城市轨道交通地下段引起居民室内振动的频谱特性分析

郝 影，宋欣爽，张 磊，张 朋

天津市生态环境监测中心，天津 300191

随着城市化进程的深入，未来30年中国城镇人口还有约2亿的增长空间，且将主要迁入中心城市和主要城市群区域[1]。人口聚集导致交通压力剧增，轨道交通由于其快捷、准时、安全等特点，将成为城市路网建设首选[2]。截至2019年底，我国共有65个城市的城市轨道交通建设规划获批(含地方政府批复)，其中规划实施的城市有63个，规划建设线路总里程达7 339.4 km；开通运营的城市共计40个，运营线路总里程达6 736.2 km[3]。城市轨道交通在给人们日常出行带来便利的同时，也会引起环境振动及室内二次辐射噪声污染[4-5]，特别是穿越老城区的线路多为地下段，对沿线居民的室内环境产生一系列影响[6-8]。本文以城市轨道交通沿线敏感建筑物为研究对象，综合比较轨道交通地下段振动适用标准，重点分析城市轨道交通地下段产生的振动影响，为进一步完善相关标准提出改进意见。

1 实验部分

本文选择3条城市轨道交通线路的4个沿线敏感建筑物居民室内环境作为研究对象，开展振动测试，其中有2个测点位于同一线路，分别为线路2沿线的测点2和测点3。被测敏感建筑物对应的城市轨道交通线路均采用整体道床、无缝钢轨、DTVI2型扣件，车辆为6辆编组的B型不锈钢列车，线路车速均为系统自动控制，设定车速为70 km/h。测点1、测点2和测点4地下线路为上下行轨道水平并线(图1)。测点3地下线路为上下行轨道垂直并线(图2)。

图1 线路水平并线运行示意图Fig.1 Schematic diagram of linehorizontal parallel operation

图2 线路垂直并线运行示意图Fig.2 Schematic diagram of linevertical parallel operation

按照《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/T 170—2009)[9]要求，测点位置选择一楼室内，铅锤向振动的拾振器牢固安装在平坦、坚实的地面上，拾振器灵敏度主轴方向为铅锤向。每个测点安装3个拾振器，同步测量，测试中避免其他振动源干扰，点位具体信息，见表1。

表1 监测点位信息Table 1 Monitoring point information

2 结果与讨论

2.1 最大Z振级测量评价结果

根据《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)[10]，测点1和测点3判定为“混合区、商业中心区”，昼、夜间执行的标准限值分别为75 dB和72 dB。测点2和测点4判定为“居民、文教区”，昼、夜间执行的标准限值分别为70 dB和67 dB。由图3可知，测点1和测点4昼、夜间均达标，测点2昼、夜间均超标，测点3昼间达标，夜间超标。有学者指出[11]：“列车运行产生的振动，经由道床、立柱及平台这一途径传播至平台上方居住小区，引起上部结构的振动，严重时导致居住者出现紧张甚至恐慌心理，降低居民的生活质量”。测点1和测点4虽然达标，但2个测点居民仍表示城市轨道交通运行产生的振动主观烦恼度较高，长期居住导致失眠、心慌等身体状况，损害了身心健康。因此推断采用《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)中的限值评价城市轨道交通导致沿线居民室内振动，即使最大Z振级测量结果达标，居民的主观烦恼度依然较高。

图3 最大Z振级测量结果Fig.3 Measurement results ofmaximum Z vibration level

2.2 频谱数据分析

根据《人体承受全身振动的评价指南》(ISO 2631)，振动舒适度受振动的振幅、速度、加速度以及二次辐射产生的噪声影响较大，也就是说人体感觉振动同噪声不同，除了直接人体组织感觉的振动外，还与人类的听觉和前庭觉有关[12-14]，人体能够感知的振动频率范围为1～1 000 Hz[15]，敏感频率范围为1～400 Hz，由于人的各种器官的共振频率集中在80 Hz以下，因此最为敏感的频率为80 Hz以下[16-18]。我国环境管理中，涉及城市轨道交通环境振动的标准包括《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)、《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/T 170—2009)、《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》(GB/T 50355—2018)[19]、《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》(DB31/T 470—2009)[20]。其中GB 10070—1988、GB/T 50355—2018、DB31/T 470—2009均参考ISO 2631标准[21-23]，关注1～80 Hz振动频谱，仅JGJ/T 170—2009关注4～200 Hz振动频谱。1～80 Hz更多考虑轨道交通产生的振动是否对人体健康产生影响，而忽视居住舒适度，为了更好地了解轨道交通产生的环境振动特征，本次测量关注1～1 000 Hz范围内振动频谱变化。

2.2.1 频谱特性

图4显示各个测点的振动频谱特点不同：测点1分频振级在40～250 Hz范围内显著增加，峰值出现在63 Hz和80 Hz处；测点2分频振级在31.5～630 Hz范围内显著增加，峰值出现在50 Hz处，达到50 Hz峰值后，出现缓慢的频谱宽峰带；测点3分频振级在20～80 Hz范围内显著增加，峰值出现在40 Hz和50 Hz处；测点4分频振级在25～250 Hz范围内显著增加，峰值出现在63 Hz和80 Hz处，测点4的特征频谱谱型和测点1、测点2类似，出现主峰后蔓延出一个频谱宽峰带。由此可见，不同线路的测点谱型存在一定的相似性，即均会出现主峰，对应频率一般为40、50、63、80 Hz，4个测点中只有测点3的谱型为规则图形，即主峰出现后迅速衰减。

现场调查各测点建筑环境特点，测点1至测点4的地面房屋建筑均为砖混结构多层住宅楼，测点1、测点2、测点4地下线路为上下行轨道水平并线，而测点3地下线路为上下行轨道垂直并线。这可能是导致测点3与其他线路测点的特征频谱差异较大的原因。特别是测点2和测点3地理直线距离约2 km，地质条件相似，地面结构也相似，仅线路并线方式不同，由此推断同一条线路的振动特征谱线可能与轨道运行排列方式相关，与地下段运行车辆状态本身关联不大。如果地下轨道的排列结构类似，不同线路的测点产生的特征谱线有一定相似性，均表现为低频段出现峰值后，高频段出现较宽的频谱增加带，测点2谱线的这一特征最为明显。

图4 各测点频谱特性Fig.4 Spectrum characteristicof each measuring point

2.2.2 昼、夜间频谱变化

为对比各测点昼、夜间频谱变化，采集各测点每次列车通过时的1/3倍频程振动频谱，昼、夜间各采集1 h，并计算昼、夜间特征频谱，计算方法为将测量时间内采集车次的1/3倍频程频谱按对应频率进行算术平均。根据图1，各测点夜间振级总量和昼间相差绝对值范围在1 dB以内，差距不明显。图5各测点的分频特征频谱曲线同样显示昼、夜间各频谱差距不大，特别是夜间没有明显的衰减。测量中，昼间测量时段选择晚高峰16:00—19:00之间的1 h，夜间选择22:00—23:00，相同测量时间内(1 h)，昼间(高峰段)测量的车辆载重和车次密度明显高于夜间(平峰段)，但昼间振动数据增量较小。这说明轨道交通振动频谱特性不会随着载重和车次多少而显著改变，不会因为昼、夜间的时间分割导致侵扰特性变化。因此进行轨道交通振动评价时，虽然荷载和密车次的昼间数据更具代表性，但因夜间评价值低于昼间，仅用夜间测量结果即可很好地评价城市轨道交通振动影响。

图5 各测点昼、夜间特征频谱Fig.5 Day and night characteristic spectrum of each measuring point

2.2.3 近、远轨频谱特征

在实际测量中，经常听到居民反映某一方向的列车产生的振动影响强烈，另一方向相对较弱。在城市轨道沿线受振动影响的居民室内，测量人员也能明显感觉城市轨道交通近轨和远轨的振动区别，为进一步明确近、远轨振动曲线差别，绘制了测点2近、远轨各5列车次的频谱曲线(图6)。多次列车测量结果表明，无论近轨还是远轨列车通过时，振动谱型相似，均出现主峰和后延宽峰带。

图6 每趟列车通过的频率曲线Fig.6 The frequency curve of each train

由于轨道交通或平行并线建设于地下，或垂直交叠建设于地下，振源远近导致居民室内近轨和远轨的振动感觉不同，为此将测点2和测点3的近、远轨监测数据独立分析，并求取特征频谱。由图7、图8可知，同一测点的近、远轨振动特征频谱谱型变化趋势一致，数值上近轨较大，远轨较小，这与近轨振动对居民家中的侵扰更强烈的主观感受相符。近、远轨的频谱峰值对应频率可能一致，也可能不一致，如图7中测点2的近、远轨的频谱峰值对应频率一致，均为50 Hz，图8中测点3近轨为40 Hz，远轨为50 Hz，表明现场振动测试时，除了按照数据大小判断近、远轨外，也可以用峰值对应频率来辅助判断。

图7 测点2的近、远轨特征频谱Fig.7 Characteristic spectrum of near-orbitand far-orbit at measuring point 2

按照现行标准GB 10070—1988、GB/T 50335—2018和JGJ/T 170—2009，轨道交通的评价要对测量值进行算术平均，被平均的测量值，淹没了近轨对居民的影响。表2为测点3按照GB 10070—1988评价的近、远轨监测数据，昼间近轨数据超标，远轨和近、远轨综合数据达标；夜间近轨数据和近、远轨综合数据超标，远轨数据达标。基于上述分析，同一线路不同方向的列车，在能够区分近、远轨的情况下，应该分别测量，否则振级值高的近轨和振级值低的远轨测量结果平均后，测量值降低，导致评价判定达标，但居民反映强烈。

图8 测点3的近、远轨特征频谱Fig.8 Characteristic spectrum of near-orbitand far-orbit at measuring point 3

表2 测点3监测结果Table 2 Monitoring results at measuring point 3

2.2.4 振动影响的频率范围

城市轨道交通引起的振动影响按照GB 10070—1988和GB/T 50355—2018标准，频谱考量范围为1～80 Hz，按照JGJ/T 170—2009，频谱考量范围为4～200 Hz，实际测量发现，城市轨道交通振动对居民家中的影响是一个宽频谱范围，以测点2和测点3的近、远轨数据为例，开展相关分析。

为了进一步明确轨道交通产生的振动量级变化，引入振级增量概念，这里振级增量定义为振动频谱测量值与背景测量值的差值。图9显示测点2的近、远轨频率谱值对应频率均为50 Hz。轨道运行导致的振级增量从25～800 Hz频段增加明显，近轨振级增量峰值为40 Hz，远轨振级增量峰值为63 Hz。图10显示测点3的近轨频谱峰值对应频率为40 Hz，远轨为50 Hz。振级增量在25～160 Hz频段增加明显，近轨振级增量峰值为40 Hz，远轨振级增量峰值为63 Hz。同一线路的2个测点虽然表现的频谱特性不同，但是从振级增量观察，近轨振级增量峰值均为40 Hz，远轨振级增量峰值均为63 Hz，近轨和远轨分别表现出相同的增量特性。因此采用振级增量能够更准确地描述振动频谱变化特性。从标准限值来看，GB 10070—1988和GB/T 50355—2018的评价范围为1～80 Hz，不能覆盖城市轨道交通振级增量范围，而JGJ/T 170—2009的评价范围为4～200 Hz，相对于GB 10070—1988和GB/T 50355—2018评价范围更宽泛，更适合用于轨道交通振动的评价。

图9 测点2振级增量Fig.9 Vibration level incrementof measuring point 2

3 标准规范应用与比较

以测点3数据为例，按照GB 10070—1988、GB/T 50355—2018和JGJ/T 170—2009分别进行结果评价，见表3。采用GB 10070—1988和GB/T 50355—2018评价后，结果为昼间达标，夜间超标；采用 JGJ/T 170—2009评价，并运用振动加速度最大值和均值计算后，结果为昼、夜间均超标。因此相对于GB 10070—1988和GB/T 50355—2018，JGJ/T 170—2009标准评价振动更为严格。

综上，采用现行测量和评价规范，评价城市轨道交通振动时，存在标准限值频率覆盖范围不统一，测量指标和测量方法多样化等问题，一定程度导致城市轨道交通振动污染防治陷入困境，因此亟需对《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ 453—2018)[24]中，确定GB 10070—1988为轨道交通振动评价的推荐标准这一原则做出修正。另外，采用GB/T 10071—1998和GB 10070—1988进行轨道交通振动测量和评价时，只能参考铁路振动监测方法，而铁路均为地面段，其振动监测一般在户外，同时受荷载和频次影响，监测方式并不完全适合位于地下段的城市轨道交通。因此，我国应从环境保护角度出发，综合振动对人体健康和烦恼度影响2个方面，以ISO 2631为基础尽快修订细化相关标准规范，明确综合振级限值，增加振级增量概念，按照振动侵扰强度和范围，开展振动环境影响效果评价，减少轨道交通建成通车后振动污染概率，更好地发挥规划评估重要作用。

表3 测点3测量结果Table 3 Measurement results at measuring point 3 dB

4 结论

采用现行标准规范，对城市轨道交通地下段产生的振动测量数据进行评价分析，结果表明：采用《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)评价城市轨道交通导致沿线居民室内振动，即使最大Z振级达标，居民的主观烦恼度依然较高；不同线路的测点，振动频谱均会出现主峰，主峰对应频率一般为40、50、63、80 Hz；同一条线路的振动特征谱线可能与轨道运行排列方式相关，与地下段运行车辆状态本身关联不大；不同路线的测点，如果地下轨道的排列结构类似，产生的特征谱线有一定相似性，均表现为低频段出现峰值后，高频段出现较宽的频谱增加带；实际测量中，进行轨道交通振动评价时，虽然荷载和密车次的昼间数据更具代表性，但因夜间评价值低于昼间，仅用夜间测量结果即可很好地评价城市轨道交通振动影响。另外对近、远轨判断上，除了按照数据大小判断外，也可以用峰值对应频率来判断。从标准限值来看，《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)和 《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》(GB/T 50355—2018)的评价范围为1～80 Hz，不能覆盖城市轨道交通振级增量范围，而《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/T 170)的评价范围为4～200 Hz，相对于《城市区域环境振动标准》(GB10070—1988)和《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》(GB/T 50355—2018)评价覆盖范围更宽泛，评价限值更低，更适合用于轨道交通振动的评价。