考慮持續時間因素的鐵路環境振動影響評價

馬　蒙， 劉維寧， 王文斌， 姜博龍

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　100044； 2. 中國鐵道科學研究院 城市軌道交通中心，北京　100081)

考慮持續時間因素的鐵路環境振動影響評價

馬蒙1， 劉維寧1， 王文斌2， 姜博龍1

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044； 2. 中國鐵道科學研究院 城市軌道交通中心，北京100081)

摘要：振動持續時間是影響人體健康和煩惱程度的重要因素，而國內現有環境振動評價指標不能區分不同列車振動的持續時間。為解決這一問題，提出了列車通過時暴露振級的概念和計算方法。暴露振級綜合考慮了振動幅值、頻率和持續時間三種因素，可以有效反映敏感目標接收到列車通過的振動能量。給出了確定暴露振級計算時間段的方法，并通過對三條客貨混跑線路的環境振動測試，對比分析了地表暴露振級和最大Z振級的衰減。研究表明：① 由于通過時間長，貨運列車的暴露振級明顯超過普通客運列車和時速120 km/h的動車組；② 采用暴露振級可以更有效地反映不同類型列車對人體影響的真實情況；③ 采用暴露振級可以更合理地確定環境振動防護距離。

關鍵詞：鐵路振動；暴露振級；振動持續時間；振動評價；現場測試

近年來，列車振動問題受到公眾和學者的持續關注，住在鐵路和地鐵沿線的居民都不同程度受到列車振動影響。例如，西班牙針對列車振動舉行的示威游行活動[1]，我國北京地鐵大興線對青島嘉園居民區的振動影響問題受到了國內多家主要媒體的報道。

為了解環境振動對人體影響程度、制定相應容許振動標準，國外廣泛開展了鐵路振動暴露-響應關系的基礎研究，例如：挪威Klboe等[2]，日本Yano等[3]，英國Woodcock等[4-6]，瑞典Gidl?f-Gunnarsson等[7]分別結合各自國家振動評價指標，通過測試、調查開展了受振動影響人群比例與不同振動指標間的關系研究。其中，振動指標包括統計頻率計權速度(vw,95)[2]、豎向最大振動加速度(Lvmax)[3]、四次方振動劑量值(VDV)[4, 6]、頻率計權加速度有效值(aw)[5-6]、頻率計權速度有效值(vw)[7]等(上述指標詳細計算方法可參閱文獻[8])。

影響人體健康的三個主要振動要素包括：振動強度、振動頻率和振動持續時間[9]。上述各描述指標中，振動強度可以被直接描述，振動頻率通過計權處理可以被間接描述，而振動持續時間則因測試持續時長而異。歐洲在進行鐵路環境振動測試時，測試時間通常涵蓋24 h、甚至1周，其描述指標(如VDV、aw)因而間接考慮了一天內振動事件的數量及其持續時間。我國目前對列車環境振動影響的評價指標并不統一，包括：最大Z振級VLzmax(城市軌道交通與鐵路振動)[10]、累計百分Z振級VLz10(城市軌道交通)[11]和分頻最大振級VLmax(城市軌道交通)[12]。當采用VLz10作為評價量時，通常有“列車通過時間段”和“包括列車通過和不通過總時間段”兩種提法，有研究表明[13]后者是不合理的；當采用VLzmax和VLmax作為評價量時，均要求測試多趟列車通過測試量的算術平均值。換言之，國內目前用于列車環境振動的評價指標均未涵蓋振動持續時間的因素。

對于鐵路交通引起的環境振動，盡管不會對人體造成直接傷害，但超過一定閾值的振動，其持續時間越長就越容易增加人體的煩惱程度。例如在ISO2631-1中給出了人體疲勞時間與振動強度及時間的等感覺曲線，并規定了振動對人體健康的影響曲線[14]。

為了分析振動持續時間在鐵路振動評價中的重要性，本文結合我國環境振動既有評價方式，對如何考慮持續時間因素做出探討。

1鐵路振動對人體影響的描述

1.1最大Z振級和分頻Z振級

為了分析具有不同通過時間列車的振動響應，選取一段客貨混跑有砟線路進行地表豎向振動測試，分析測點選取在道砟坡腳處。

圖1為3趟典型測試數據的Z振級隨時間變化函數,圖2為與之對應的考慮各趟列車通過時段內的計權加速度級。進而可得到3趟典型車輛的最大Z振級VLzmax和分頻最大振級VLmax，計算結果見表1。可見，對于3個通過時間差異較大的事件，各事件間VLzmax、VLmax的相差不大(均小于2 dB)，基本處于同一振動水平。而在相同振動強度干擾下，圖1中貨車通過對人體的持續干擾要明顯大于客車的作用，更遠遠超出單一機車通過的影響。由此可見，當各趟列車通過時間差異較大時，采用VLzmax和VLmax不能反映出列車對人體影響的真實情況。

圖1　不同類型列車的Z振級函數Fig.1 Z-vibration level for different types of trains

圖2　不同類型列車的計權加速度級Fig.2 Weighted acceleration level for different types of trains

當評價城市軌道交通振動時，同一斷面各趟列車通過時間基本固定；不同線路間，考慮6節編組車輛和8節編組車輛以40～100 km/h在區間運行，其列車通過時間約為5.3～14.1 s，相差在10 s之內。而當評價一般鐵路列車振動時，考慮車型、編組等不同，列車通過時間差異可達幾十秒甚至幾分鐘；即使同一線路斷面也可能因客貨混跑造成通過時間的極大差異。尤其是當各趟列車振動強度接近時，持續時間就成為影響人體煩惱度的主要因素。基于此，有必要給出考慮持續時間影響的鐵路環境振動評價指標。

表1　不同類型列車的測試Z振級及分頻最大振級

1.2暴露振級

類似噪聲分析中的暴露聲級，本文針對單趟列車通過的影響，提出暴露振級(VEL, Vibration Exposure Level)的概念，VEL定義如下：

(1)

圖3　計權加速度平方圍成面積示意圖Fig.3 Areas formed by the function of (t)

暴露振級所代表的能量數值，可看作由兩部分所組成：① 由低于人體煩惱程度閾值的振動引起(記作VEL0)，② 由超過人體煩惱程度閾值的振動引起(定義為有效暴露振級，effectiveVibrationExposureLevel，記作eVEL)。即：

VEL=eVEL+VEL0

(2)

為使VEL0與VEL具有相同的數學表達形式，定義

(3)

(4)

式中awΣΔT1/2可以看作是人體受振動影響出現煩惱的閾值，它由計權加速度與時間共同作用決定。可以發現，這一閾值與ISO2631-1中定義的運動病劑量值(MSDVz)具有相同的量綱。MSDVz與人體運動病的發病率直接相關，而awΣΔT1/2與人體對振動的煩惱程度直接相關。由此可見，采用暴露振級(或有效暴露振級)，更為直接地反映了振動環境下人體的舒適度，可以輔助評價持時較長的列車振動對人體煩惱度的影響。

VEL0的確定需要結合計權振動加速度、振動持續時間兩個物理量來進行人體暴露-響應關系試驗研究，獲得形式如圖4[15]所示的“煩惱度閾值-被測人體百分比”曲線，并結合不同振源形式、環境振動整體水平、振動控制成本等因素，確定awΣ(t)ΔT1/2的基準量。

圖4　煩惱度閾值曲線Fig.4 Annoyance threshold value curves

2列車環境振動暴露振級的測試分析

2.1測試概況

考慮不同車型分析地表暴露振級衰減，選取三處客貨混跑線路進行地表振動測試。其中，軌道#3為普通客運列車、貨運列車和和諧號動車組三類車型(以下分別簡稱“客車”、“貨車”和“動車組”)混跑。三處測試斷面的線路曲線半徑、車速見表2。將軌道道砟坡腳處測點定為0 m，僅測試豎向振動，并結合場地實際情況，地表振動三條測線的傳感器布置范圍分別為：5～34 m、0～29 m和12.5～100.7 m。

三條線路均為列車單向行駛，在進行數據平均分析時，每條線路測得的客車、貨車和動車樣本均不低于5個。

表2　地表振動測試車輛、軌道信息

2.2列車通過時間取值

為了計算VEL，需要確定列車通過時間(t2-t1)。以一趟客車通過為例，如圖5(a)所示，當在Z振級曲線上確定通過時間時，一種方式是確定列車通過引起Z振級平穩的時間段ΔT1，另一種方式是確定超過某一固定Z振級量值所對應的時間段ΔT2。前一種方式未考慮列車開來和離開一段時間(ΔT2-ΔT1)范圍內的振動能量，而后一種方式因固定Z振級取值的隨意性，導致ΔT2不固定。

(5)

由式(1)可知，圖5(b)中ΔT2取值如果在曲線拐點附近略有偏差，對面積A的取值影響可忽略不計，即：只要覆蓋了列車通過的主要時間區段，多考慮一定范圍的計算時長對最終暴露振級數值影響很小。

(a)　Z振級和

確定列車通過時間圖5　列車通過時間確定方式Fig.5 Determine the train pass-by time

圖6為典型客車、貨車通過時，距離道砟坡腳不同水平距離的地表測點暴露振級隨計算時間變化曲線。可見，上述獲取ΔT2的方法是合理的。

圖6　典型客車、典型貨車暴露振級隨計算時間變化趨勢Fig.6 Typical VEL of a passage and freight train changes with time

2.3暴露振級與最大Z振級衰減對比

圖7和圖8分別為表2所示三處測試斷面的地表暴露振級、最大Z振級隨距離衰減曲線。圖中，標出了多趟列車振動樣本的平均值以及樣本最大、最小值。

圖7　暴露振級隨距離衰減曲線Fig.7 VEL changes with the distance

圖8　最大Z振級隨距離衰減曲線Fig.8 VLz,max changes with the distances

可以看出，同一線路運行的不同類型列車引起地表最大Z振級量值和衰減非常相似：軌道#1、#2貨車和客車的最大Z振級平均衰減曲線幾乎一致，軌道#3在30 m以外貨車的最大Z振級甚至小于客車和動車組。這是由于列車通過的最大Z振級通常與最大軸重、車速、不平順等因素有關。當機車軸重接近時，很難利用最大Z振級區分同一線路運行的是貨車還是客車。而文獻[16-17]通過測試和調查研究表明，貨車通過引起人體的煩惱度明顯大于客車，顯然最大Z振級指標并不能反映這一客觀事實。

而同一線路的地表暴露振級則與列車類型相關。三條軌道上，貨車暴露振級明顯大于客車，平均超出3 dB以上。并且，貨車暴露振級樣本的離散程度要高于客車，這是因為多列客車編組數量相差不大，而多列貨車間編組數量差異明顯。此外，在軌道#3上，普通客車和16節編組動車組分別以90 km/h、120 km/h時速通過測試斷面。盡管動車組通過時間短，但振動響應大，因此導致二者地表平均暴露振級非常相似。這反映出二者釋放的平均振動能量是相當的。

假設將人體煩惱度閾值(VEL0)看作是一個較長時間的列車通過事件和引起較低振動水平的共同作用結果，則可以估算VEL0的大致取值量級。以本文所測多趟貨車平均通過時間56.3 s作為“較長時間的列車通過事件”，并將文獻[10]規定的特殊住宅區65 dB限值假設為“較低水平振動”，利用式(3)則可估算得到以圖7(c)為例，當暴露振級<82.5 dB，振動低于人體煩惱度閾值。當根據煩惱度閾值(或相應振動標準)確定列車振動防護距離時，以暴露振級作為評價指標，對貨車的防護距離應大于客車；而如果以Z振級作為評價指標，如圖8(c)所示，便會得出完全相反的結論。前文已分析過，由于未考慮時間因素，單純Z振級并不能真實反映列車通過的振動能量，因此采用Z振級指標作為防護距離計算的依據，可能會出現與實際情況相反的結果。為此，本文建議：當Z振級超過人體感知閾值時，同時采用Z振級和暴露振級評價振動對人體影響，考慮二者最不利影響來確定列車振動的防護距離。

3結論

(1) 提出了列車通過暴露振級的概念和計算方法，用該指標可以全面反映列車振動幅值、頻率和持續時間等三方面因素。

(3) 對多條客貨混跑線路的現場測試結果表明，暴露振級可以有效區分貨車、客車的振動能量，更有效地反映不同類型列車對人體影響的真實情況。

(4) 建議開展考慮持續時間因素的暴露-響應關系試驗研究，確定適合我國人群的煩惱度閾值曲線。當Z振級超過人體感知閾值時，建議同時采用Z振級和暴露振級評價振動對人體影響。

參 考 文 獻

[1] Alarcon G, Palacios J, Solé J. Strategic vibration mapping for railway infrastructures[C]// 39th International Congress on Noise Control Engineering. Lisbon,2010:1-10.

[3] Yano T, Morihara T, Sato T. Community response to Shinkansen noise and vibration: a survey in areas along the Sanyo Shinkansen Line[C]// Proceedings Forum Acusticum 2005. Budapest,2005:1837-1841.

[4] Woodcock J, Peris E, Sica G, et al. Human response to vibration in residential environments: Establishing exposure-response relationships[C]// 10th International Congress on Noise as a Public Health Problem (ICBEN). London, UK,2011:719-726.

[5] Peris E, Woodcock J, Sica G, et al. Annoyance due to railway vibration at different time of the day[J]. Acoustical Society of America, 2012,131(2):191-196.

[6] Waddington D, Moorhouse A, Steele A, et al. Human response to vibration in residential environmental[R]. Sarford, UK: University of Sarford, 2011.

[7] Gidl?f-Gunnarsson A, ?gren M, Jerson T, et al. Railway noise annoyance and the importance of number of trains, ground vibration, and building situational factors[J]. Noise and Health, 2012,14(59):190-201.

[8] 劉維寧, 馬蒙. 地鐵列車振動環境影響的預測、評估與控制[M]. 北京: 科學出版社, 2014.

[9] 夏禾. 交通環境振動工程[M]. 北京: 科學出版社, 2010.

[10] 中華人民共和國環境保護部. GB10070-201x 環境振動標準(征求意見稿)[S]. 北京.

[11] 中華人民共和國環境保護部. HJ453-2008 環境影響評價技術導則——城市軌道交通[S]. 北京: 中國環境科學出版社, 2008.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. JGJ/T170-2009 城市軌道交通引起建筑物振動及二次輻射噪聲限值及其測量方法標準[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2009.

[13] 雷彬, 王毅. 城市軌道交通振動環境影響評價量選擇的理論與實踐分析[M].環境保護部環境工程評估中心. 軌道交通行業環境影響評價技術研討會論文集. 北京: 中國環境科學出版社, 2011:8-16.

[14] International Standard. ISO2631-1 Vibration and shock evaluation of human exposure to whole-body vibration—Part 1: General requirements[S]. 1997.

[15] Woodcock J S, Peris E, Moorhouse A T, et al. Guidance document for the evaluation of railway vibration, CargoVibes Deliverable 1.5[R]. Manchester, UK: University of Salford, 2013.

[16] Woodcock J S, Sharp C, Sica G, et al. Human response to vibration from passenger and freight railway traffic in residential environments[C]//19th International Congress on Sound and Vibration.Vilnius, Lithuania: 2012.

[17] Sharp C, Woodcock J, Sica G, et al. Exposure-response relationships for annoyance due to freight and passenger railway vibration exposure in residential environments[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2014, 135(1): 205-212.

Evaluation of train-induced environmental vibrations considering the factor of exposure time

MA Meng1, LIU Wei-ning1, WANG Wen-bin2, JIANG Bo-long1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. Urban Rail Transit Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:Vibration duration is an important factor influencing the human health and annoyance. Existing vibration descriptors can not distinguish the vibration duration of different trains. In order to solve this problem, the concept of vibration exposure level (VEL) and its calculation method were presented. The VEL can describe effectively the received vibration energy from the passage of trains at sensitive locations, as all three factors of vibration magnitude, frequency and exposure time were considered. Then, a method for determining the train pass-by time was suggested. The in-situ measurements were performed on three railway lines where both passage and freight trains run on the same tracks. The attenuations of the VEL and maximum Z-vibration level were compared and analysed. The results show that: with long pass-by time, the VEL of freight trains is obviously larger than that of regular passage trains and bullet trains with the train speed of 120 km/h; the VEL can describe more effectively the vibration impact by different types of trains on human body; the VEL can help to determine the defective vibration distance more reasonably.

Key words:railway vibration; vibration exposure level; vibration exposure time; vibration evaluation; in situ measurement

基金項目：科技部對歐盟科技合作專項經費(266248)資助項目

收稿日期：2014-12-16修改稿收到日期：2015-04-27

中圖分類號:TB533+.2；X827

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.10.033

第一作者 馬蒙 男，博士，講師，1983年生