基于高速铁路适用性的中国、印度尼西亚振动标准比较分析

2022-01-06刘鹏

铁路节能环保与安全卫生 2021年6期

刘鹏

（中国铁路设计集团有限公司机械动力与环境工程设计研究院，天津300308）

印度尼西亚雅加达至万隆高速铁路（以下简称“雅万高铁”）是中国高速铁路技术整体输出的第一个项目，该项目正线全长142.3 km，其中桥梁占比61.34%、隧道占比11.95%，沿线设置车站4座。虽然，雅万高铁按照中国技术标准进行设计并采用中国设备，但环境振动影响关乎当地民众舒适度及建筑状况，振动标准仍需参照印度尼西亚生态环境部颁布的标准，因其振动标准的评价量及保护对象与我国振动标准存在差异，需要对两国标准的异同进行对比分析，以更好的研究雅万高铁的环境效应。

1 国际标准化组织ISO振动标准

ISO 2631系列标准是振动的基础性标准，是由国际标准组织在20世纪70年代开始研究制定的人体振动方面的标准，分别于1985年和1989年发布了第一版正式标准ISO 2631-1：1985和ISO 2631-2：1989，采用W计权曲线；而后分别于1997年和2003年发布了第二版正式标准ISO 2631-1：1997和ISO 2631-2：2003，新标准删除了包括计权曲线在内的与“疲劳-熟练度降低限”概念相关的内容，在振动评价方法中考虑了振动对人体健康、舒适度、感觉和运动病等方面的影响，提出了新的计权曲线[1]，更多关注于人的主观感受。两条计权曲线的波形如图1所示。

图1 1985与1997年版ISO 2631-1推荐的计权曲线对比

Wk计权值与W计权值相比，在低频段（1～4 Hz）Wk计权值更大，在较高频段（10～80 Hz）Wk计权值更小，说明新计权认为较低频段振动对人的影响小于高频段振动对人的影响。在实际进行轨道交通振动测量评价时，采用Wk计权的设备振动测量值比采用W计权的设备振动测量值高，大量检测数据及国内外研究成果均表明：对于多数环境振动信号来说，Wk计权值一般比W计权值高3～4 dB[1]。

2 中国环境振动标准和建筑容许振动标准

2.1 环境振动标准

我国1988年颁布执行《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88），该标准一直沿用至今，采用的评价量为铅垂向振动加速度的Z振级，振动频率范围为1～80 Hz，计权曲线采用的是ISO 2631-1：1985中的W计权曲线，城市各类区域铅垂向Z振级标准值如表1所示[2]。

表1 《城市区域环境振动标准》规定的振动限值dB

2018年颁布实施的《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018），针对建筑物室内环境振动计权曲线采用ISO 2631-1：1997中的Wk计权曲线，考虑到3 dB[1]的差值，其Z振级限值与《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88）相当，住宅建筑室内Z振级限值如表2所示[3]。但是，除Z振级外，还对每个1/3倍频程加速度级均有限值要求，数据如表3所示[3]。

表2 住宅建筑室内Z振级限值 dB

表3 住宅建筑室内各1/3倍频程铅垂向振动加速度级限值 dB

2.2 建筑容许振动标准

针对建筑容许振动，我国颁布了《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013），计权曲线采用ISO 2631-1：1997的Wk计权曲线，交通振动（指公路、铁路和城市轨道的通称）对建筑结构影响评价的频率范围应为1～100 Hz，在时域内的容许振动值如表4所示[4]。

表4 交通振动对建筑结构影响在时域范围内的容许限值

3 印度尼西亚环境振动标准

印度尼西亚（以下简称“印尼”）于1996年签发了第49号“关于振动等级标准的生态环境部部长决议书”，规定了印尼的振动标准。表5是针对人的舒适度的振动限值，评价量为振动位移（10-6m），表6是针对建筑物的振动限值，评价量为振动速度（mm/s）。原文对机械振动的解释是指人类活动中所用的设备工具产生的振动。

表5 基于舒适度和健康的机械振动等级

表6 基于建筑破坏程度的机械振动等级 mm/s

4 中国、印尼振动标准对比分析

中国铁路环境振动评价量为铅垂向振动加速度Z振级（执行《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88）），与印尼的振动标准评价量为振动位移和振动速度（执行1996年签发的第49号“关于振动等级标准的生态环境部部长决议书”）不同。鉴于《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018）与《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88）限值相当，本次研究利用《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018）和《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）与印尼的振动标准进行对照分析。

将表5中印尼振动标准限值的振动位移幅值，乘以对应频率（1/3倍频程中心频率）的平方，得到对应频率的振动加速度幅值，再以1×10-6m/s2为参考值，获得对应频率的加速度级，根据不同的频率进行Wk计权，与《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018）的Wk计权值对照得出曲线（见图2）。由图2可知，印尼振动标准对应的室内铅垂向振动加速度级限值最低为“受影响”，限值范围为96～103 dB；次之为“不舒适”，限值范围为105～113 dB；最高为“疼痛”，限值范围为107～124 dB。《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018）中对应的振动加速度级限值最高为“中国起居室全天二级”，限值范围为75～93 dB，远低于印尼振动标准的最低限值。可见，对于人体舒适度的限值，中国的振动标准明显高于印尼的振动标准。

图2 中国、印尼振动标准中基于舒适度的振动限值Wk计权曲线对照

将表6中印尼的建筑物振动标准限值与《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）中限值分频生成振动速度曲线进行对比，如图3所示。由图3可见，《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）中，在1～50 Hz的情况下，工业建筑、公共建筑的基础处容

图3 中国、印尼振动标准中基于建筑破坏程度的振动速度限值对照

许振动速度峰值为5～10 mm/s，居住建筑的基础处容许振动速度峰值为2～5 mm/s，其他敏感建筑的基础处容许振动速度峰值为1～2.5 mm/s。在印尼振动标准中，不造成破坏的振动范围，在大于等于40 Hz的情况下，低于中国敏感建筑在同频率下的峰值；可能引起破坏的振动范围，在大于等于40 Hz的情况下，低于中国工业建筑、公共建筑在同频率下的峰值。可见，对于建筑物破坏程度的振动速度限值，印尼振动标准在低频的情况下更加宽松，随着频率的增加，在40 Hz以后严于中国振动标准。

5 高速铁路测试值在印尼振动标准下达标距离分析

在中国高速铁路路基段和桥梁段进行了地面环境振动测试，测试车型包括CR400AF车型和CR400BF车型，测试速度范围为250～350 km/h，桥梁段最远测点45 m，路基段最远测点32 m。根据测试结果，结合印尼振动标准对振动达标距离进行了分析。

5.1 振动对人体影响的达标距离分析

根据现场实测值，结合表5振动标准，CR400AF车型在250 km/h、300 km/h、350 km/h等不同速度条件下，不同频段处桥梁段和路基段的达标距离如表7所示，CR400BF车型在250 km/h、300 km/h、350 km/h等不同速度条件下，不同频段处桥梁段和路基段的达标距离如表8所示。

表7 CR400AF车型振动影响达标距离 m

表8 CR400BF车型振动影响达标距离 m

由表7和表8可知，高速铁路桥梁段10～12.5 Hz、25～40 Hz频段环境振动位移幅值较大，路基段31.5～63 Hz频段环境振动位移幅值较大。CR400AF车型桥梁段350 km/h达标距离为30 m、300 km/h达标距离超过45 m，路基段350 km/h达标距离大于32 m、300 km/h达标距离为32 m；CR400BF车型桥梁段350 km/h达标距离大于25 m，路基段350 km/h和300 km/h达标距离大于28 m。

5.2 振动对建筑影响的达标距离分析

根据现场实测值，结合表6中A类振动标准，CR400AF车型在250 km/h、300 km/h和350 km/h不同速度条件下，不同频段处桥梁段和路基段的达标距离如表9所示，CR400BF车型在250 km/h、300 km/h和350 km/h等不同速度条件下，不同频段处桥梁段和路基段的达标距离如表10所示。

由表9和表10可知，CR400AF车型桥梁段5 m即能达到A类标准，路基段350 km/h时距离线路22.5 m能达到A类标准、300 km/h和250 km/h时距离线路17.5 m能达到A类标准。CR400BF车型桥梁段5 m即能达到A类标准，路基段350 km/h时距离线路20 m能达到A类标准、300 km/h和250 km/h时距离线路16 m能达到A类标准。