城市軌道交通環(huán)境振動對人體影響的暴露-響應(yīng)關(guān)系研究現(xiàn)況

馬 蒙，張厚貴

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044；2.北京市勞動保護科學研究所，北京100054）

伴隨我國軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和人們環(huán)保意識的日益增強，軌道交通引起的環(huán)境振動和噪聲受重視程的度也越來越高，高要求的減振降噪已成為城市軌道交通發(fā)展面臨的一項重大挑戰(zhàn)[1]。近年來，城市地鐵沿線居民對振動的投訴時有發(fā)生，解決地鐵振動擾民問題是發(fā)展綠色軌道交通不容回避的問題。造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的，與環(huán)境評價、振動預(yù)測、軌道選型等因素都有關(guān)系，其中一個重要的無法回避的關(guān)鍵問題是：我國目前地鐵列車環(huán)境振動對居民影響的暴露-響應(yīng)（Exposure-response）關(guān)系究竟處于何種量級、分布形式如何。換言之，振動水平與居民舒適度（或煩惱度）比例之間的關(guān)系是什么？正如文獻[2]在論述我國城市軌道交通環(huán)境振動研究現(xiàn)況時指出：由于我國在人體振動暴露-響應(yīng)關(guān)系研究上的滯后使得大量振動投訴事件和環(huán)境振動評價缺乏科學依據(jù)的判別標準。本文將就這一問題，對國內(nèi)外研究進展進行總結(jié)和論述。

1 振動暴露-響應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)研究

振動對人體舒適度（或煩惱度）的暴露-響應(yīng)關(guān)系是一項基礎(chǔ)性研究工作，涉及工程、醫(yī)學、心理學等多個交叉學科。通常需要通過調(diào)研、問卷調(diào)查、振動測試與試驗、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析并持續(xù)積累數(shù)據(jù)以形成暴露-響應(yīng)曲線。暴露-響應(yīng)曲線反映了振動水平的客觀量級與人體煩惱度主觀響應(yīng)間的關(guān)系，它可成為政府和科研單位確定環(huán)境振動標準的依據(jù)。

居住房間內(nèi)振動水平與振源特性、振源距離、傳播路徑、建筑基礎(chǔ)形式、建筑結(jié)構(gòu)形式、房屋開間大小等若干因素相關(guān)，上述因素一旦確定，即可客觀測試出居住房間樓板的振動量大小。研究表明：人體對振動的感受不僅取決于振動方向、振動頻率、振動持時、人體姿勢、人的性別與年齡等，還與人體健康狀況、對振動的經(jīng)歷、對房間內(nèi)有價值物品的主觀擔憂等無數(shù)不確定因素有關(guān)[3-4]。因此，人對振動的主觀反應(yīng)受個體差異影響極大。單一個體對振動反應(yīng)的參考意義不大，只有大樣本統(tǒng)計得到的人體對振動響應(yīng)煩惱度比例才對暴露-響應(yīng)關(guān)系有價值。

表1總結(jié)的歐美部分國家室內(nèi)振動限值與人體干擾比例之間的關(guān)系?？梢钥闯觯喝魏我粋€國家的振動標準都無法確保100 %的居住人群不受到干擾。政府或環(huán)保部門可根據(jù)該國經(jīng)濟發(fā)展水平和人民對環(huán)境振動舒適度的需求，先確定滿足舒適度要求的人群比例，再確定合適的振動標準限值。

表1 部分國家室內(nèi)振動限值與對人體干擾的比例關(guān)系

由于列車振動對人煩惱度影響問題屬于客觀外界刺激與主觀人體響應(yīng)相互作用的問題，根據(jù)斯蒂芬冪定律（Steven’s power law）[5]，主觀感知量與客觀刺激量的乘方成正比，即：

式中：?為外界物理刺激；ψ為受外界刺激引發(fā)的主觀感知量級，n為與刺激類型有關(guān)的增長常數(shù)，k為比例常數(shù)。Morioka 和Griffin[6]、Wyllie和Griffin[7]的研究表明，增長常數(shù)與振動激勵方向以及激振頻率密切相關(guān)。

針對軌道交通振動引起鄰近居民煩惱度增強的問題，國外研究主要采用測試、實驗與主觀問卷調(diào)查的形式，尋找振動暴露-響應(yīng)關(guān)系，為各國標準中振動限值的確定提供依據(jù)。表2總結(jié)了部分國內(nèi)外軌道交通振動暴露-響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)性研究。

表2 軌道交通振動暴露-響應(yīng)關(guān)系研究

可以看出，上述研究對象以地面客運和貨運鐵路為主，專門針對城市軌道交通的研究較少。數(shù)據(jù)樣本通常在數(shù)百個，有的研究樣本超過一千或兩千個。上述研究還表明：典型暴露-響應(yīng)關(guān)系（曲線）中，振動對人群干擾的百分比隨著振動水平的增加而呈指數(shù)地增加。

2 國內(nèi)列車振動對人體舒適度評價

2.1 振動舒適度評價方法

進行列車振動環(huán)境影響評價時，振動對人體舒適度的影響是個無法回避的問題。人體對所處環(huán)境振動響應(yīng)的舒適度是一個難于定義和測量的主觀概念，目前尚無統(tǒng)一的評價標準。在評價列車振動對建筑內(nèi)人體舒適度影響時，目前國內(nèi)通常采用的方法有兩種：

其一是將計算或測試的樓板振動響應(yīng)與既有標準中的限值對標。例如，在研究高鐵車站或橋建合一的高架車站時，劉海鑫等[23]、馮讀貝[24]采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[25]限值對標評價人體舒適度，彭濤[26]采用美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指南AISC[27]對候車廳結(jié)構(gòu)進行舒適度評價。需要指出的是，由于國內(nèi)目前尚沒有針對交通振動且基于人體舒適度研究的標準和限值，因此尋求其他標準未必是合適的。

其二是將計算或測試的樓板振動響應(yīng)與國外標準中煩惱度曲線對標比較，以評價建筑樓板振動是否滿足舒適度要求，如周立[28]、丁潔民等[29]、謝偉平等[30]的研究。這種方法能較為便捷地給出預(yù)測振動或測試振動與煩惱度曲線的關(guān)系。但存在如下問題無法解決：（1）國外標準中的煩惱度曲線與國內(nèi)振動標準限值之間是什么關(guān)系？滿足國內(nèi)振動標準是否自動滿足國外煩惱度曲線，反之滿足煩惱度曲線是否滿足國內(nèi)振動標準？例如，楊娜等[31]通過實測北京南站列車運行引起站房振動響應(yīng)，并與不同規(guī)范比較，認為現(xiàn)行規(guī)范與“房橋合一”結(jié)構(gòu)中實際人體煩惱率并不吻合。（2）不同振源特性引起的人體對振動的煩惱程度差異很大，例如Sharp等[32]、Maclachlan等[33]和Waye等[34]針對歐洲地面客運、貨運列車對人體睡眠和煩惱度影響進行了詳細研究，證明貨運列車對人體影響遠大于客運列車，從而擬合出不同的振動暴露-響應(yīng)曲線。而國內(nèi)軌道交通（尤其是地鐵）的發(fā)車間隔、軌道形式、地層條件、運行速度等都與國外存在較大差異，目前我國關(guān)于列車環(huán)境振動對人體影響的暴露響應(yīng)關(guān)系研究還非常缺乏，因此凸顯出進行環(huán)境振動舒適度評價的困難。

2.2 調(diào)查與試驗研究

基于舒適度的合理的振動控制限值確定需要針對特定的振源類型，采用客觀振動量和主觀感知量相結(jié)合的研究方法。我國在制定《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》時，曾進行過近2 000 個樣本的問卷調(diào)查和測試[21-22]，發(fā)現(xiàn)：振級每增加5 dB有反應(yīng)的人數(shù)增加10%，當振動強度達到80 dB 時可引起50%左右的居民“高煩惱度”反應(yīng)，并基于此制定了鐵路干線兩側(cè)振動限值。由于上述研究開展較早，振源亦非針對城市軌道交通，近年來同類標準制定和修訂時，鮮有類似的基礎(chǔ)研究工作見諸報道。

針對地鐵沿線及車輛段住宅建筑振動擾民問題，麻云英等[35]、謝鵬等[36]進行了600 個樣本的入戶調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)地鐵振動引起失眠狀態(tài)的居民比率高達37.7%，且振動達標的情況下居民反應(yīng)仍然強烈。遺憾的是這一調(diào)查缺乏對振動響應(yīng)測試數(shù)據(jù)及其與煩惱度關(guān)聯(lián)的深入分析，依然沒有構(gòu)建出我國地鐵振動對人體影響的暴露-響應(yīng)關(guān)系。

此外，楊娜等[37]對544 個有效樣本進行統(tǒng)計，基于模糊數(shù)學評價理論，得到了北京南站“房橋合一”站廳結(jié)構(gòu)的煩惱率函數(shù)。朱瑾如等[38]對上海地鐵8號線附近某小區(qū)進行了現(xiàn)場測試和調(diào)查研究，認為僅使用規(guī)范評估地鐵振動影響會使結(jié)果偏于樂觀。

表3 可用于環(huán)境振動和室內(nèi)振動評價的標準

2.3 國內(nèi)振動標準與評價指標

我國目前可用于環(huán)境振動和室內(nèi)振動評價的標準有多個，如表3所示，除GB10070一般用于建筑物外環(huán)境振動外，GB/T50355、GB50868 和JGJ/T170[41]均可用于室內(nèi)振動評價。這些標準的評價指標雖然都基于豎向加速度，但分析統(tǒng)計方式不同，對標量涉及最大Z 振級（VLz,max）、分頻最大Z 振級（VLmax）、分頻振級（VL(fi)）、四次方劑量值（VDV）等多個。然而，上述任何一個標準中振動限值的設(shè)立究竟?jié)M足多少比例中國人群的舒適度，卻是一個無法回答的問題。目前也很難通過與表1中數(shù)據(jù)對比分析國內(nèi)振動標準限值與國外標準。

圖1為13處居民對地鐵振動投訴的室內(nèi)振動測試統(tǒng)計結(jié)果，測試方法和標準依據(jù)JGJ/T170。可以看出，超出限值65 dB的投訴點僅有2處，介于60 dB～65 dB 的投訴點有7 處，還有4 處投訴點的室內(nèi)振動小于60 dB。面對這樣的測試評估結(jié)果，究竟是標準設(shè)置得過分寬松，還是投訴點居民對振動過于敏感，均無法給出判斷結(jié)論。由此可見，僅在規(guī)范中設(shè)置限值而缺乏暴露-響應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)研究的數(shù)據(jù)支撐將導(dǎo)致環(huán)境振動評價缺乏科學的評判依據(jù)。

圖1 居民振動投訴點室內(nèi)列車振動測試結(jié)果

3 振動評價指標轉(zhuǎn)換

由于暴露-響應(yīng)關(guān)系研究需要長期數(shù)據(jù)積累和大量科研成本的投入，并非每個國家都需要從零開始開展這一研究，而可以借鑒其他國家已有的暴露-響應(yīng)關(guān)系研究成果。但當各個國家振動評價指標不同時，則需要進行指標轉(zhuǎn)換。

振動指標轉(zhuǎn)換涉及評價物理量、計權(quán)頻率、振動時間窗長、統(tǒng)計方法、工程單位等多個維度的分析。在這方面，英國規(guī)范BS6472[42]給出了均方根與四次方根的轉(zhuǎn)換建議；Janssen 等[20]研究了德國DIN 規(guī)范中KB值計權(quán)與ISO計權(quán)的關(guān)系；Janssen等[43]還總結(jié)了歐洲三種基礎(chǔ)振動描述指標（最大速度Vd,max、平均振動加速度aRMS、VDV）的相互轉(zhuǎn)換方法。上述研究使得歐洲各國間振動指標基本能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)換計算，因此振動暴露-響應(yīng)關(guān)系的研究成果可以共享。

目前，我國僅GB50868 推薦附加評價量四次方劑量值可一定程度參考英國的暴露-響應(yīng)關(guān)系曲線，在環(huán)境振動評價中主要采用的VLz,max、VLmax均與歐洲各國規(guī)范中的指標在測試數(shù)據(jù)處理方式上存在較大差異。例如，我國主要采用的振動量基于對數(shù)趟列車通過時的平均量計算得到，而國外大多數(shù)振動量都基于對數(shù)小時甚至數(shù)天振動暴露的描述。然而，針對我國與其他國家振動評價指標轉(zhuǎn)換方法的研究目前仍是空白。因此，當缺乏暴露-響應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)研究時，目前我國也很難直接應(yīng)用國外已有的振動暴露-響應(yīng)研究成果。

4 結(jié)論與展望

（1）振動對人體的暴露-響應(yīng)關(guān)系是一項多學科交叉的基礎(chǔ)研究，是確定振動控制限值的重要依據(jù)。

（2）目前我國環(huán)境振動與住宅室內(nèi)振動規(guī)范中控制限值缺乏暴露-響應(yīng)曲線支撐，導(dǎo)致環(huán)境振動評價缺乏以人為本的科學評判依據(jù)。最大Z振級與分頻最大振級與國外主要振動指標目前無法實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

（3）建議開展軌道交通環(huán)境振動對人體影響的暴露-響應(yīng)基礎(chǔ)研究，結(jié)合國內(nèi)標準中振動指標的選擇制定符合中國人體特征的暴露-響應(yīng)曲線，為今后規(guī)范修訂提供理論依據(jù)。同時，建議開展國內(nèi)外振動指標轉(zhuǎn)換研究，實現(xiàn)國內(nèi)外標準和研究成果的可比性和可借鑒性。