太原地鐵2號線環(huán)境振動影響預(yù)測與評價

白婷婷，康靜文，沙艷云，李文娟

(太原理工大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b.藝術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600)

目前我國軌道交通處于高速發(fā)展期。《2015-2020年中國城市軌道交通行業(yè)分析與發(fā)展前景預(yù)測報告》顯示，截止2015年底大陸有26個城市116條線路實現(xiàn)運(yùn)營，總長度達(dá)3 618 km，其中地鐵達(dá)2 658 km，占73.4%.北京、上海、廣州、西安等城市中密集的軌道路網(wǎng)產(chǎn)生的環(huán)境振動，對敏感區(qū)歷史建筑物、文物造成一定破壞，受振動影響的建筑物產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲影響居民的日常休息及生活[1-2]。故施工前對項目將造成的環(huán)境振動影響進(jìn)行預(yù)測和評估至關(guān)重要。軌道交通運(yùn)行引起的振動主要由車輛與輪軌間相互作用產(chǎn)生，并通過地質(zhì)和建筑物進(jìn)行傳播，不同車型、輪軌、地質(zhì)條件、建筑物結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致振動預(yù)測模型中各參數(shù)取值不一。

地鐵2號線是太原市最早動工建設(shè)的軌道線路。本文利用國家已頒布的相關(guān)振動預(yù)測評價規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，選取2號線一期工程中地處太原市中心的“雙塔西街—大南門”區(qū)段進(jìn)行環(huán)境振動預(yù)測及評價，為設(shè)計與建設(shè)部門在減振工程選材方面提供參考。

1 工程概況

太原市軌道交通2號線貫穿太原市南北方向，一期工程于2013年10月開工，并預(yù)計2018年底建成通車。南起小店火車南站，北止于尖草坪西澗河站。線路全長24.86 km，均為地下線，共設(shè)車站21座。

本文以“雙塔西街—大南門”路段為研究對象。該路段地處汾河?xùn)|岸，主要涉及住宅區(qū)、文教區(qū)及醫(yī)院等，地表建筑物多為中高層，建筑物結(jié)構(gòu)以磚和水泥混凝土結(jié)構(gòu)為主，對振動較為敏感。據(jù)現(xiàn)場勘查，該區(qū)域段的環(huán)境振動敏感目標(biāo)及其分布如表1所示，主要包括12個環(huán)境振動敏感目標(biāo)，其中4處住宅區(qū)、3處文教區(qū)、2個醫(yī)院、1個歷史建筑物和2個文物保護(hù)單位。

表1 環(huán)境振動敏感目標(biāo)Table 1 Sensitive objectives of ambient vibration

2 振動預(yù)測方法

在掌握各環(huán)境敏感目標(biāo)功能及地理特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合2號線工程特點(diǎn)及振源特性，針對評價區(qū)域段的振動預(yù)測包括：Z振級預(yù)測、二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測、文物振動速度預(yù)測。其中Z振級預(yù)測與室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測，采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》(HJ 453-2008)中經(jīng)校核的預(yù)測模型[3]，并以西安地鐵為類比對象，盡可能降低地質(zhì)差異帶來的影響；針對歷史建筑與文物進(jìn)行的文物振動速度預(yù)測選用《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)中的預(yù)測模型[4]。

2.1 Z振級預(yù)測

環(huán)境敏感目標(biāo)Z1～Z9的Z振級預(yù)測公式如下：

LV,z=LV,z0+Cv+Cm+CL+CR+CH+CD+CB.

(1)

不同的車輛條件、線路及軌道技術(shù)條件、大地介質(zhì)傳播條件、建筑物類型等均影響振動預(yù)測結(jié)果，故結(jié)合實際情況進(jìn)行相應(yīng)修正。

1) 列車振動源強(qiáng)LV,z0.

以西安地鐵作為類比對象，結(jié)合本線路車輛及軌道技術(shù)條件：A型車輛，軸重高于B型車，考慮軸重修正+1.2 dB，列車速度60 km/h，軌道為60 kg/m鋼軌，無縫線路，車輪元整、鋼軌頂面較平順，普通整體道床。參考《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中源強(qiáng)取值，選取地鐵單圓隧道軌旁0.5 m處隧道內(nèi)振動值LV,z0=85.4 dB[5].

2) 速度修正Cv.

(2)

式中：v0為參考運(yùn)行速度，本線路地下區(qū)段v0=60 km/h；v為運(yùn)行速度，km/h.根據(jù)設(shè)計中列車性能參數(shù)：列車平均啟動加速度≥0.1 m/s2，平均加速度≥0.6 m/s2，常用制動平均減速度為1.0 m/s2，站臺有效長度為120 m，利用可行性研究中的牽引計算即可求得各敏感目標(biāo)處的預(yù)測速度。

3) 軸重修正Cm.

(3)

式中：m0為參考列車軸重，m0=14 t；m為實際列車軸重，m=16 t.故軸重修正為1.2 dB.

4) 軌道結(jié)構(gòu)修正CL.

目前國內(nèi)軌道交通線路普遍采用60 kg/m鋼軌，故軌道結(jié)構(gòu)對振動的影響主要體現(xiàn)在道床結(jié)構(gòu)上。本項目采用普通鋼筋混凝土床道，故CL取值為0.

5) 輪軌條件修正值CR.

本線鋪設(shè)無縫線路，鋼軌表面平順且車輪圓整，CR=0 dB.

6) 距離衰減CD.

雙塔西街至大南門區(qū)間段所處汾河?xùn)|岸漫灘，地層主要為第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層。其中第四系上更新統(tǒng)主要有粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粉土、圓礫、中粗礫砂、卵石等，地層厚度大于30 m.第四系全新統(tǒng)分布在地表，主要有黃土、人工填土、粉狀土及細(xì)砂，該組地層中一級階地總厚度15～30 m，漫灘總厚度15～25 m[6].同時參考西安地鐵項目環(huán)評成果，項目條件均為A型車，6輛編組，車輛自重38 t/輛，地下段深埋10～25 m.根據(jù)以上地質(zhì)概況及車輛條件確定CD公式。

隧道垂直上方預(yù)測點(diǎn)(L≤5 m)：

(4)

式中：H0為隧道頂至鋼軌頂面的距離，H0=6 m；H為地面測點(diǎn)至軌頂面的垂直距離。

隧道兩側(cè)預(yù)測點(diǎn)(L≥5 m)：

(5)

式中：R為地面測點(diǎn)至隧道內(nèi)中心的直線距離；L為測點(diǎn)距隧道中心線水平距離；H為地面測點(diǎn)至軌頂面的垂直距離。

7) 建筑物修正CB.

雙塔西街至大南門區(qū)段的敏感點(diǎn)建筑物大多為結(jié)構(gòu)較好的高層建筑或多層磚混建筑，相對原地面振動有較大的減振。在國內(nèi)地鐵項目的監(jiān)測表明高層建筑能夠減振6～8 dB以上，多層建筑減振3～5 dB以上，具有簡易基礎(chǔ)的平房減振0～3 dB.

8) 隧道結(jié)構(gòu)修正CH.

本線路雙塔西街至大南門站均為單圓隧道形式，故CH=0.

2.2 二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測

敏感目標(biāo)Z1-Z4室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測在振級預(yù)測的基礎(chǔ)上采用如下公式：

Lp,i(f)=LV,i(f)-20lg(fi)+37 .

(6)

(7)

式中：LV,i(f)為與頻率相對應(yīng)的建筑物內(nèi)的振動加速度級，dB；Lp為建筑物內(nèi)的A計權(quán)聲壓級，dB(A)；Lp,i(f)為未計權(quán)的建筑物內(nèi)的聲壓級，dB；Cf,i為第i個頻帶的A計權(quán)修正值，dB；f為1/3倍頻帶中心頻率(16～200 Hz)，Hz；n為1/3倍頻帶數(shù)。

2.3 文物及歷史建筑物振動預(yù)測

敏感目標(biāo)Z9-Z11文物振動速度公式如下：

(8)

式中：vr為距振源中心處地面振動速度，mm/s；v0為r0處地面振動速度，取值0.418 mm/s；r0為振源半徑，m；r為距振源中心的距離，m；ξ0為與振源半徑等有關(guān)的幾何衰減系數(shù)；α0為土的能量吸收系數(shù)；f0為地面振動頻率，Hz.r0，ξ0，α0取值參考《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》。r0與地鐵隧道寬度b、牽引機(jī)車車身長l、隧道底深度h有關(guān)，b取值5 m，l取值22.8 m；ξ0與振源類型、土的性質(zhì)、振源半徑r0有關(guān)；α0根據(jù)振源類型及土類性質(zhì)，地鐵類型振源，評價區(qū)域雙塔西街至大南門區(qū)段土類屬于硬塑土質(zhì)黏土，故α0取值為0.000 2 s/m.

(9)

式中：vmax為結(jié)構(gòu)最大速度相應(yīng)，mm/s；vr為基礎(chǔ)處水平向地面振動速度，mm/s；n為振型疊加數(shù)，取值為3；γj第j階振型參與系數(shù)；βj第j階振型動力放大系數(shù)。γj與βj取值均從《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》可查得。

3 預(yù)測結(jié)果及評價分析

敏感目標(biāo)Z1-Z9的Z振級預(yù)測結(jié)果詳見表2，Z1-Z4室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測結(jié)果詳見表3，Z9-Z11文物振動速度預(yù)測結(jié)果詳見表4.評價標(biāo)準(zhǔn)分別采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070-1988)[7]、《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限制及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170-2009)[8]、《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)[4].

3.1 Z振級預(yù)測分析

工程建成后，地鐵列車運(yùn)行對雙塔西街至大南門站區(qū)間的環(huán)境敏感目標(biāo)會產(chǎn)生一定的影響，列車振動在9個敏感目標(biāo)建筑室外0.5 m處過車期間振級如下：LV,z10近軌介于66.3～77.4 dB、遠(yuǎn)軌介于63.7～72.5 dB；LV,zmax近軌介于69.3～80.4 dB、遠(yuǎn)軌介于66.7～75.5 dB；針對近軌LV,z10預(yù)測值，3處晝間超標(biāo)1.4～2.4 dB，5處夜間超標(biāo)0.2～5.4 dB；針對近軌LV,zmax預(yù)測值，7處晝間超標(biāo)0.2～5.4 dB，7處夜間超標(biāo)1.9～8.4 dB.

表2 Z振級預(yù)測結(jié)果Table 2 Prediction results of Z-weighted vibration dB

3.2 二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測分析

Z1-Z4處的二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測值介于38.3～45.5 dB，1處預(yù)測值晝間結(jié)構(gòu)噪聲超過參考標(biāo)準(zhǔn)0.5 dB，3處預(yù)測值夜間結(jié)構(gòu)噪聲超過參考標(biāo)準(zhǔn)0.5～3.5，可能受到二次結(jié)構(gòu)噪聲影響。

表3 室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測表Table 3 Prediction results of secondary air-brone noise in door

3.3 文物及歷史建筑物振動預(yù)測

經(jīng)預(yù)測，環(huán)境敏感目標(biāo)Z11與Z12兩處文物受地鐵運(yùn)營振動影響，振動速度預(yù)測值分別為0.455，0.614 mm/s，超標(biāo)0.005，0.344 mm/s.其中Z12太原清真古寺受振動影響最為顯著，預(yù)測值達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值的2倍。

表4 文物振動速度預(yù)測結(jié)果Table 4 Prediction results of vibration velocity of the cultural relics

4 環(huán)境振動控制對策

根據(jù)《城市軌道交通軌道減振措施效果研究分析報告》，結(jié)合對北京、上海、廣州、西安等城市軌道交通實測結(jié)果，分析對比減振措施的減振效果及經(jīng)濟(jì)性，分析結(jié)果如表5所示。

表5 減振措施綜合比較Table 5 Comprehensive comparison of vibration reducing measures

依據(jù)敏感點(diǎn)的振動預(yù)測結(jié)果及表5中減振措施綜合比較，選取減振措施在保證減振效果、適當(dāng)留有余量、可行且經(jīng)濟(jì)合理性的同時，盡量選取少種類的減振措施。在“雙塔西街—大南門”路段內(nèi)振動敏感點(diǎn)可采取的控制措施見表6.

表6 敏感目標(biāo)振動防治措施Table 6 Vibration control measures of sensitive objectives

5 結(jié)束語

目前針對太原軌道交通環(huán)境振動預(yù)測方面的研究仍為空白，故選擇國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定或推薦的適用性較廣、兼用性較強(qiáng)的預(yù)測模型。但在振源類比、參數(shù)選取方面存在較多不確定性因素，如不同的地質(zhì)情況、車型、軌道材料、敏感點(diǎn)建筑物類型等。針對特定城市，需通過軌道交通擬建前振動預(yù)測、運(yùn)營中現(xiàn)場實測、預(yù)測值與實測值的分析對比、校正預(yù)測模型等研究工作來建立特定城市的振動預(yù)測模型，更有助于提高軌道交通環(huán)境振動影響評價的準(zhǔn)確性。本研究中的環(huán)境振動影響預(yù)測為將來建立適合太原市的軌道交通環(huán)境振動影響預(yù)測模型做前期預(yù)測工作。

振動預(yù)測結(jié)果顯示，在未采取減振措施的情況下，地鐵運(yùn)營期間對沿線環(huán)境敏感點(diǎn)造成的環(huán)境振動影響較為顯著。環(huán)境振動現(xiàn)狀監(jiān)測值較低，均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，但地鐵運(yùn)營引起的環(huán)境振動貢獻(xiàn)值使沿線敏感點(diǎn)環(huán)境振動值明顯增加，并超過標(biāo)準(zhǔn)限值。故在除了選取減振材料外，還需合理規(guī)劃走向、選擇車輛、避免剛性搭接、加強(qiáng)振動監(jiān)測。

對已運(yùn)行地鐵的振動建立長期監(jiān)控機(jī)制，監(jiān)測不同車輛、不同軌道材料、不同時間段地鐵運(yùn)行對不同敏感點(diǎn)的振動影響，并建立城市軌道交通環(huán)境振動監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，以便于同一城市其他線路建設(shè)前的振動預(yù)測與評價。各城市建立并完善軌道交通振動監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，有利于振動預(yù)測與評價的準(zhǔn)確性，推動軌道交通與環(huán)境保護(hù)協(xié)同發(fā)展。