城市軌道交通地下線運行對沿線建筑物室內(nèi)振動與噪聲的影響分析

郝 影 李憲同 張 朋

(1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,天津 300191;2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室,北京 100012)

近年來,城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速,在給人們帶來出行便利的同時,軌道交通運行也對沿線建筑物特別是敏感建筑物室內(nèi)產(chǎn)生了振動與二次輻射噪聲(以下簡稱“噪聲”)污染[1-5]。研究表明,城市軌道交通地下線(以下簡稱“地鐵”)引起的沿線建筑物室內(nèi)振動,極易引起人體各器官共振而損害身體健康[6-11]。由振動引起的噪聲因其低頻特性易造成居民主觀煩惱[12-14],而振動和噪聲在室內(nèi)疊加更是會導(dǎo)致居民煩惱度顯著升高[15-17]。國際上已對地鐵產(chǎn)生的這些負面環(huán)境影響開展廣泛研究,但多集中于建立各類振源和聲源傳導(dǎo)模型,分析減振降噪效果[18-21],大多適用于地鐵設(shè)計初期或地鐵項目改造。而在地鐵運行階段的減振降噪效果研究卻鮮有報道。本研究以穿越天津市城區(qū)的3條地鐵線路為研究對象,分析普遍采用的降速和輪軌打磨措施前后,在1/3倍頻程頻譜模式下,地上建筑結(jié)構(gòu)(包括框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu))、地下線路排列結(jié)構(gòu)(包括水平并線排列和垂直并線排列)對室內(nèi)振動與噪聲的影響,為降低地鐵的負面環(huán)境影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 測試方法

本研究選取的3條地鐵線路均采用整體道床,無縫鋼軌,DTVI2型扣件和6輛編組的B型不銹鋼列車,隧道盾構(gòu),圓形,內(nèi)徑5.5 m。3條地鐵線路附近的4棟建筑物中1#、2#、3#為6層磚混結(jié)構(gòu),4#為22層框架結(jié)構(gòu)。1#、3#、4#建筑物對應(yīng)地下線路排列結(jié)構(gòu)為水平并線排列,2#為垂直并線排列,兩種地下線路排列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。具體運行工況見表1。

圖1 地下線路排列結(jié)構(gòu)Fig.1 Arrangement structures of underground lines

表1 測試工況Table 1 Test working conditions

測量地點位于建筑物1樓的室內(nèi),每棟建筑物布設(shè)1個噪聲測點和3個振動測點,傳聲器距離地面高度1.2 m,振動傳感器均勻分布于堅實平坦的地面,傳聲器和振動傳感器與測試設(shè)備B&K 2270振動、噪聲分析儀相連。測量過程中緊閉門窗,保持室內(nèi)安靜,避免其他振動和噪聲干擾。

振動采集每次列車通過時的Z振級最大示數(shù)和分頻最大振級,每個測點連續(xù)測量20次列車,根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB 10071—88)以20次讀數(shù)的算術(shù)平均值作為Z振級最大示數(shù),截取1/3倍頻程頻譜上4～200 Hz各頻段的分頻加速度級,按照《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(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170—2009)中Z計權(quán)處理后計算得到的最大值作為分頻最大振級,并記錄相應(yīng)頻率。噪聲采集每次列車通過時的全頻帶等效A聲級和16～200 Hz頻段的等效A聲級,每個測點連續(xù)測量20次列車,按照JGJ/T 170—2009以20次讀數(shù)的平均值分別作為全頻帶等效A聲級和16～200 Hz頻段的等效A聲級，分別記為LAeq和LAeq200。每棟建筑物均進行了兩次測試,第1次測試時地鐵按照表1中常速行駛,第2次測試時地鐵進行了輪軌打磨并按照表1降速行駛。Z振級最大示數(shù)按照《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—88)進行評價,分頻最大振級和噪聲按照JGJ/T 170—2009進行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 減振降噪效果分析

2.1.1 減振效果分析

由表2可見,根據(jù)GB 10070—88,地鐵常速行駛時,1#建筑物室內(nèi)的Z振級最大示數(shù)為84 dB,采取降速和輪軌打磨措施后為73 dB,降低了11 dB;2#建筑物室內(nèi)的Z振級最大示數(shù)在地鐵常速行駛和采取降速和輪軌打磨措施后分別為76、67 dB,降低了9 dB;3#建筑物室內(nèi)的Z振級最大示數(shù)在地鐵常速行駛和采取降速和輪軌打磨措施后分別為72、66 dB,降低了6 dB;4#建筑物室內(nèi)的Z振級最大示數(shù)在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為61、56 dB,降低了5 dB。

表2 振動測試結(jié)果Table 2 Vibration measurement results

根據(jù)JGJ/T 170—2009,地鐵常速行駛時,1#建筑物室內(nèi)分頻最大振級為85 dB,采取降速和輪軌打磨措施后為74 dB,降低了11 dB,相應(yīng)頻率由50.0 Hz變?yōu)?0.0 Hz;2#建筑物室內(nèi)分頻最大振級在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為78、68 dB,降低了10 dB,相應(yīng)頻率均為40.0 Hz;3#建筑物室內(nèi)分頻最大振級在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為73、66 dB,降低了7 dB,相應(yīng)頻率由40.0 Hz變?yōu)?1.5 Hz;4#建筑物室內(nèi)分頻最大振級在地鐵常速行駛與采取降速和輪軌打磨措施后分別為62、50 dB,降低了12 dB,相應(yīng)頻率由50.0 Hz變?yōu)?1.5 Hz。

1#建筑物與2#建筑物比較發(fā)現(xiàn),地鐵線路排列結(jié)構(gòu)為水平結(jié)構(gòu)可能減振效果更好;1#建筑物與4#建筑物比較發(fā)現(xiàn),磚混結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的建筑物對分頻最大振級的降低影響不大,但磚混結(jié)構(gòu)的建筑物對Z振級最大示數(shù)減振效果明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu);1#建筑物與3#建筑物比較發(fā)現(xiàn),降速幅度越大,減振效果越好。綜合而言,地鐵降速,地鐵線路排列結(jié)構(gòu)采用水平并線排列,建筑結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu),有利于減小地鐵運行對沿線建筑物室內(nèi)的振動影響。

2.1.2 降噪效果分析

由表3可見,根據(jù)JGJ/T 170—2009,地鐵采取降速和輪軌打磨措施前后,1#建筑物室內(nèi)LAeq200降低了1 dB,2#建筑物降低了7 dB,3#建筑物降低了4 dB,4#建筑物降低了7 dB;1#建筑物室內(nèi)LAeq降低了3 dB,2#建筑物降低了7 dB,3#建筑物降低了5 dB,4#建筑物降低了7 dB。地鐵采取降速和輪軌打磨措施后所有建筑物室內(nèi)振動和噪聲均有所降低,其中1#建筑物Z振級最大示數(shù)、分頻最大振級均下降明顯,但LAeq、LAeq200不明顯,而2#建筑物室內(nèi)Z振級最大示數(shù)、分頻最大振級、LAeq和LAeq200均下降明顯,1#和2#建筑物位于同一地鐵線路沿線,除了地鐵線路排列結(jié)構(gòu)差異外地質(zhì)條件是比較相似的,還有一個更重要的原因是降噪效果很大程度上取決于建筑物自身對聲音的敏感度,由建筑物自振頻率、建筑布局等因素決定,具體原因有待進一步研究。

因此,總體而言,地鐵采取降速和輪軌打磨措施有利于沿線建筑物室內(nèi)減振降噪,但降噪效果比減振效果更加復(fù)雜,受到建筑物自振頻率、建筑布局等因素影響。

2.2 分頻特性分析

由于中心頻率變化對研究地鐵導(dǎo)致的室內(nèi)振動和噪聲影響是非常重要的,因此下面分析1/3倍頻程頻譜模式下,室內(nèi)振動和噪聲的特征頻譜。

2.2.1 頻譜峰值解析

圖2為1#～4#建筑物室內(nèi)振動和噪聲的頻譜,可以看到峰值主要出現(xiàn)在低頻部分,通過解析發(fā)現(xiàn),1#建筑物室內(nèi)振動頻譜的峰值中心頻率為50.0 Hz,噪聲頻譜的峰值中心頻率為50.0、63.0 Hz;2#建筑物室內(nèi)振動和噪聲的頻譜峰值中心頻率均為40.0、50.0 Hz;3#建筑物室內(nèi)振動和噪聲的頻譜峰值中心頻率均為31.5、40.0 Hz;4#建筑物室內(nèi)振動和噪聲的頻譜峰值中心頻率均為50.0、63.0 Hz。由此判斷,地鐵導(dǎo)致室內(nèi)振動和噪聲的頻譜峰值中心頻率多出現(xiàn)在80.0 Hz以下的頻段,通常是31.5、40.0、50.0、63.0 Hz,與曹志亮[22]的研究結(jié)論相符。

2.2.2 影響因素對特征頻譜的影響分析

圖3為地鐵線路垂直并線和水平并線排列時,室內(nèi)振動、噪聲的典型頻譜。地鐵線路垂直并線排列時,室內(nèi)振動的主要中心頻率在小于80 Hz范圍內(nèi);而水平并線排列時,室內(nèi)振動除了小于80 Hz的頻段較高外,125～400 Hz頻段也相對較高,因此應(yīng)格外警惕80 Hz以上頻段振級升高。兩種線路排列結(jié)構(gòu)下的噪聲典型頻譜差異很小。

表3 噪聲測量結(jié)果Table 3 Noise measurement results

圖2 室內(nèi)振動和噪聲頻譜Fig.2 Indoor vibration and noise spectrum

圖3 不同線路排列結(jié)構(gòu)的室內(nèi)振動和噪聲典型頻譜Fig.3 Typical spectrum of indoor vibration and noise under different line laying structures

圖4為框架結(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)振動、噪聲的典型頻譜。磚混結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)振動和噪聲頻譜峰值的中心頻率均為40.0、50.0 Hz,框架結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)振動和噪聲頻譜峰值的中心頻率均為50.0、63.0 Hz,這種差異是建筑的自振頻率和地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。

圖4 不同建筑結(jié)構(gòu)的室內(nèi)振動、噪聲典型頻譜Fig.4 Typical spectrum of indoor vibration and noise under different building structures

圖5為采取降速和輪軌打磨措施前后4#建筑物室內(nèi)振動、噪聲的典型頻譜。采取措施后,中心頻率50.0、63.0 Hz處的振動和噪聲同步降低,減振降噪效果顯著。

圖5 采取措施前后4#建筑物室內(nèi)振動和噪聲衰減Fig.5 Indoor vibration and noise attenuation of 4# Building after taking measures

2.2.3 噪聲和振動的相關(guān)性分析

對各建筑物的振動、噪聲頻譜進行相關(guān)性分析,結(jié)果見表4。可以看到,所有建筑物的振動、噪聲頻譜秩相關(guān)系數(shù)均為正,即地鐵運行引起的振動和噪聲變化具有正相關(guān)性,1#、2#、3#磚混結(jié)構(gòu)建筑物的室內(nèi)振動和噪聲相關(guān)性更高。

表4 振動和噪聲頻譜相關(guān)性Table 4 Vibration and noise spectrum correlation

3 結(jié) 論

(1) 地鐵采取降速和輪軌打磨措施有利于沿線建筑物室內(nèi)減振降噪,地鐵線路排列結(jié)構(gòu)采用水平并線排列,建筑結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu),有利于減小地鐵運行對沿線建筑物室內(nèi)的振動影響,降噪效果比減振效果更加復(fù)雜,還受到建筑物自振頻率、建筑布局等因素影響。不過,地鐵運行引起的振動和噪聲變化具有正相關(guān)性。

(2) 地鐵導(dǎo)致的室內(nèi)振動和噪聲的頻譜峰值中心頻率較多出現(xiàn)在小于80 Hz頻段,通常是31.5、40.0、50.0、63.0 Hz。

(3) 地鐵線路水平并線排列時應(yīng)警惕80 Hz以上頻段振級升高。