城市轨道交通地下线运行对沿线建筑物室内振动与噪声的影响分析

郝 影 李宪同 张 朋

(1.天津市生态环境监测中心,天津 300191;2.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京 100012)

近年来,城市轨道交通建设发展迅速,在给人们带来出行便利的同时,轨道交通运行也对沿线建筑物特别是敏感建筑物室内产生了振动与二次辐射噪声(以下简称“噪声”)污染[1-5]。研究表明,城市轨道交通地下线(以下简称“地铁”)引起的沿线建筑物室内振动,极易引起人体各器官共振而损害身体健康[6-11]。由振动引起的噪声因其低频特性易造成居民主观烦恼[12-14],而振动和噪声在室内叠加更是会导致居民烦恼度显著升高[15-17]。国际上已对地铁产生的这些负面环境影响开展广泛研究,但多集中于建立各类振源和声源传导模型,分析减振降噪效果[18-21],大多适用于地铁设计初期或地铁项目改造。而在地铁运行阶段的减振降噪效果研究却鲜有报道。本研究以穿越天津市城区的3条地铁线路为研究对象,分析普遍采用的降速和轮轨打磨措施前后,在1/3倍频程频谱模式下,地上建筑结构(包括框架结构和砖混结构)、地下线路排列结构(包括水平并线排列和垂直并线排列)对室内振动与噪声的影响,为降低地铁的负面环境影响提供科学依据。

1 测试方法

本研究选取的3条地铁线路均采用整体道床,无缝钢轨,DTVI2型扣件和6辆编组的B型不锈钢列车,隧道盾构,圆形,内径5.5 m。3条地铁线路附近的4栋建筑物中1#、2#、3#为6层砖混结构,4#为22层框架结构。1#、3#、4#建筑物对应地下线路排列结构为水平并线排列,2#为垂直并线排列,两种地下线路排列结构示意图如图1所示。具体运行工况见表1。

图1 地下线路排列结构Fig.1 Arrangement structures of underground lines

表1 测试工况Table 1 Test working conditions

测量地点位于建筑物1楼的室内,每栋建筑物布设1个噪声测点和3个振动测点,传声器距离地面高度1.2 m,振动传感器均匀分布于坚实平坦的地面,传声器和振动传感器与测试设备B&K 2270振动、噪声分析仪相连。测量过程中紧闭门窗,保持室内安静,避免其他振动和噪声干扰。

振动采集每次列车通过时的Z振级最大示数和分频最大振级,每个测点连续测量20次列车,根据《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—88)以20次读数的算术平均值作为Z振级最大示数,截取1/3倍频程频谱上4～200 Hz各频段的分频加速度级,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)中Z计权处理后计算得到的最大值作为分频最大振级,并记录相应频率。噪声采集每次列车通过时的全频带等效A声级和16～200 Hz频段的等效A声级,每个测点连续测量20次列车,按照JGJ/T 170—2009以20次读数的平均值分别作为全频带等效A声级和16～200 Hz频段的等效A声级，分别记为LAeq和LAeq200。每栋建筑物均进行了两次测试,第1次测试时地铁按照表1中常速行驶,第2次测试时地铁进行了轮轨打磨并按照表1降速行驶。Z振级最大示数按照《城市区域环境振动标准》(GB 10070—88)进行评价,分频最大振级和噪声按照JGJ/T 170—2009进行评价。

2 结果与讨论

2.1 减振降噪效果分析

2.1.1 减振效果分析

由表2可见,根据GB 10070—88,地铁常速行驶时,1#建筑物室内的Z振级最大示数为84 dB,采取降速和轮轨打磨措施后为73 dB,降低了11 dB;2#建筑物室内的Z振级最大示数在地铁常速行驶和采取降速和轮轨打磨措施后分别为76、67 dB,降低了9 dB;3#建筑物室内的Z振级最大示数在地铁常速行驶和采取降速和轮轨打磨措施后分别为72、66 dB,降低了6 dB;4#建筑物室内的Z振级最大示数在地铁常速行驶与采取降速和轮轨打磨措施后分别为61、56 dB,降低了5 dB。

表2 振动测试结果Table 2 Vibration measurement results

根据JGJ/T 170—2009,地铁常速行驶时,1#建筑物室内分频最大振级为85 dB,采取降速和轮轨打磨措施后为74 dB,降低了11 dB,相应频率由50.0 Hz变为40.0 Hz;2#建筑物室内分频最大振级在地铁常速行驶与采取降速和轮轨打磨措施后分别为78、68 dB,降低了10 dB,相应频率均为40.0 Hz;3#建筑物室内分频最大振级在地铁常速行驶与采取降速和轮轨打磨措施后分别为73、66 dB,降低了7 dB,相应频率由40.0 Hz变为31.5 Hz;4#建筑物室内分频最大振级在地铁常速行驶与采取降速和轮轨打磨措施后分别为62、50 dB,降低了12 dB,相应频率由50.0 Hz变为31.5 Hz。

1#建筑物与2#建筑物比较发现,地铁线路排列结构为水平结构可能减振效果更好;1#建筑物与4#建筑物比较发现,砖混结构与框架结构的建筑物对分频最大振级的降低影响不大,但砖混结构的建筑物对Z振级最大示数减振效果明显优于框架结构;1#建筑物与3#建筑物比较发现,降速幅度越大,减振效果越好。综合而言,地铁降速,地铁线路排列结构采用水平并线排列,建筑结构采用砖混结构,有利于减小地铁运行对沿线建筑物室内的振动影响。

2.1.2 降噪效果分析

由表3可见,根据JGJ/T 170—2009,地铁采取降速和轮轨打磨措施前后,1#建筑物室内LAeq200降低了1 dB,2#建筑物降低了7 dB,3#建筑物降低了4 dB,4#建筑物降低了7 dB;1#建筑物室内LAeq降低了3 dB,2#建筑物降低了7 dB,3#建筑物降低了5 dB,4#建筑物降低了7 dB。地铁采取降速和轮轨打磨措施后所有建筑物室内振动和噪声均有所降低,其中1#建筑物Z振级最大示数、分频最大振级均下降明显,但LAeq、LAeq200不明显,而2#建筑物室内Z振级最大示数、分频最大振级、LAeq和LAeq200均下降明显,1#和2#建筑物位于同一地铁线路沿线,除了地铁线路排列结构差异外地质条件是比较相似的,还有一个更重要的原因是降噪效果很大程度上取决于建筑物自身对声音的敏感度,由建筑物自振频率、建筑布局等因素决定,具体原因有待进一步研究。

因此,总体而言,地铁采取降速和轮轨打磨措施有利于沿线建筑物室内减振降噪,但降噪效果比减振效果更加复杂,受到建筑物自振频率、建筑布局等因素影响。

2.2 分频特性分析

由于中心频率变化对研究地铁导致的室内振动和噪声影响是非常重要的,因此下面分析1/3倍频程频谱模式下,室内振动和噪声的特征频谱。

2.2.1 频谱峰值解析

图2为1#～4#建筑物室内振动和噪声的频谱,可以看到峰值主要出现在低频部分,通过解析发现,1#建筑物室内振动频谱的峰值中心频率为50.0 Hz,噪声频谱的峰值中心频率为50.0、63.0 Hz;2#建筑物室内振动和噪声的频谱峰值中心频率均为40.0、50.0 Hz;3#建筑物室内振动和噪声的频谱峰值中心频率均为31.5、40.0 Hz;4#建筑物室内振动和噪声的频谱峰值中心频率均为50.0、63.0 Hz。由此判断,地铁导致室内振动和噪声的频谱峰值中心频率多出现在80.0 Hz以下的频段,通常是31.5、40.0、50.0、63.0 Hz,与曹志亮[22]的研究结论相符。

2.2.2 影响因素对特征频谱的影响分析

图3为地铁线路垂直并线和水平并线排列时,室内振动、噪声的典型频谱。地铁线路垂直并线排列时,室内振动的主要中心频率在小于80 Hz范围内;而水平并线排列时,室内振动除了小于80 Hz的频段较高外,125～400 Hz频段也相对较高,因此应格外警惕80 Hz以上频段振级升高。两种线路排列结构下的噪声典型频谱差异很小。

表3 噪声测量结果Table 3 Noise measurement results

图2 室内振动和噪声频谱Fig.2 Indoor vibration and noise spectrum

图3 不同线路排列结构的室内振动和噪声典型频谱Fig.3 Typical spectrum of indoor vibration and noise under different line laying structures

图4为框架结构与砖混结构建筑物室内振动、噪声的典型频谱。砖混结构建筑物室内振动和噪声频谱峰值的中心频率均为40.0、50.0 Hz,框架结构建筑物室内振动和噪声频谱峰值的中心频率均为50.0、63.0 Hz,这种差异是建筑的自振频率和地下基础结构不同导致的。

图4 不同建筑结构的室内振动、噪声典型频谱Fig.4 Typical spectrum of indoor vibration and noise under different building structures

图5为采取降速和轮轨打磨措施前后4#建筑物室内振动、噪声的典型频谱。采取措施后,中心频率50.0、63.0 Hz处的振动和噪声同步降低,减振降噪效果显著。

图5 采取措施前后4#建筑物室内振动和噪声衰减Fig.5 Indoor vibration and noise attenuation of 4# Building after taking measures

2.2.3 噪声和振动的相关性分析

对各建筑物的振动、噪声频谱进行相关性分析,结果见表4。可以看到,所有建筑物的振动、噪声频谱秩相关系数均为正,即地铁运行引起的振动和噪声变化具有正相关性,1#、2#、3#砖混结构建筑物的室内振动和噪声相关性更高。

表4 振动和噪声频谱相关性Table 4 Vibration and noise spectrum correlation

3 结 论

(1) 地铁采取降速和轮轨打磨措施有利于沿线建筑物室内减振降噪,地铁线路排列结构采用水平并线排列,建筑结构采用砖混结构,有利于减小地铁运行对沿线建筑物室内的振动影响,降噪效果比减振效果更加复杂,还受到建筑物自振频率、建筑布局等因素影响。不过,地铁运行引起的振动和噪声变化具有正相关性。

(2) 地铁导致的室内振动和噪声的频谱峰值中心频率较多出现在小于80 Hz频段,通常是31.5、40.0、50.0、63.0 Hz。

(3) 地铁线路水平并线排列时应警惕80 Hz以上频段振级升高。