城市軌道交通環(huán)境影響評價振動預(yù)測模型對比分析

曹宇靜

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

城市軌道交通環(huán)境影響評價振動預(yù)測模型對比分析

曹宇靜

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，在已經(jīng)開通運營的線路中，地下線比重相當(dāng)大，約占總線路長度的70%。地下線在運營過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響主要為環(huán)境振動。因此，預(yù)測列車運營過程中產(chǎn)生的環(huán)境振動影響是地下線環(huán)境影響評價的關(guān)鍵。通過系統(tǒng)地對比分析國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)（《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》（HJ453-2008））和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)（《地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》（DB11/T 838-2011））中推薦的環(huán)境振動預(yù)測模型，結(jié)合地鐵實際運營過程中產(chǎn)生的環(huán)境振動影響，分析這兩種振動預(yù)測模型各自的優(yōu)點和不足之處，為下一階段國標(biāo)和北京市地標(biāo)的修訂工作提出針對性的意見和建議。

環(huán)境振動；城市軌道交通；地下線；環(huán)境影響評價；振動預(yù)測模型

城市軌道交通是指具有運量大、速度快、安全、準(zhǔn)點、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點的交通方式，包括地鐵、輕軌、快軌、有軌電車等。根據(jù)《2015年中國城市軌道交通運營線路統(tǒng)計和分析》[1]，截至2015年12月31日，中國內(nèi)地開通運營城市軌道交通線路的城市共計25座，運營線路總長為3 293 km。在各城市軌道交通運營里程排序中，上海以627 km名列第一，北京以555 km名列第二，廣州、南京、重慶分別以260 km、232 km、202 km名列第三、四、五名。在各城市軌道交通運營線路數(shù)量排序中，北京以18條線路名列第一，上海以16條線路名列第二，廣州、南京、大連分別以10條、7條、6條名列第三、四、五名。在中國內(nèi)地所有的城市軌道交通運營線路中，有地下線、高架線、地面線等幾種形式，其中，以地下線為主，地下線約占總線路長度的70%。

鑒于目前城市軌道交通線路敷設(shè)方式以地下線路為主，地下線路的振動影響是城市軌道交通的主要環(huán)境影響問題。列車運行過程中，由于車輪與鋼軌之間產(chǎn)生撞擊，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)傳到地面，并通過地面向建筑物傳播，從而對周圍區(qū)域產(chǎn)生振動干擾[2]。

因此，環(huán)境振動影響預(yù)測是城市軌道交通地下線環(huán)境影響評價的重要內(nèi)容，而振動預(yù)測模型的確定又是環(huán)境振動影響預(yù)測的關(guān)鍵。

1 目前普遍采用的振動預(yù)測模型

目前城市軌道交通地下線環(huán)境振動影響預(yù)測方法普遍采用模型預(yù)測法，振動預(yù)測模型主要為分為兩類：一類為國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》（HJ453-2008）[3]中推薦的環(huán)境振動預(yù)測模型（以下簡稱為“國標(biāo)振動預(yù)測模型”）；一類為地方環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)，如北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》（DB11/T 838-2011）[4]中推薦的環(huán)境振動預(yù)測模型（以下簡稱為“北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型”）。下面分別介紹一下這兩種預(yù)測模型。

1.1 國標(biāo)振動預(yù)測模型

國標(biāo)適用于地鐵、輕軌等輪軌導(dǎo)向系統(tǒng)的城市軌道交通建設(shè)項目環(huán)境影響評價，單軌、有軌電車、自動導(dǎo)軌、直線電機軌道交通建設(shè)項目環(huán)境影響評價參照執(zhí)行。

國標(biāo)振動預(yù)測模型中預(yù)測點處的振動值VLZ計算公式見式（1）。

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，單位為dB，按式（2）計算；

式中

CV——速度修正，單位為dB；

CW——軸重修正，單位為dB；

CL——軌道結(jié)構(gòu)修正，單位為dB；

CR——輪軌條件修正，單位為dB；

CH——隧道結(jié)構(gòu)修正，單位為dB；

CD——距離修正，單位為dB；

CB——建筑物類型修正，單位為dB。

(1)速度修正CV

式中

v0——源強的參考速度，單位為km/h；

v——列車通過預(yù)測點的運行速度，單位為km/h。

(2)軸重修正CW

式中

w0——源強的參考軸重，單位為t；

w——預(yù)測車輛的軸重，單位為t。

(3)軌道結(jié)構(gòu)修正CL，可參考表1選用。

表1 不同軌道結(jié)構(gòu)的減振量/dB

(4)輪軌條件修正CR，可參考選用表2。

表2 不同輪軌條件的減振量/dB

(5)隧道結(jié)構(gòu)修正CH

由于各類隧道結(jié)構(gòu)差別較大，情況比較復(fù)雜，建議盡量采用類比測量法，即選擇類似的隧道結(jié)構(gòu)，通過類比方法確定修正值。

(6)距離修正CD（地下段）

①隧道垂直上方預(yù)測點（當(dāng)L≤5 m時）

式中

H0——隧道頂至軌頂面的距離，單位為m。

②隧道兩側(cè)預(yù)測點（當(dāng)L＞5 m時）

式中

R——預(yù)測點至隧道底部外軌中心線的直線距離，單位為m，采用下式計算得出

L——預(yù)測點至外軌中心線的水平距離，單位為m；

H——預(yù)測點至軌頂面的垂直距離，單位為m；

λ——地層阻尼因子，見表3。

表3 地層內(nèi)部阻尼因子

(7)建筑物修正CB

預(yù)測建筑物室內(nèi)振動時，應(yīng)根據(jù)建筑物類型進行修正。不同建筑物室內(nèi)振動響應(yīng)不同，一般將建筑物劃分為三種類型進行修正，見表4。

表4 不同類型建筑物的振動修正值/dB

1.2 北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型

北京市地標(biāo)適用于指導(dǎo)北京地鐵建設(shè)項目噪聲與振動環(huán)境影響評價工作，具體措施的設(shè)計和既有線路的降噪隔振治理可參照執(zhí)行。

北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型中預(yù)測點處的振動值VLzmax計算公式見式（7）

式中

VLZmax0,i——列車振動源強，列車通過時段隧道洞壁的參考點Z計權(quán)振動級最大值，單位為dB；

n——列車通過列數(shù)，n≥5；

C——振動修正項，單位為dB。

振動修正項C，按式（8）計算。

式中

C軌道減振措施——軌道減振措施修正，單位為dB；

C車速——車速修正，單位為dB；

C彎道——彎道修正，單位為dB；

C過渡段——過渡段修正，單位為dB；

C車況載重等——車況載重修正，單位為dB；

C埋深——埋深修正，單位為dB；

C水平衰減——水平衰減修正，單位為dB；

C建筑物——建筑物修正，單位為dB。

(1)軌道減振措施修正C軌道減振措施，可參考表5選用。

表5 不同減振措施修正量/dB

(2)車速修正C車速，可參考表6選用。

表6 車速修正量/dB

(3)彎道修正C彎道，可參考表7選用。

表7 彎道修正量/dB

(4)過渡段修正C過渡段，按下述方法確定：距離兩種減振措施連接點前后各100 m范圍內(nèi)為過渡段。過渡段外修正量按表5進行修正，過渡段內(nèi)應(yīng)按式（9）計算。

式中

C減振措施A——A減振措施修正量，單位為dB。

C減振措施B——B減振措施修正量，單位為dB。

其中C減振措施A≥C減振措施B

CL——L處修正量

L——自兩種減振措施連接點向A減振措施方向延伸100 m作為原點，即為過渡段上距原點的距離。

(5)車況載重等修正C車況載重，在車況載重輪軌條件與平穩(wěn)駕駛水平等因素綜合影響下，源強振動的修正量可參考表8選用。

表8 車況載重等修正量/dB

(6)埋深修正量C埋深，可參考表9選用。

表9 埋深修正量/dB

(7)水平衰減修正量C水平衰減，可參考表10選用。

(8)建筑物修正量C建筑物，可參考表11選用。

2 兩種振動預(yù)測模型的對比分析

國標(biāo)和北京市地標(biāo)中振動預(yù)測模型的計算公式本質(zhì)是一樣的，不同的是：

（1）國標(biāo)振動預(yù)測模型的預(yù)測值和源強值為依據(jù)ISO2631-85Z計權(quán)網(wǎng)絡(luò)確定的Z計權(quán)振動加速度級，而北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型的預(yù)測值和源強值為依據(jù)ISO2631-97Z計權(quán)網(wǎng)絡(luò)確定的Z計權(quán)最大振動加速度級；

（2）振動修正項C中的修正參數(shù)不完全一致。

對于同一個振動源，即在振動源強相同的情況下，使用國標(biāo)和北京市地標(biāo)對同一個預(yù)測對象進行預(yù)測，得出的預(yù)測值不同，主要是由于二者振動修正項C的不同。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)，這兩種振動預(yù)測模型所采用的振動修正項C有相同之處，亦有不同之處，分析如下：

1）國標(biāo)和北京市地標(biāo)均對速度進行了修正，當(dāng)列車勻速行駛時，二者的速度修正計算公式相同；不同的是北京市地標(biāo)還劃分了列車的不同運行狀態(tài)，即分為勻速、加速、減速三個狀態(tài)，不同狀態(tài)下速度修正量不同，而國標(biāo)沒有細分，統(tǒng)一采用一個修正公式；

2）國標(biāo)對列車軸重進行了修正，北京市地標(biāo)的振動修正項中沒有考慮列車軸重這個參數(shù)；

3）國標(biāo)和北京市地標(biāo)均對軌道結(jié)構(gòu)進行了修正，只是在修正參數(shù)名稱上有所不同，國標(biāo)稱之為“軌道結(jié)構(gòu)修正”，北京市地標(biāo)稱之為“軌道減振措施修正”；雖然國標(biāo)和北京市地標(biāo)針對該修正參數(shù)劃分的等級均為五級，但各個等級的修正量有所不同，國標(biāo)給出的是一個范圍值，而北京市地標(biāo)給出的是一個固定值；

4）國標(biāo)和北京市地標(biāo)均對列車輪軌條件、線路條件進行了修正，只是在修正參數(shù)名稱上有所不同，國標(biāo)稱之為“輪軌條件修正”，北京市地標(biāo)稱之為“車況載重等修正”，但是，二者的修正量有所不同，當(dāng)列車輪軌、線路條件不好時，國標(biāo)給出的修正量是一個范圍值，北京市地標(biāo)給出的修正量是一個固定值；

5）國標(biāo)和北京市地標(biāo)均對距離進行了修正，但二者在修正參數(shù)上差異較大：國標(biāo)沒有將距離分為“水平距離”和“埋深”分別進行修正，而是對距離進行了整體修正，但針對預(yù)測點，分為“隧道垂直上方預(yù)測點”和“隧道兩側(cè)預(yù)測點”，然后用不同的修正公式進行了修正；北京市地標(biāo)沒有針對預(yù)測點進行詳細劃分，但是將距離分為“水平距離”和“埋深”分別進行了修正，并且在修正時將水平距離和埋深分別劃分了幾個不同的等級，每一個等級對應(yīng)一個固定的修正量；

6）國標(biāo)和北京市地標(biāo)均對建筑物進行了修正，并且在對建筑物類型的劃分上完全一致，但二者對同一類型的建筑物的修正量不同，國標(biāo)給出的是一個范圍值，北京市地標(biāo)給出的是一個固定值；

7）國標(biāo)將“隧道結(jié)構(gòu)”作為修正參數(shù)，但是沒有給出具體的修正量或計算公式，僅提出“應(yīng)選擇類似的隧道結(jié)構(gòu)，通過類比方法確定修正值”；北京市地標(biāo)沒有考慮該修正參數(shù)；

8）北京市地標(biāo)將“彎道”和“過渡段”作為修正參數(shù)，并且針對這兩個修正參數(shù)，分別給出了修正量和計算公式；國標(biāo)沒有將這兩者作為修正參數(shù)。

3 兩種振動預(yù)測模型的優(yōu)缺點比較

國標(biāo)和北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型的機理本質(zhì)上是一樣的，二者在振動修正項C上修正參數(shù)的選取的不同，導(dǎo)致二者在振動預(yù)測時有各自的優(yōu)缺點。

3.1 國標(biāo)振動預(yù)測模型的優(yōu)缺點

國標(biāo)振動預(yù)測模型的優(yōu)點在于：

(1)考慮了“軸重”這一修正參數(shù)，由于列車產(chǎn)生的振動主要來源于車輪與鋼軌之間產(chǎn)生的撞擊，因此，“軸重”作為列車的主要指標(biāo)之一，對于撞擊的強度有著重要的影響，故而對振動源強也有一定的影響；

(2)考慮了“隧道結(jié)構(gòu)”這一修正參數(shù)，由于列車產(chǎn)生的振動最終經(jīng)隧道結(jié)構(gòu)傳播到地面，因此，隧道結(jié)構(gòu)將直接影響到預(yù)測點的振動預(yù)測值[5–6]。

表10 地面水平距離衰減修正量/dB

表11 建筑物修正量/dB

國標(biāo)振動預(yù)測模型的缺點在于：

(1)沒有考慮“彎道”和“過渡段”這兩個修正參數(shù)，由于列車產(chǎn)生的振動來源于車輪與鋼軌之間的撞擊，根據(jù)對已經(jīng)投入運營的地鐵線路的實測結(jié)果，當(dāng)其他條件相同時，由于彎道、過渡段的鋼軌的不平順，使得列車在彎道和過渡段處產(chǎn)生的振動明顯高于在平直軌道上產(chǎn)生的振動，因此，不考慮這兩個修正參數(shù)，對預(yù)測值的準(zhǔn)確性會有一定的影響；

(2)國標(biāo)中振動修正項C中的修正參數(shù)（如軌道結(jié)構(gòu)修正、輪軌條件修正、建筑物修正）給出的是范圍值，且上、下限差距較大，當(dāng)針對同一個預(yù)測對象進行預(yù)測時，不同的預(yù)測者由于采用了不同的修正參數(shù)值，得出的預(yù)測結(jié)果可能相差較大，這導(dǎo)致國標(biāo)在實際運用中，缺乏一定的可操作性。

3.2 北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型的優(yōu)缺點

北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型的優(yōu)點在于：

(1)考慮了“彎道”和“過渡段”這兩個修正參數(shù)，比較符合地鐵在實際運行過程中產(chǎn)生的振動影響；

(2)地標(biāo)中振動修正項C中的修正參數(shù)均采用公式或固定值計算，避免了由于人為因素而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)較大差距，這使得地標(biāo)在實際運用中，具有較強的可操作性。

北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型的缺點在于：

(1)沒有考慮“軸重”這一修正參數(shù)，在地標(biāo)中給出了6節(jié)編組B型車的振動源強，但當(dāng)列車的車型、編組不同時，如果不進行“軸重”修正，直接采用給定的源強進行預(yù)測的話，對預(yù)測值的準(zhǔn)確性會有一定的影響；

(2)地標(biāo)中列出了“埋深”這一修正參數(shù)，并且將小于等于20 m的地鐵線路埋深劃分為3個等級，分別給出了對應(yīng)的修正量，但是沒有給出大于20 m的埋深所對應(yīng)的修正量。目前，在北京市已經(jīng)投入運營的地鐵線路中，有的埋深已經(jīng)超過了20 m，因此，“埋深”這一修正參數(shù)亟需修改完善；

(3)地標(biāo)中列出了“水平衰減”這一修正參數(shù)，并且根據(jù)振動環(huán)境評價范圍，將水平距離劃分為6個等級，分別給出了對應(yīng)的修正量，然而第五個等級（距離為40 m＜d≤50 m，修正量為-5 dB）和第六個等級（距離為50 m＜d≤60 m，修正量為-9 dB）的修正量差距較大，這有可能會導(dǎo)致預(yù)測點的距離僅差0.1 m時，預(yù)測結(jié)果可能相差4 dB，與實際情況不符，因此，“水平衰減”這一修正參數(shù)亟需修改完善。

4 結(jié)語

（1）國標(biāo)和北京市地標(biāo)振動預(yù)測模型在實際運用時，都有各自的優(yōu)點和不足之處，在進行城市軌道交通振動環(huán)境影響評價時，應(yīng)將這兩種振動預(yù)測模型有機地相結(jié)合，靈活應(yīng)用，揚長避短，使得得出的預(yù)測結(jié)果更加貼近實際情況；

（2）國標(biāo)中振動修正項C沒有將“彎道”和“過渡段”作為修正參數(shù)，這對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性將產(chǎn)生一定的影響，建議在下一步修訂國標(biāo)的過程中，考慮這兩項修正參數(shù)，可以參照北京市地標(biāo)中這兩項修正參數(shù)的修正量和修正公式；

（3）國標(biāo)中軌道結(jié)構(gòu)修正、輪軌條件修正、建筑物修正這三個修正參數(shù)的修正量為范圍值，且上、下限差距較大，建議在下一步修訂國標(biāo)的過程中，深入研究分析這類修正參數(shù)的修正量，避免由于人為因素而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，增強國標(biāo)在實際運用過程中的可操作性；

（4）北京市地標(biāo)中振動修正項C沒有將“軸重”作為修正參數(shù)，這對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性將產(chǎn)生一定的影響，建議在下一步修訂地標(biāo)的過程中，考慮該修正參數(shù)，可以參照國標(biāo)的軸重修正公式：

（5）建議北京市地標(biāo)補充完善“埋深”修正參數(shù)，增加20 m以上的埋深所對應(yīng)的修正量；建議深入研究“水平衰減”修正參數(shù)所對應(yīng)的修正量，特別是水平距離為50 m＜d≤60 m時的修正量，使得預(yù)測結(jié)果更加貼近實際情況。

[1]樊佳慧，張琛，盧愷，等.2015年中國城市軌道交通運營線路統(tǒng)計與分析[J].都市快軌交通，2016，29(1)：1-3.

[2]辜小安.城市軌道交通環(huán)境影響評價中地下線路振動源強取值存在的問題與建議[J].鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2013，3(5)：211-215.

[3]HJ453-2008，環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通[S].

[4]DB11/T 838-2011，地鐵噪聲與振動控制規(guī)范[S].

[5]謝詠梅，劉揚，辜小安.城市軌道交通地下線工程條件對振動環(huán)境影響的研究分析[J].鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2011，1（5）：237-243.

[6]謝詠梅，劉揚，辜小安.城市軌道交通地下線振動環(huán)境影響分析[J].都市快軌交通，2012，25[2]：59-63.

Comparison andAnalysis of Vibration Prediction Models in Environmental ImpactAssessment of Urban Rail Transit

CAO Yu-jing
(ChinaAcademy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

Urban rail transit has developed rapidly in recent decades.Underground lines occupy a considerable proportion,about 70%,of all the rail transit lines.However,the running trains on the underground transit lines can cause environmental vibration.Therefore,prediction of the environmental vibration induced by the underground trains operation is the key of the environmental impact assessment of the underground transit lines.In this paper,the vibration prediction models recommended by the state environmental protection standard—“Technical Guidelines for Environment Impact Assessment of Urban Rail Transit”(HJ453-2008)and the local environmental protection standard of Beijing—“Code for Application Technique of Metro Noise and Vibration Control”(DB11/T 838-2011)are compared and analyzed.Considering the environmental vibration impact in the process of actual train operation,the advantages and disadvantages of the two vibration prediction models are analyzed.The corresponding opinions and suggestions are proposed for further revision of the national standard and the Beijing local standard.

environmental vibration;urban rail transit;underground lines;environmental impact assessment;vibration prediction model

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.039

1006-1355(2017)02-0192-05

2016-11-04

曹宇靜（1985－），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，碩士，目前主要從事城市軌道交通環(huán)境影響評價工作。E-mail:780954650@qq.com