地鐵車(chē)站地面站廳層振動(dòng)與噪聲試驗(yàn)分析

周凌宇，李龍祥，肖雙江，蘇湘祁

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 長(zhǎng)沙軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

地鐵車(chē)站進(jìn)行物業(yè)綜合開(kāi)發(fā)，充分利用其商業(yè)價(jià)值，不僅可以為地鐵建設(shè)提供巨大的資金，彌補(bǔ)地鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的資金缺口，使地鐵步入建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、再建設(shè)的良性循環(huán)，也是節(jié)約土地資源、提高土地使用率、提高社會(huì)效益的重要措施，具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有北京、上海、廣州、深圳、杭州、長(zhǎng)沙等城市在地鐵工程建設(shè)中規(guī)劃和實(shí)施地鐵車(chē)站物業(yè)綜合開(kāi)發(fā)和建設(shè)[1]。但是，地鐵車(chē)站來(lái)往頻繁的列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，經(jīng)由軌道、地基、傳播至站廳層中辦公區(qū)，容易給在上部結(jié)構(gòu)中的工作人員帶來(lái)不適感，影響工作環(huán)境質(zhì)量與人體健康。我國(guó)某城市地鐵車(chē)輛段的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)列車(chē)以15~20 km/h的速度通過(guò)時(shí)，其正上方住宅樓的振動(dòng)響應(yīng)高達(dá)85 dB[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響、評(píng)價(jià)及其控制進(jìn)行了大量的研究并取得了豐富的研究成果[2]，但是關(guān)于地鐵列車(chē)運(yùn)行引發(fā)的車(chē)站結(jié)構(gòu)，特別是“站房合一”的建筑結(jié)構(gòu)(底層為車(chē)站站廳，上層用于辦公或居住)的振動(dòng)與噪聲影響規(guī)律的研究還十分缺乏，目前暫無(wú)具體針對(duì)此類(lèi)“站房合一”建筑的振動(dòng)與噪聲的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，導(dǎo)致對(duì)車(chē)站站廳用于物業(yè)開(kāi)發(fā)的減振降噪設(shè)計(jì)無(wú)據(jù)可依。本文基于某地鐵車(chē)站列車(chē)運(yùn)行誘發(fā)的振動(dòng)與噪聲實(shí)測(cè)，通過(guò)時(shí)域分析，對(duì)列車(chē)運(yùn)行引發(fā)車(chē)站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為地面站廳層物業(yè)開(kāi)發(fā)提出合理有效的減振降噪措施，并為未來(lái)相關(guān)規(guī)范的出臺(tái)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 車(chē)站概況

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)在某地鐵站，本站為地下1層(地面站廳段設(shè)備夾層)島式車(chē)站，車(chē)站總長(zhǎng)339.355 m，有效站臺(tái)寬度為11 m。車(chē)站西端接明挖區(qū)間，東端接出入線段，并預(yù)留遠(yuǎn)期明挖區(qū)間延伸條件。該站地上商業(yè)設(shè)備用房總長(zhǎng)59.42 m，寬9 m。與車(chē)站預(yù)留通道口聯(lián)通。其中地面站廳層部分將用作長(zhǎng)沙軌道交通集團(tuán)辦公使用，并改造兩間辦公用房進(jìn)行減振降噪試用。改造后的辦公室的振動(dòng)與噪聲測(cè)試為本次檢測(cè)的重點(diǎn)。

1.2 儀器選用與測(cè)點(diǎn)布置

本次測(cè)試采用INV3060V型智能信號(hào)采集處理分析儀、941B型拾振器、DASP數(shù)據(jù)采集和分析軟件進(jìn)行信號(hào)采集和記錄，采樣頻率為410 Hz；車(chē)站噪聲等級(jí)的測(cè)量通過(guò) GM1356型在線式數(shù)字噪音計(jì)，采樣頻率0.5 Hz。所有儀器在試驗(yàn)前均已進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)列車(chē)荷載長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線上B型列車(chē)，編組為6組，總長(zhǎng)120 m。列車(chē)以80 km/h的速度減速進(jìn)站停止。每個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)記錄 23次列車(chē)通過(guò)車(chē)站時(shí)的數(shù)據(jù)，每個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)測(cè)量記錄連續(xù)20 min的瞬時(shí)A聲級(jí)。根據(jù)數(shù)據(jù)波形完整、外部環(huán)境干擾與否的原則，選取 20個(gè)有效車(chē)次進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、1/3倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)分析和振級(jí)分析。

地面站廳層拾振器置于車(chē)站站廳地面振動(dòng)敏感處，共選取7個(gè)測(cè)點(diǎn)，S1~S7。其中S1和S2測(cè)點(diǎn)分別位于將做裝修試用的辦公室房間中部；S3~S7測(cè)點(diǎn)根據(jù)柱網(wǎng)和軌道走向以及其相對(duì)于站廳層的位置布置，其中S3測(cè)點(diǎn)位于房間樓板中部，且剛好位于左側(cè)軌道中心線的正上方；S4~S6測(cè)點(diǎn)距離框架柱0.3 m，即在梁柱板的結(jié)合處；S7測(cè)點(diǎn)位于軸線C上且在梁跨中位置。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均布置于樓板中部、梁柱板梁結(jié)合處、等振動(dòng)傳播路徑的敏感地帶。選取的測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位置能較好地反映站廳層的振動(dòng)敏感性。其中S1，S2和S43個(gè)測(cè)點(diǎn)放置X，Y和Z 3個(gè)方向的拾振器(X方向平行列車(chē)運(yùn)行方向，Y方向垂直列車(chē)運(yùn)行方向，Z為豎直方向)，其余測(cè)點(diǎn)僅放置Z方向的拾振器。車(chē)站地面站廳層暫時(shí)未投入使用，其面積較大，相對(duì)開(kāi)闊，故將該區(qū)域均勻劃分13個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域1個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)；2個(gè)裝飾后的辦公室內(nèi)各1個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量20 min的瞬時(shí)A聲級(jí)。站廳測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 地面站廳測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 1 Test point arrangement in overground station hall

2 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)與減振降噪分析

2.1 振動(dòng)與噪聲的評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)適用于列車(chē)運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)有《GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》、《JGJ/T 170—2009城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其方法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》、《GB 50868—2013建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》以及《GB/T 50355—2005住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)評(píng)價(jià)量選取稍有不同；有關(guān)環(huán)境噪聲的規(guī)范主要有《GB 3096—2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。本文主要基于《GB 10070—88》、《JGJ/T 170—2009》以及《GB 3096—2008》3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)站地面站廳層的振動(dòng)舒適度以及環(huán)境噪聲等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其他規(guī)范與此3個(gè)規(guī)范內(nèi)容是相協(xié)調(diào)的，對(duì)本次評(píng)價(jià)僅作參考。評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)量的計(jì)算流程如圖2所示。其中式(1)取自《GB 10070—88》中的豎向振動(dòng)加速度級(jí)計(jì)算公式：

式中：a為實(shí)測(cè)或計(jì)算的振動(dòng)加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度， a0= 1 0-6m/s2。

式(2)和式(3)分別取自《JGJ/T 170—2009》和《GB 50868—2013》中的采用1/3倍頻程帶寬計(jì)權(quán)得到的計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)。計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度計(jì)算公式分別如下：

式中：VL為振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)(dB)；VALi為第i個(gè)中心頻率上的振動(dòng)加速度級(jí)；ai為該頻率上的計(jì)權(quán)因子，不同規(guī)范取值不同。

式(4)取自《GB 3096—2008》中等效聲級(jí)計(jì)算式：

式中：LA為t時(shí)刻的瞬時(shí)A聲級(jí)；T為規(guī)定的測(cè)量時(shí)間。

該站用于物業(yè)開(kāi)發(fā)的地面站廳層中部分做辦公使用，根據(jù)此使用環(huán)境僅考慮晝間情況，不同規(guī)范對(duì)振動(dòng)和噪聲的限值見(jiàn)表1。

表1 規(guī)范中的振動(dòng)限值Table 1 Limiting value of vibration in standard

2.2 振動(dòng)與噪聲評(píng)價(jià)

2.2.1 背景振動(dòng)

圖 3為站廳在上行和下行列車(chē)通過(guò)車(chē)站時(shí) S2測(cè)點(diǎn)的完整加速度時(shí)程曲線，圖3中240 s之后時(shí)段為背景振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，其余各測(cè)點(diǎn)的豎向、水平向背景振動(dòng)加速度時(shí)程曲線與之類(lèi)似，限于篇幅不再一一列出。背景豎向振動(dòng)加速度最大值為 0.002~0.005 m/s2，最大加速度振動(dòng)級(jí)分布在67~73 dB?！禛B 10070—88》中對(duì)鐵路干線兩側(cè)文教區(qū)環(huán)境振動(dòng)的最大豎向振動(dòng)加速度級(jí)的限值為70 dB。而實(shí)際測(cè)量值在70 dB左右，主要是因?yàn)檐?chē)站緊鄰公路車(chē)輛來(lái)往頻繁且車(chē)站外部附近有施工場(chǎng)地作業(yè)。背景豎向振動(dòng)加速度最大值為 0.002~0.005 m/s2，最大加速度振動(dòng)級(jí)分布在 67~73 dB。《GB 10070—88》中對(duì)鐵路干線兩側(cè)文教區(qū)環(huán)境振動(dòng)的最大豎向振動(dòng)加速度級(jí)的限值為70 dB。而實(shí)際測(cè)量值在70 dB左右，主要是因?yàn)檐?chē)站緊鄰公路車(chē)輛來(lái)往頻繁且車(chē)站外部附近有施工場(chǎng)地作業(yè)。

圖2 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)量的計(jì)算流程Fig. 2 Evaluation methods and computational flow of evaluation quantities

采用1/3倍頻程分析法計(jì)算得到的地面站廳層在車(chē)站無(wú)列車(chē)通過(guò)時(shí)段內(nèi)的平均振動(dòng)級(jí)則為45~53 dB，能滿(mǎn)足所有規(guī)范要求。

圖3 地面站廳層豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig. 3 Time-history curve of vibration acceleration in vertical direction of over ground station hall

2.2.2 原結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試分析

站廳各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度級(jí)列于表2，其計(jì)算流程見(jiàn)圖2中虛線部分，取《GB 10070—88》按鐵路線路兩側(cè)的文教區(qū)確定的豎向振動(dòng)限值70 dB。

由表2的比較可得：豎向最大振動(dòng)加速度明顯大于水平最大振動(dòng)加速度，豎向振動(dòng)比水平振動(dòng)大約10 dB；各規(guī)范中沒(méi)有水平方向的最大振動(dòng)限值，各測(cè)點(diǎn)豎向最大振動(dòng)加速度級(jí)超出規(guī)范限值 19.6~35.7 dB，可見(jiàn)地面站廳層內(nèi)各點(diǎn)振動(dòng)均嚴(yán)重超標(biāo)，其內(nèi)工作人員會(huì)感覺(jué)極不舒適；位于房間中部的S1~S3測(cè)點(diǎn)位置處的振動(dòng)比其他位于柱跟或梁跨中位置處的振動(dòng)略大。由于S3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于房間中部，此處樓板結(jié)構(gòu)剛度較小，正好位于列車(chē)上行線路中心的上方，且該站為地鐵2號(hào)線的終點(diǎn)站，站廳下方的軌道為曲線(將與下行線并軌用以掉頭)，輪軌接觸的振動(dòng)必定會(huì)比直線段的振動(dòng)大。同時(shí)列車(chē)經(jīng)過(guò)該測(cè)點(diǎn)時(shí)車(chē)速已經(jīng)提高，因此振動(dòng)級(jí)會(huì)比較大。

由于軌道交通振動(dòng)的間期性和長(zhǎng)期性，我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)多采用以計(jì)權(quán)加速度均方根為基礎(chǔ)的基本評(píng)價(jià)方法評(píng)估振動(dòng)對(duì)人體舒適性的影響。該站列車(chē)運(yùn)行的周期約6 min，因此本次試驗(yàn)采集以6 min為一個(gè)時(shí)間間隔，共選取20次有效值，按不同規(guī)范的1/3倍頻程計(jì)權(quán)法得到各點(diǎn)的平均振動(dòng)級(jí)。圖4為各測(cè)點(diǎn)Z方向振動(dòng)級(jí)與規(guī)范限值比較圖。

由圖4的比較可知：列車(chē)上下運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)位于房間中部的S1，S2和S3測(cè)點(diǎn)和柱腳處的S4測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)級(jí)不能滿(mǎn)足《JGJ/T 170—2009》要求的65 dB，此規(guī)范是對(duì)振動(dòng)要求最為嚴(yán)格的；而按《GB/T 50355—2005》和《GB 50868—2013》計(jì)算得到的振動(dòng)級(jí)均能滿(mǎn)足相應(yīng)要求。可見(jiàn)地面站廳原結(jié)構(gòu)的振動(dòng)并不能滿(mǎn)足所有規(guī)范要求，因此很有必要做減振處理。

表2 各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度級(jí)Table 2 Maximum vibration acceleration level of each test point

圖4 各測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)加速度級(jí)與規(guī)范限值Fig. 4 Vibration acceleration level of each testpoint in vertical direction and limiting value in standard

圖5 地面站廳層內(nèi)噪聲等級(jí)與規(guī)范限值Fig. 5 Noise level in overground station hall and limiting value in standard

2.2.3 原結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試分析

原結(jié)構(gòu)地面站廳內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)最大A聲級(jí)、20 min等效連續(xù)A聲級(jí)以及規(guī)范限值比較見(jiàn)圖4，由圖5的比較可知：地面站廳各點(diǎn)的最大瞬時(shí)A聲級(jí)在69.7~74.3 dB(A)；20 min等效連續(xù)A聲級(jí)在57.6~63.1 dB(A)，均超出規(guī)范限值的55 dB(A)。噪聲等級(jí)較高同樣是因?yàn)檎緩d緊鄰公路車(chē)輛來(lái)往頻繁且車(chē)站附近施工場(chǎng)地的作業(yè)影響。辦公環(huán)境對(duì)噪聲等級(jí)要求較高，因此必須對(duì)辦公位置做降噪處理。

2.3 減振降噪分析

2.3.1 減振降噪措施

對(duì)于地鐵車(chē)站，影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)的因素主要有列車(chē)速度、機(jī)車(chē)類(lèi)型、隧道基礎(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)類(lèi)型、軌道類(lèi)型、是否有隔振措施等，因此地鐵車(chē)站最常見(jiàn)的減振措施為采用彈性短軌枕、特殊扣件、橡膠浮置板道床、在結(jié)構(gòu)柱下承臺(tái)周?chē)O(shè)置粗砂隔振溝或車(chē)站主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置隔振措施等。

由于該站已經(jīng)建成且部分已投入使用，以上針對(duì)振動(dòng)源頭的減振降噪措施已不可能采用。本次地面站廳層辦公室的減振降噪改造主要采用“房中房”的隔離措施阻斷地面站廳層的振動(dòng)接受通道。本次改造的主要措施有：1)從地面樓板向上依次鋪設(shè)11 mm厚吸音板雙層、12 mm厚減振墊1層、40 mm厚帶鋼絲網(wǎng)水泥砂漿找平層，以減小接觸剛度增大上部質(zhì)量。2)柱體用雙層10 mm厚隔振墊包裹，墻體與柱螺栓節(jié)點(diǎn)孔內(nèi)用橡膠膨脹套隔振，節(jié)點(diǎn)板上下各墊30 mm和10 mm厚橡膠減振墊圈。3)辦公室隔墻采用輕質(zhì)減振龍骨架與柱墻節(jié)點(diǎn)通過(guò)橡膠墊圈連接。4)隔墻內(nèi)置75 mm厚吸音棉，室內(nèi)表面黏貼10 mm厚吸音棉做美化裝飾墻面。

2.3.2 減振降噪效果分析

在改造后試用的辦公室原位處再次做振動(dòng)與噪聲測(cè)試，原結(jié)構(gòu)與改造后結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3和表4。表中1S′和2S′表示減振降噪改造后辦公室同位置測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

由表3可得：做了減振降噪裝修的辦公室內(nèi)的測(cè)點(diǎn)1S′和2S′位置的 Z方向最大振動(dòng)加速度級(jí)比原結(jié)構(gòu)振動(dòng)減小約13 dB，相比于規(guī)范限值70 dB仍超標(biāo)27%；水平向最大振動(dòng)加速度級(jí)比原結(jié)構(gòu)振動(dòng)減小約10 dB。

由表4可得：改造后結(jié)構(gòu)在列車(chē)運(yùn)行間隔周期內(nèi)的平均計(jì)權(quán)振動(dòng)級(jí)均比原結(jié)構(gòu)振動(dòng)小。但是按照《JGJ/T 170—2009》計(jì)算得到的振動(dòng)級(jí)仍不能滿(mǎn)足要求?？梢?jiàn)減振措施對(duì)地面站廳層的減振動(dòng)有一定作用，但并沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求。

表3 各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比Table 3 Comparison of maximal vibration acceleration level of each test point

表4 各測(cè)點(diǎn)豎向平均振動(dòng)級(jí)對(duì)比Table 4 Comparison of average vibration level in vertical direction of each test point

表 5為辦公室位置改造前后的噪聲等級(jí)比較表，由表5中的比較可得：改造后辦公室內(nèi)的等效聲級(jí)均能滿(mǎn)足規(guī)范要求的55 dB，比裝修改造前的噪聲等級(jí)降低約10 dB；且做精裝修的2號(hào)辦公室比做普通裝修的1號(hào)辦公室噪聲等級(jí)小3.3 dB。可見(jiàn)降噪措施對(duì)降低站廳內(nèi)噪聲等級(jí)效果明顯。

表5 辦公室內(nèi)噪聲等級(jí)對(duì)比Table 5 Comparison of noise level of the office

3 結(jié)論

1) 地鐵車(chē)站地面站廳層在列車(chē)經(jīng)過(guò)車(chē)站時(shí)，具有較強(qiáng)的水平振動(dòng)和豎向振動(dòng)，樓層的水平振動(dòng)明顯小于豎向振動(dòng)；且最大值出現(xiàn)在地面站廳層的樓層開(kāi)間較大房間的中部，其豎向振動(dòng)級(jí)較柱腳和框架梁跨中的振動(dòng)級(jí)大約10 dB。

2) 試用辦公室在底部加設(shè)減振墊，在節(jié)點(diǎn)處加設(shè)橡膠墊等處理后，平均振動(dòng)級(jí)降低明顯，滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)于地鐵車(chē)站地面站廳層中部分區(qū)域用于辦公場(chǎng)地的改造，此種“房中房”的減振措施效果明顯。但是同位置處的最大振動(dòng)加速度振動(dòng)級(jí)仍不能滿(mǎn)足規(guī)范要求?？梢?jiàn)，地鐵站廳的后期減振并不太理想，因此，在地鐵建設(shè)時(shí)需要從振動(dòng)的源頭在建設(shè)初期全面考慮日后運(yùn)營(yíng)時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題。

3) 車(chē)站地面站廳層試用辦公室的加設(shè)吸音棉等降噪措施效果明顯，改造后的辦公室內(nèi)噪聲等級(jí)完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4) 目前暫無(wú)具體針對(duì)由于地鐵列車(chē)運(yùn)行引起的此類(lèi)用于綜合物業(yè)開(kāi)發(fā)的“站房合一”建筑的振動(dòng)與噪聲的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，導(dǎo)致對(duì)車(chē)站站廳用于物業(yè)開(kāi)發(fā)的減振降噪設(shè)計(jì)無(wú)據(jù)可依，因此建議盡快出臺(tái)相關(guān)規(guī)范要求。

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