謝詠梅，劉揚，辜小安

(1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100012;2.北京市地鐵運營公司，北京 100044; 3.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

1 軌道交通振動源的產(chǎn)生及工程特點

1.1 軌道交通振動源的產(chǎn)生及傳播

截至2010年底，我國軌道交通開通運營已有12個城市38條運營線路，如北京、上海、廣州、長春、重慶等，其運用車輛類型包括A、B、C型、直線電機車輛及跨座式單軌車輛，采用A型和B型車輛的運營線路占80%以上。軌道交通地下線對沿線環(huán)境的影響，主要是運營期列車運行引起的振動對地面建筑物的影響，而室內(nèi)環(huán)境所受到的振動影響是研究的關(guān)注點，也是振動環(huán)境影響評價的重點。室內(nèi)振動環(huán)境影響包括垂向振動響應(yīng)和二次輻射噪聲影響，本文重點針對鋼輪鋼軌系統(tǒng)的地鐵工程，采用A型、B型車輛在地下隧道內(nèi)運行時，對建筑物室內(nèi)地面垂向振動響應(yīng)進行相關(guān)分析。

地鐵列車在隧道行駛過程中，由于車輪在鋼軌上的滾動與撞擊作用而激發(fā)軌道結(jié)構(gòu)振動，經(jīng)鋼軌、扣件、軌枕、道床向隧道結(jié)構(gòu)傳遞，再經(jīng)隧道結(jié)構(gòu)通過土壤層傳遞至表層土壤，并通過表層土壤向臨近的建筑物傳播，從而激發(fā)地面建筑物的振動響應(yīng)，以至對沿線臨近區(qū)域產(chǎn)生振動干擾。研究表明，由于振動在地表傳導(dǎo)過程中其水平方向的衰減比鉛垂向振動衰減得快，因而鉛垂方向的振動大于水平方向的振動。人體可感知的振動頻率范圍是1～1000 Hz，1～100 Hz為敏感區(qū)。對于小于16 Hz的低頻振動更為敏感，垂向振動最敏感的頻率范圍為4～8 Hz，橫向振動為1～2 Hz。振動在傳播過程中，高頻部分比低頻部分衰減得快，因此低頻振動的影響比高頻振動大〔1〕。

當列車在地下隧道內(nèi)運行時，車速60 km/h列車通過時段距道床0.5 m處(混凝土整體道床)的鉛垂向 Z計權(quán)振動級 VLZ10值約為84～85 dB，其振動頻率主要集中在31.5～60 Hz左右〔2〕。按照城市區(qū)域環(huán)境振動限值標準考量，在正常的工程和地質(zhì)條件下，軌道交通線路兩側(cè)30 m范圍將受到不同程度的振動影響〔2〕。

1.2 軌道交通振動影響的工程特點

根據(jù)國內(nèi)地鐵建設(shè)經(jīng)驗，主要服務(wù)于城市區(qū)域的地鐵線路一般平均站間距1～1.2 km，車輛最高設(shè)計速度80 km/h，正線區(qū)間最小曲線半徑一般350～400 m，困難地段250～300 m，最大縱斷面坡度≤30‰。當線路穿越中心城區(qū)(包括主城區(qū)、老城區(qū)、舊城區(qū)、古城區(qū)和規(guī)劃新區(qū))時，一般采用地下敷設(shè)方式，中心城區(qū)以外在道路條件及沿線環(huán)境條件允許的地段采用高架或地面敷設(shè)方式。線路一般沿城市既有道路或規(guī)劃道路的路中或一側(cè)布置，道路紅線寬度要求地下線一般不小于50 m，高架線不小于60 m。地下線的隧道結(jié)構(gòu)在表層土壤以下埋設(shè)，根據(jù)城市地形、地質(zhì)特點、地面建筑及工程條件等確定線路埋深。

軌道交通對沿線的環(huán)境影響，高架線主要是對臨近線路敏感點的噪聲影響，地下線主要是對線路下穿敏感點的振動影響。由于軌道交通項目受其工程、環(huán)境等條件的制約無法采取線路避繞方案，導(dǎo)致地下線距沿線建筑物距離較近，尤其當區(qū)間隧道下穿建筑物時，列車運行對建筑物室內(nèi)環(huán)境的振動影響最為突出，特別是線路下穿居民樓、學(xué)校、醫(yī)院等振動敏感建筑，在環(huán)境影響評價中備受關(guān)注。

受列車振動影響主要是地下線路正線區(qū)間上方或兩側(cè)的敏感點，若車輛段、停車場出入線為地下線時，其出入線上方或兩側(cè)的敏感點也會受到振動影響。綜合分析近幾年國家環(huán)境保護部門評估的地鐵項目，地下線穿越或鄰近地面建筑物通常有以下幾種情況:

(1)地下線路穿越中心城區(qū)特別是地面建筑密集的老城區(qū)(或舊城區(qū))，地下線路一般沿既有道路下敷設(shè)，當線路改變走向轉(zhuǎn)彎時，線位偏移道路可能下穿地面建筑，下穿路段一般是彎道甚至小曲線彎道。

(2)地下線路穿越十字交叉路口立交橋時，為避繞立交橋樁基礎(chǔ)，導(dǎo)致地下線路下穿地面建筑，下穿路段有彎道也有直線段。

(3)地下線路沿城市既有道路下敷設(shè)，當涉及公路隧道時，地下線為避繞公路隧道而沿隧道左側(cè)或右側(cè)(或上下行線路分線)走行，導(dǎo)致地下線路下穿或臨近地面建筑，下穿線路一般為直線段，如成都軌道交通3號一期工程下穿春熙路段。

(4)工程中還會出現(xiàn)地下線路并行下穿地面建筑的情況，如南寧軌道交通1號線衡陽西－火車站區(qū)間，與2號線并行下穿鐵路小區(qū)大片住宅及南寧鐵路二小教學(xué)樓等建筑約14棟(此時還將產(chǎn)生振動疊加的影響，在此不作論述)。

(5)地下線轉(zhuǎn)向地面的過渡段，若線路距離敏感建筑較近，而且線路埋深較淺(一般小于10 m)，鄰近線路兩側(cè)的敏感點受列車振動影響較大。

(6)車輛段或停車場出入線地下段下穿地面建筑(一般為村民自建住房)，若工程采用明挖法施工，則拆遷范圍內(nèi)的地面敏感點將實施拆遷，拆遷后暴露出來的敏感點距線路距離較近;若工程采用盾構(gòu)法施工，地面敏感建筑可能保留，則線路下穿敏感建筑，上述情況比較常見。廣州地鐵7號線情況較特殊，大洲車輛段出段線和入段線分岔，出段線下穿正線后并下穿大洲村約19戶居民。

2 軌道交通振動影響范圍

2.1 軌道交通振動影響預(yù)測

根據(jù)國內(nèi)城市軌道交通工程項目環(huán)境影響評價廣泛采用的振動預(yù)測方法《城市軌道交通環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則》〔3〕(HJ453-2008)(以下簡稱《導(dǎo)則》)，對列車運行振動影響按式(1)進行計算，預(yù)測結(jié)果見表1。為便于討論，本文根據(jù)一般工程條件，在計算過程作了一定簡化和假設(shè)。在軌道交通工程環(huán)境影響評價中，實際工程條件往往更加復(fù)雜。

表1 地下線運營地面環(huán)境振動影響預(yù)測值VLZ10/dB

式中:VLz0，i——列車振動源強，列車通過時段參考點的Z計權(quán)振動級;

n——列車通過列數(shù)，n≥5;

C——振動修正項，dB，按式(2)計算;

式中:Cv——速度修正，dB;

Cw——軸重修正，dB;

CL——軌道結(jié)構(gòu)修正，dB;

CR——輪軌條件修正，dB;

CH——隧道結(jié)構(gòu)修正，dB;

CD——距離修正，dB;

CB——建筑物類型修正，dB。

假設(shè)車速、軌道結(jié)構(gòu)、線路埋深等按以下條件設(shè)定，則主要修正項及取值如下:

(1)列車振動源強:VLz10=84 dB

(2)速度修正:

式中:v0——源強的參考速度，v0=60 km/h;

v——列車通過預(yù)測點的運行速度，一般v=70 km/h。

(3)軸重修正:

式中:w0——源強的參考軸重，w0=14 t;

w——預(yù)測車輛的軸重，一般w=14 t;

(4)軌道結(jié)構(gòu)、輪軌條件及隧道結(jié)構(gòu)修正:軌道結(jié)構(gòu)為混凝土整體道床，無縫線路，車輪圓整、鋼軌表面平順，隧道結(jié)構(gòu)為單洞雙線，則 CL=0，CR=0，CH=0。

(5)距離修正:

對于隧道垂直上方的預(yù)測點(當L≤5 m時)

對于隧道兩側(cè)的敏感點(當L＞5m時):

式中:H0——隧道頂面至軌頂面的距離，H0=5.5 m;

H——預(yù)測點至軌頂面的垂直距離，線路埋深H=10 m，20 m;

L——預(yù)測點至外軌中心線的水平距離，L=0 m，5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m，35 m，40 m。

(6)建筑物類型的修正:預(yù)測計算過程暫不考慮不同建筑物的修正值，設(shè)CB=0。

2.2 軌道交通振動影響實測

截至2010年底，國內(nèi)城市軌道交通開通運營線路有38條，其中北京、上海、廣州開通運營線路有27條，占全部運營線路的71%，其中通過國家環(huán)保部組織的工程竣工環(huán)境保護驗收線路共11條。本次調(diào)查收集了北京地鐵4號線、5號線、10號線一期;上海地鐵6號線、9號線一期;廣州地鐵1號線、2號線、3號線、4號線、5號線共10條運營線路的相關(guān)資料，包括7項環(huán)保驗收調(diào)查報告，8項軌道減振性能測試評估報告，分別占3個城市運營線路的64%和40%。

對上述地鐵線路振動影響實測數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計，并與預(yù)測結(jié)果進行對比，見表2〔4－18〕。

表2 地下線運營地面環(huán)境振動影響實測與預(yù)測情況對比 VLZ10/dB

表2數(shù)據(jù)表明:對于距離線路20 m范圍內(nèi)的地面環(huán)境振動，實際測量結(jié)果與預(yù)測計算結(jié)果基本吻合，其誤差范圍在1～5 dB(實際測量值與計算預(yù)測值的點位基本對應(yīng))，其中北京、廣州地下線列車運行振動對地面環(huán)境的實際影響，低于預(yù)測計算值約1～5 dB，但上海地鐵高于預(yù)測計算值3～5 dB。由于振動影響的工程因素比較復(fù)雜，預(yù)測邊界條件及其與實際情況均存在一定差異。

2.3 軌道交通振動影響范圍及控制距離

根據(jù)上述軌道、線路、車輛、車速等設(shè)定條件及其相應(yīng)的修正量，對距線路0～20 m范圍內(nèi)的敏感點振動影響預(yù)測結(jié)果，按照環(huán)境振動現(xiàn)行標準進行評價，其評價結(jié)果見表3。表3是依據(jù)公式(1)、(2)計算并經(jīng)表2進行驗證對比的計算值。

表3 地下線運營地面環(huán)境振動影響范圍

根據(jù)表3軌道交通地下線振動影響評價結(jié)論與說明如下:

(1)評價對象:表中的預(yù)測結(jié)果為軌道交通列車運行引起的振動影響，不包含背景振動影響，一般隧洞頂部及兩側(cè)近距離的敏感建筑，其環(huán)境振動背景值比軌道交通振動值低10 dB以上。

(2)評價時段:軌道交通振動影響是按列車通過時段的振動級進行評價，振動影響與初、近、遠期各運營時段晝、夜間的列車流量無關(guān)。因此，各運營時段晝間與夜間的振動預(yù)測結(jié)果數(shù)值相同。

(3)評價標準:根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB10070)〔19〕規(guī)定的振動限值進行評價，居民文教區(qū)晝間≤70 dB，夜間≤67 dB;交通干線道路兩側(cè)晝間≤75 dB，夜間≤72 dB。

(4)評價量:按照《導(dǎo)則》相關(guān)規(guī)定，振動預(yù)測量為軌道交通列車通過時段的振動級 VLz10和 VLzmax值(本文僅作 VLz10值計算)，以 VLzz10值對標給出預(yù)測超標量及評價結(jié)果，按VLzmax值超出量確定減振措施。

(5)評價結(jié)論:當線路埋深為10～20 m時，列車在正線區(qū)間以70 km/h運行情況下:

①對于10 m以內(nèi)的敏感點，居民文教區(qū)和交通干線兩側(cè)晝、夜間標準基本超標;

②對于＞10 m，＜20 m的敏感點，居民文教區(qū)的晝、夜間標準均超標，交通干線兩側(cè)夜間標準超標;

③對于20 m以外的敏感點，基本可滿足交通干線兩側(cè)晝、夜間的標準要求。

按照交通干線兩側(cè)振動標準的要求，軌道交通振動影響范圍約20 m。表3的結(jié)果為軌道交通振動控制距離的確定提供了依據(jù)?！兜罔F設(shè)計規(guī)范》(GB50157－2003)修編版對地下線的振動防護距離要求作了調(diào)整，見表4。

表4 軌道交通地下線距敏感點的振動防護距離

上述評價結(jié)論是在一定的線路埋深(10～20 m)、列車通過車速及運行區(qū)段等工程條件下，得到的軌道交通振動影響范圍及達標情況，目前85%以上的開通運營線路與上述結(jié)論基本吻合，對于大多數(shù)城市的軌道交通項目具有較普遍的意義。但上述工程條件發(fā)生變化，如對于重慶、貴陽等山地城市或大連、青島等沿海城市，線路埋深條件變化較大，其振動影響狀況必然隨之變化。因此，軌道交通的振動影響程度、范圍應(yīng)根據(jù)敏感點的距離、高差(線路埋深)、車速等實際情況進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測超標量和實際振動影響采取相應(yīng)的軌道減振措施，不能一概而論。

3 軌道交通振動環(huán)境影響工程因素分析

從軌道交通振動傳播途徑可以看出，地下線運營對地面建筑物的振動影響與諸多因素有關(guān)，見表5。在振動影響預(yù)測中，根據(jù)工程具體情況進行預(yù)測參數(shù)取值，其振動影響程度取決于預(yù)測參數(shù)的大小，或者說振動環(huán)境影響的程度是由工程條件決定的。振動影響程度與線位距敏感點的距離、埋深、列車運行速度等工程條件更為密切，為振動影響的重要預(yù)測參數(shù)(以“*”號標注)，本節(jié)將作重點分析。

表5 軌道交通振動影響因素

3.1 距離對振動環(huán)境影響分析

城市軌道交通振動影響范圍計算結(jié)果見表6。

表6 距離與振動環(huán)境影響的對比分析

由表6可見，若正線區(qū)間下穿地面敏感建筑，線路埋深20 m，距線路5 m以內(nèi)的各敏感點振動級比較接近，變化在0.5 dB范圍內(nèi);當距離從5 m增加到10 m，振動級減小近1 dB;當距離從10 m增加到20 m，振動級衰減2 dB。

3.2 車速對振動環(huán)境影響分析

表7 車速與振動環(huán)境影響的對比分析

由表7可見，當正線區(qū)間和出、入段線均下穿地面敏感建筑，線路埋深20 m，正線區(qū)間比出、入段線敏感點的振動級高4～6 dB(不考慮出入線為彎道或道岔區(qū)段的情況)。實際運行中，一般出段線比入段線的車速高約10 km/h，出段線比入段線敏感點的振動級高2 dB。

3.3 其他工程因素的振動環(huán)境影響分析

(1)振動預(yù)測時還應(yīng)關(guān)注彎道處振動的影響，尤其小曲線彎道處的振動影響更大，而在城區(qū)范圍或出入段線下穿地面建筑的彎道線路更為多見。然而，由于測試條件所限，目前對彎道路段的振動影響測試開展極少，彎道路段的振動增加量無法確定，但彎道的振動增加量不應(yīng)忽視。

(2)《導(dǎo)則》〔3〕給出了建筑物類型的修正量，見表8，由于表中給出的取值范圍較大，不同評價單位在該項取值時差別較大，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果差距較大。建議應(yīng)對不同類型建筑物的振動影響開展更深入的研究，以確定適宜的建筑物振動修正值，保證振動預(yù)測結(jié)果的準確性。

表8 不同類型建筑物的振動修正值

4 分析結(jié)論

(1)敏感點與線位的距離、埋深、車速、線型是振動影響的關(guān)鍵因素。工程實施后距離、埋深、線型這些工程指標都是不可變因素，而在運營過程中車速是可以調(diào)控的。

(2)車速與振動影響關(guān)系較大，振動影響將會隨著車速的提高而增大。為保證預(yù)測結(jié)果的準確性，在進行振動預(yù)測計算時，通過各敏感點的列車速度應(yīng)根據(jù)列車牽引計算結(jié)果確定。在實際運營中車速受人為控制是可變因素，但在一般情況下，對下穿建筑或彎道路段不宜單純?yōu)闇p振而提出限速的要求。一是車速控制人為因素較大，二是降低車速將使平均旅行速度下降，影響線網(wǎng)的運營效率。

(3)控制振動影響的重點應(yīng)從線路規(guī)劃、用地規(guī)劃、減振措施等方面采取對策。預(yù)防軌道交通運營后產(chǎn)生的振動影響最有效的方法，就是做好軌道交通的線路規(guī)劃以及沿線用地規(guī)劃。工程線路的選線選址最為重要，沿線用地規(guī)劃控制也是非常必要的。從線路規(guī)劃角度來說，應(yīng)考慮工程的環(huán)境影響合理選線，地下線路應(yīng)盡量避免或減少下穿環(huán)境敏感建筑。從城市規(guī)劃角度來說，應(yīng)根據(jù)振動預(yù)測結(jié)果，按照振動防護距離要求不再新建敏感建筑，對于振動影響控制將是非常有效的。

(4)當?shù)叵戮€路穿越中心城區(qū)，包括主城區(qū)、老城區(qū)、舊城區(qū)或古城區(qū)時，由于人口密度大，建筑物密集，線路一般采用地下敷設(shè)方式，而未來城市發(fā)展是單中心向雙中心或多中心組團格局的發(fā)展趨勢，對于線路穿越規(guī)劃新城的中心區(qū)時，也應(yīng)采用地下敷設(shè)方式。

(5)地下線路下穿地面建筑物的路段，其隧洞頂部及兩側(cè)近距離的敏感建筑既受到運營期列車運行產(chǎn)生的振動影響，也受到施工期的振動影響，尤其特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧道施工采用礦山法爆破作業(yè)時產(chǎn)生的振動影響更為突出，因此施工期的振動影響問題不應(yīng)忽視。

［1］ 孫家麒，戰(zhàn)嘉愷，等.振動危害和控制技術(shù)［M］.北京:河北科學(xué)技術(shù)出版社，1991.52－70.

［2］ 孫家麒.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊［M］.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，2002.55－56.

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［7］ 上海船舶運輸科學(xué)研究所.上海城市軌道交通9號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.2010.

［8］ 中國環(huán)境監(jiān)測總站.廣州城市軌道交通1號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.2000.

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［10］ 環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心.廣州城市軌道交通3號線工程竣工環(huán)境保護驗收調(diào)查報告［R］.2008.

［11］ 北京鐵科工程檢測中心.北京城市軌道交通4號線軌道減振措施性能測試評估報告［R］.2010.

［12］ 北京鐵科工程檢測中心.北京城市軌道交通5號線軌道減振措施減振性能測試評估報告［R］.2008.

［13］ 北京交通大學(xué)，北京城市軌道交通設(shè)計研究所.北京城市軌道交通5號線軌道減振措施減振性能測試評估報告［R］.2009.

［14］ 鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.廣州城市軌道交通1號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估報告［R］.2007.

［15］ 中船重工集團七二五研究所.廣州城市軌道交通1號線GJ-Ⅲ減振扣件減振性能評估報告［R］.2010.

［16］ 鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.廣州城市軌道交通3號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估報告［R］.2007.

［17］ 鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.廣州城市軌道交通4號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估報告［R］.2007.

［18］ 中船重工集團七二五研究所.廣州城市軌道交通5號線GJ-Ⅲ減振扣件減振性能評估報告［R］.2010.

［19］ GB 10070－88，城市區(qū)域環(huán)境振動標準［S］.