动引起失眠状态的居民比率高达37.7%，且振动达标的情况下居民反应仍然强烈。遗憾的是这一调查缺乏对振动响应测试数据及其与烦恼度关联的深入分析，依然没有构建出我国地铁振动对人体影响的暴露-响应关系。

此外，杨娜等[37]对544 个有效样本进行统计，基于模糊数学评价理论，得到了北京南站“房桥合一”站厅结构的烦恼率函数。朱瑾如等[38]对上海地铁8号线附近某小区进行了现场测试和调查研究，认为仅使用规范评估地铁振动影响会使结果偏于乐观。

表3 可用于环境振动和室内振动评价的标准

2.3 国内振动标准与评价指标

我国目前可用于环境振动和室内振动评价的标准有多个，如表3所示，除GB10070一般用于建筑物外环境振动外，GB/T50355、GB50868 和JGJ/T170[41]均可用于室内振动评价。这些标准的评价指标虽然都基于竖向加速度，但分析统计方式不同，对标量涉及最大Z 振级（VLz,max）、分频最大Z 振级（VLmax）、分频振级（VL(fi)）、四次方剂量值（VDV）等多个。然而，上述任何一个标准中振动限值的设立究竟满足多少比例中国人群的舒适度，却是一个无法回答的问题。目前也很难通过与表1中数据对比分析国内振动标准限值与国外标准。

图1为13处居民对地铁振动投诉的室内振动测试统计结果，测试方法和标准依据JGJ/T170。可以看出，超出限值65 dB的投诉点仅有2处，介于60 dB～65 dB 的投诉点有7 处，还有4 处投诉点的室内振动小于60 dB。面对这样的测试评估结果，究竟是标准设置得过分宽松，还是投诉点居民对振动过于敏感，均无法给出判断结论。由此可见，仅在规范中设置限值而缺乏暴露-响应关系基础研究的数据支撑将导致环境振动评价缺乏科学的评判依据。

图1 居民振动投诉点室内列车振动测试结果

3 振动评价指标转换

由于暴露-响应关系研究需要长期数据积累和大量科研成本的投入，并非每个国家都需要从零开始开展这一研究，而可以借鉴其他国家已有的暴露-响应关系研究成果。但当各个国家振动评价指标不同时，则需要进行指标转换。

振动指标转换涉及评价物理量、计权频率、振动时间窗长、统计方法、工程单位等多个维度的分析。在这方面，英国规范BS6472[42]给出了均方根与四次方根的转换建议；Janssen 等[20]研究了德国DIN 规范中KB值计权与ISO计权的关系；Janssen等[43]还总结了欧洲三种基础振动描述指标（最大速度Vd,max、平均振动加速度aRMS、VDV）的相互转换方法。上述研究使得欧洲各国间振动指标基本能够实现相互转换计算，因此振动暴露-响应关系的研究成果可以共享。

目前，我国仅GB50868 推荐附加评价量四次方剂量值可一定程度参考英国的暴露-响应关系曲线，在环境振动评价中主要采用的VLz,max、VLmax均与欧洲各国规范中的指标在测试数据处理方式上存在较大差异。例如，我国主要采用的振动量基于对数趟列车通过时的平均量计算得到，而国外大多数振动量都基于对数小时甚至数天振动暴露的描述。然而，针对我国与其他国家振动评价指标转换方法的研究目前仍是空白。因此，当缺乏暴露-响应关系基础研究时，目前我国也很难直接应用国外已有的振动暴露-响应研究成果。