不同標準下地鐵列車通過引起的室內振動評價

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市規模不斷擴大，城市人口激增，機動車保有量迅速增長，造成了嚴重的空氣污染、能源消耗以及交通擁堵問題。城市軌道交通運輸能力大、占地少、能耗小、安全性好，已成為解決城市交通問題的首選方案。世界上第一條地下鐵道于1863年1月10日首先在倫敦建成，至今己有150多年的歷史。隨后，世界各國都紛紛開始發展軌道交通，到目前為止，世界上已有超過200個城市擁有軌道交通，線路總長超過9000公里。我國自20世紀60年代北京建成第一條地鐵線路以來，經過近50年的發展，現已進入軌道交通的蓬勃發展時期，許多城市也正在大力發展地鐵、輕軌等城市軌道交通系統。軌道交通項目的建成，承擔了大量的客流，在城市交通中發揮著舉足輕重的作用，在公共交通運量中的比重也逐年上升。同時還促進了沿線土地開發，加快了城市發展，產生了明顯的國民經濟效益和社會效益。

盡管軌道交通對城市發展有巨大貢獻，給城市居民的生活帶來了很大的方便，但軌道交通運行所引發的振動問題，自運營以來一直持續受到人們的關注。城市軌道交通不可避免地會經過一些居民聚集區和重要建筑群，隨著交通密度和荷載的不斷增加，所引起的振動影響日益顯著。除此之外，振動還會影響精密設備和儀器的正常使用，甚至會對建筑物造成損害。

地鐵引起室內振動原理

地鐵列車在運行時由于輪軌相互作用產生振動，再由軌道基礎和隧道等傳播介質傳播至地面和沿線建筑物，由此進一步引起建筑物內門窗和設備等的振動，對沿線地面建筑物產生影響。

地鐵列車振動影響建筑物主要可以分為三個階段：

（1）振動產生階段，也即列車車輪對軌道的沖擊產生振動，主要包括：運行列車的重力對軌道產生沖擊，造成車輪和軌道結構振動；車輪與鋼軌發生作用產生的作用力，形成車輛與軌道結構振動；軌道不平順或車輪磨損等隨機激勵產生的振動；偏心車輪產生的周期性激勵振動。

（2）振動傳播階段，振動通過軌道基礎和隧道向周圍土壤和地面建筑傳播。

（3）振動作用階段，振動作用在沿線地面建筑物上，誘發建筑結構振動及室內家具等的二次振動和結構噪聲，對建筑物內的人群和精密儀器產生影響。

現有標準解讀

對于地鐵列車通過時引起的建筑物室內振動，現行有效的主要標準有《城市區域環境振動測量方法》（GB10071-1988）、上海市地標《城市軌道交通（地下段）列車運行引起的住宅室內振動與結構噪聲限值及測量方法》（DB31/T470-2009）和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T170-2009）。

不同標準中，對于軌道交通列車通過時引起的建筑物室內振動的測試要求和評價量不同。其中《GB10071-1988》和《DB31/T470-2009》中規定室內振動測量應使用全身振動垂向計權，頻率范圍為1~80Hz，評價量為Z計權振級最大值VLZmax。測得軌道交通列車通過時引起的建筑物室內振動垂向加速度振級頻譜，根據ISO2631/1-1985中規定的全身振動Z計權因子進行修正。在1~80Hz范圍內各1/3倍頻程中心頻率計權因子如下表1所示。

由各1/3倍頻程中心頻率上的計權加速度振級可計算得計權加速度，再根據下列公式得到Z計權振級：

《JGJ/T170-2009》中規定室內振動應測量鉛垂向振動加速度，頻率范圍為4~200Hz，評價量為各個1/3倍頻程中心頻率上經Z計權因子（參考ISO2631/1-1997[6]）修正后的最大振動加速度級，稱為分頻最大振級?！禞GJ/T 170-2009》（JGJ/T170-2009）中規定的4~200Hz范圍內各1/3倍頻程中心頻率計權因子如下表2所示。

另外，對于地鐵列車通過時引起的室內振動限值，不同標準對于不同功能區的敏感點的要求有所不同，見下表3。

通過表3可以看出，在1類區和2類區的標準上，《GB10071-1988》要求較為寬松，《JGJ/T170-2009》中限值最為嚴格。

試驗證明：當振動達到60dB時，一般人剛剛可以感覺到振動，它并不太會影響人的睡眠；當振動達到65dB時，會對睡眠有輕微影響；達到69dB時，輕睡眠的人會被驚醒；達到79dB后，所有人將被驚醒。所以，對于居民較多的2類區中，夜間振動不應高于69dB，《DB31/T470-2009》和《JGJ/T170-2009》對于2類區的標準限值較為適宜。

實測案例

為比較不同標準下軌道交通列車通過時引起建筑物室內振動的大小，對上海地鐵8號線沿線某住宅建筑進行了室內振動測試。分別測試近遠軌列車通過時引起的室內振動的時域信號，選取室內振動最大值時刻進行分析，分析頻率范圍為1~200Hz。近遠軌列車通過時引起的室內振動最大值1/3倍頻程頻譜圖如圖1所示。

圖1 近遠軌列車通過引起的建筑物室內振動最大值頻譜

分別根據ISO2631/1-1985中Z計權曲線和JGJ/T170-2009中Z計權曲線對近遠軌列車通過時引起的建筑物室內振動最大值頻譜進行計權分析，得到相應標準中的評價量。最大Z振級VLZmax和分頻最大振級的計算結果分別如下表5所示。

根據計算結果，近遠軌列車通過時引起的室內振動分頻最大振級均比最大Z振級VLZmax大，兩者差值分別為3.3dB和2.3dB。由于列車運行引起的室內振動能量主要集中在40~80Hz，兩種Z計權因子在40~80Hz中心頻率上的差值為3dB或4dB。由于分頻最大振級為單個頻率上的最大振級，最大Z振級VLZmax為1~80Hz整個頻帶上振動能量的總和，所以兩者之間的差值一般會小于40~80Hz中心頻率上計權因子的差值，一般為2~4dB。

標準限值對比

根據三種標準，近遠軌列車通過時引起的室內振動達標情況如下表6所示。

該敏感點處居民普遍反應列車經過時引起的室內振動較大，對居民的正常生活產生了一定的影響。若根據測試結果，參考《GB10071-1988》和《DB31/T470-2009》，室內振動均能達標，與居民實際感受不符。這主要是由于兩標準中最大Z振級VLZmax參考的是ISO2631/1-1985計權曲線，該曲線計權值主要是基于等感曲線以及當時采用的“疲勞-熟練度降低限”曲線來提出的。而《JGJ/T170-2009》中分頻最大振級參考的是ISO 2631/1-1997計權曲線，該計權曲線充分考慮了振動對人體健康、感覺、舒適度和運動病等諸多方面的因素，更加注重人的感受。隨著ISO2631/1-1997計權曲線的提出，已取代ISO2631/1-1985計權曲線。

所以，由于《JGJ/T170-2009》中計權方式較新，又更加注重人的主觀感受，且其規定的各功能區室內振動標準限值較為嚴格，在實際測試主要能量在40~80Hz的地鐵列車振動引起的室內振動時，較為適宜。

結論

地鐵列車通過時引起的建筑物室內振動能量主要集中在40~80Hz，根據《JGJ/T170-2009》得到的分頻最大振級比《GB 10071-1988》和《DB31/T470-2009》中所規定的最大Z振級VLZmax一般會大2~4dB。

由于《JGJ/T 170-2009》中對振動的計權方式已取代另外兩標準中計權曲線，又更加注重人的主觀感受，且其規定的各功能區室內振動標準限值較為合理，在實際測試地鐵列車振動引起室內振動時，使用該標準較為合理適宜。