地鐵振動對人體暴露于全身振動的舒適度影響評價

馮青松，廖春明，張 凌，周 豪，陳艷明

（華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013）

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市人口變得越來越密集，路面車輛的不斷增多容易造成交通堵塞、噪聲過大及空氣污染等問題，由于地鐵具有快速、便捷、載客量大和環(huán)境友好等特點，在我國各大城市已興建一條或多條地鐵線路。然而，地鐵在緩解日益嚴重的城市擁擠和減少空氣污染等問題的同時，也給人們帶來相應的困擾。近些年來，地下盤根錯雜的地鐵線路夜以繼日運行產(chǎn)生的振動影響沿線鄰近居民的工作與睡眠，長期暴露在振動中的人的舒適感、正常工作能力及生理健康都會受到振動影響，評價地鐵振動引起的鄰近建筑物室內(nèi)振動是否會對人體產(chǎn)生影響具有至關(guān)重要的作用。因此，亟需開展地鐵運行引起的振動對人體舒適度影響的研究。

國內(nèi)外學者關(guān)于地鐵振動對人體舒適度影響進行了研究[1]。Koczwara[2－3]分析了測試點位置、多振源對人體感知振動舒適度的影響；杜林林等[4]采用最大Z 振級作為評價指標時建議使用ISO2631－1:1997 中的頻率計權(quán)曲線，認為其更能綜合考慮軌道交通引起的環(huán)境振動對人體健康、舒適度及工作效率的影響；孫可[5]建立了聯(lián)合煩惱度評價模型，對地鐵站鄰近地下空間的振動環(huán)境中人群的舒適度做出了定量評價；丁潔民等[6]將基于煩惱率模型的建筑物振動舒適度分析方法與基于振動舒適度標準獲得的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者分析結(jié)論基本一致。謝偉平等[7]基于ISO10137和BS6472－1中的評價方法進行地鐵上蓋物業(yè)振動舒適度評價，對不滿足舒適度情況提出減振方法，并進行減振后評價。馬蒙等[8]綜合振動幅值、頻率和持續(xù)時間3 因素提出了暴露振級的概念及計算方法，能更好反映不同列車對人體影響的真實情況。現(xiàn)有研究尚無標準專用于評價地鐵列車運行所引起的振動對全身暴露于振動中的人體舒適度的影響，且基于各標準的評價指標均有差異，適用范圍不同，無法較全面評價地鐵振動對鄰近建筑物內(nèi)人體舒適度的影響。因此，本文基于廣州地鐵某號線某鄰近地鐵建筑物室內(nèi)現(xiàn)場實測，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)城市軌道交通振動規(guī)范標準，通過對比分析不同標準，得出適用于評價地鐵振動所引起建筑物內(nèi)人體振動舒適度的標準規(guī)范和評價指標，進行人體暴露于全身振動的舒適度評價。

1 實測結(jié)果

現(xiàn)場實測地點位于與廣州地鐵某號線鄰近的建筑物內(nèi)商業(yè)店鋪，根據(jù)設(shè)計圖紙獲得店鋪與地鐵某號線的空間距離如圖1所示。

圖1 商業(yè)店鋪

商業(yè)店鋪距離地鐵線路正上方水平距離為15 m，隧道垂直埋深為14 m，為突顯店鋪位置與隧道位置，忽略其它建筑物，測點位置在店鋪中心位置，如圖2所示。

圖2 測點位置

對連續(xù)間歇20 趟地鐵列車通過時引起的建筑物振動進行評價，其中振動加速度最大的一趟地鐵通過時建筑物振動時程圖如圖3 所示。由圖可知，一趟地鐵列車經(jīng)過所需時間為16 s，加速度最大值為0.066 m/s2。

圖3 加速度時程圖

2 振動規(guī)范限制標準

總結(jié)各國的振動標準規(guī)范見表1。介紹了國內(nèi)外關(guān)于人體暴露于全身振動的振動標準。由于不同國家文化、種族和生活習慣的差異，對振動的敏感性也不一樣，振動標準中振動限值和評價指標各不相同，因此，在對人體暴露于全身振動進行評價時，為符合國內(nèi)人民對舒適度的敏感度，振動限值以國內(nèi)標準與國際標準為主。采用國內(nèi)外較典型常用的評價指標進行分析。

表1 不同國家振動標準

3 評價指標

本節(jié)主要介紹地鐵列車所引起的振動的評價方法，介紹了RMS（均方根值）、WODL（人體振動感知比）、VDVz（豎向四次方振動劑量值）和CF（峰值因數(shù)）評價指標的定義、公式表達式及所對應的振動限值，同時介紹煩惱率的概念、原理、公式和式中各參數(shù)的取值方法。

3.1 建筑物內(nèi)振級評價指標

將振動加速級記為La，單位為分貝（dB）。

其中：a為振動加速度有效值，m/s2；

a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

測試數(shù)據(jù)的場所屬于辦公室區(qū)域，主要測試Z軸方向的振動加速度，采用ISO2631/1—1997[9]所規(guī)定的頻率計權(quán)曲線Wk修正。Z振級為Z軸方向的振動加速度經(jīng)過Wk計權(quán)得到的振級，記為VLz。

3.2 人體全身振動暴露舒適度評價指標

按人體解剖學規(guī)定，相互垂直的3 根軸為人體的背-胸軸（X軸），右側(cè)-左側(cè)軸（Y軸），腳-頭軸（Z軸）。人體承受振動時，將沿著X軸向的加速度表示為ax，將沿著Y軸向的加速度表示為ay，將沿著Z軸向的加速度表示為az。圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)振動稱為角振動，繞X軸的角振動稱為滾轉(zhuǎn)，繞Y軸的角振動稱為俯仰，繞Z軸的角振動稱為偏轉(zhuǎn)。

振動的量值大小以計權(quán)均方根值(RMS)表示。

式中：a(t)為某時刻t的加速度值，m/s2；

T為測試持續(xù)時間，s。

人體振動感知比指超過振動感知閾值的百分比，用WODL[10]表示，這樣一個系數(shù)優(yōu)勢在于根據(jù)頻帶分析所得的結(jié)果不是獨立的，WODL 顯示了已超出人體振動閾值多少。

式中：aRMS為分析出的加速度均方根；

aZ為相同1/3 倍頻帶內(nèi)Z 方向振動閾值。aZ的加速度界限采用國際標準ISO 2631－2:1989[11]，如圖4所示。

圖4 az加速度界限

在地鐵運行所引起鄰近建筑物振動對人體舒適度影響評價中，人體暴露于振動下持續(xù)一定時間，其舒適度應采用豎向四次方振動劑量值，用VDVz表示。

式中：VDVz為豎向四次方劑量值(m/s1.75)；azw(t)為按GB/T 13441.1 所規(guī)定基本頻率計權(quán)Wk進行計權(quán)的瞬時豎向加速度(m/s2)；T為持續(xù)時間(s)。VDVz容許振動值，根據(jù)標準GB 50868－2013《建筑工程容許振動標準》[12]，其如表2所示。

表2 交通振動對建筑物內(nèi)人體舒適度影響的容許振動值

為描述振動信號的波形特征，需測定峰值因數(shù)。

當峰值因數(shù)小于等于6時，用RMS評價；當峰值因數(shù)大于6 且小于9 時，同時使用WODL 和VDVz 進行評價;當峰值因數(shù)大于9 時，采用VDVz 進行評價[4]。

3.3 煩惱率

在同一振動環(huán)境中、在同一振動強度下出現(xiàn)煩惱或達到“不能接受”的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的百分比為煩惱率，通過量化容許煩惱率，將其作為評價舒適度的指標，可為在滿足人一定的舒適感條件下確定煩惱閾限。因個體主觀性不同，所出現(xiàn)的煩惱反應具有隨機性和模糊性，因此將實驗心理學煩惱率和實驗統(tǒng)計方法結(jié)合，建立煩惱率模型。

人對不同頻率范圍的振動敏感性不一樣，國際上采用經(jīng)過頻率計權(quán)的均方根加速度（振動強度）作為評價振動舒適度的依據(jù)，垂直振動的總體頻率計權(quán)函數(shù)可以表示為：

對于頻率為f的振動信號，若其峰值加速度為amax,則振動強度為aw=Wfj μ-1amax，其中μ為峰因子，通過對結(jié)構(gòu)豎向振動加速度響應時程的統(tǒng)計，建議μ取2.5。

對于離散情況，煩惱率表達式為：

其中：A(awi)為第i個振動強度awi下的煩惱率；nij為第i個振動強度下第j種主觀反應的人數(shù)；vj為第j種主觀反應屬于“不可接受”范疇的概念隸屬度，vj=為主觀反應的等級數(shù)，若采用“無振感”、“輕振感”、“中等振感”、“強振感”、“無法忍受”5個等級來描述人的主觀反應，則m=5；為該振動強度下的統(tǒng)計總?cè)藬?shù)；p(i,j)反映了人感受程度的差異。

對于連續(xù)分布情況，煩惱率計算公式為：

其中：aw為經(jīng)頻率計權(quán)的振動強度；σ=δ為變異系數(shù)，由實驗所確定的δ變化范圍為0.1～0.5，v(u)為振動強度的模糊隸屬度函數(shù)，表達式為：

其中：umin代表人體覺得振動“感覺不到”的振動強度上限；umax代表人體感覺得到振動時的振動強度上限；umax代表人體覺得振動“無法忍受”的振動強度下限。待定系數(shù)a、b由式（10）得到。

對于不同建筑物振動舒適度標準的容許下限r(nóng)1不相同，而不可接受的振動加速度值在4×r1處，根據(jù)ISO2631（1989）定義的倍數(shù)表[13]，計算參數(shù)見表3。

表3 分析所采用的加速度倍數(shù)

其中對于水平振動r0=0.003 6 m/s2，豎向振動r0=0.005 m/s2，將本文測試點所在商業(yè)店鋪作為辦公室考慮，因此，可得umin=0.02 m/s2和umax=0.08 m/s2，由式（9）可以得到a=0.721 3，b=2.821 9，變異系數(shù)δ有0.1、0.3和0.5共3種，由于無論取任何所得結(jié)果差異不明顯，一般取δ為0.3。

在δ=0.1、0.3和0.5時根據(jù)煩惱率模型得到的煩惱率曲線見圖5。

圖5 煩惱率曲線圖

綜上所述，可采用上述的評價指標去評價地鐵運行引起的振動對建筑物室內(nèi)人體暴露于全身振動舒適度是否滿足標準限值要求，綜合分析地鐵振動對人體舒適度影響。

4 舒適度評價

采用上述標準振動限值及評價指標分析廣州地鐵某號線鄰近的商業(yè)店鋪的舒適度。20趟列車所對應的振動數(shù)據(jù)時域圖如圖3所示，1/3倍頻程分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 Z振級圖

由圖6 可知，20 趟地鐵列車運行引起的建筑物室內(nèi)地面振動加速度級的振動規(guī)律基本相似，多數(shù)最大振級出現(xiàn)在頻率50 Hz 處，部分最大振級出現(xiàn)在頻率40 Hz 處，加速度級最大值基本在70 dB 左右。根據(jù)標準JGJ/T170－2009《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準》[14]對不同區(qū)域建筑物給出建筑物室內(nèi)振動限值，測點位置屬于交通干線兩側(cè)，測試時段在晝間，晝間建筑物室內(nèi)振動限值為75 dB。每一趟最大加速度級如圖7所示。圖中每一個點表示這趟地鐵列車通過最大Z振級，紅線為建筑物室內(nèi)振動限值。從圖6可知振動未超標，符合規(guī)范要求。

根據(jù)國際標準ISO2631－2－1989 和標準GB 50868－2013《建筑工程容許振動標準》規(guī)定的建筑物內(nèi)人體振動舒適度的容許振動計權(quán)加速度級，測點位置位于辦公室區(qū)域內(nèi)，地鐵列車引起振動具有連續(xù)、間歇和重復性特點，無論白天晝夜，室內(nèi)豎向振動限值均為86 dB，從圖7 中可知，每一趟的振動加速度級峰值都在70 dB 左右，符合標準對建筑物內(nèi)人體振動舒適度的容許振動計權(quán)加速度級的要求。

圖7 垂向加速度級

除建筑物室內(nèi)振動不超標準限值外，建筑物內(nèi)人體暴露于振動持續(xù)時間和強度也會影響人體舒適度，人體全身振動暴露舒適度評價主要采用加速度均方根（RMS）、人體振動感知比（WODL）和豎向4次方振動劑量值（VDVz）進行評價，對地鐵列車通過時所引起的建筑物室內(nèi)振動中最大的一趟的數(shù)據(jù)進行1/3倍頻程轉(zhuǎn)換，結(jié)果如圖8所示。

圖8 室內(nèi)振動加速度均方根分析

從圖中可知，振動主頻集中在25 Hz～63 Hz，豎向振動加速度峰值出現(xiàn)在中心頻率40 Hz 處，最大值為0.012 m/s2，根據(jù)WODL 的公式定義，其結(jié)果未超出人體感知振動閾值，滿足人體暴露振動舒適度的需要。

對20 趟地鐵列車運行引起的振動數(shù)據(jù)進行處理，將測得的豎向振動加速度計權(quán)后分別進行RMS、VDVz與煩惱率計算，考慮到每一趟列車通過時持續(xù)時間從14 秒到20 秒不等，將VDVz 分析結(jié)果、根據(jù)RMS分析計算中所得的WODL系數(shù)及每一趟地鐵列車通過時的煩惱率匯總?cè)绫?所示。

表4 各指標評價

由表所4 知，基于VDVz 分析，采用標準GB 50868－2013《建筑工程容許振動標準》中的交通振動對建筑物內(nèi)人體舒適度影響的容許振動值進行評價，辦公建筑內(nèi)的容許豎向四次方振動劑量值不得超過0.4 m/s1.75，可知第7 趟與第19 趟的VDVz 為0.423 和0.484，超過振動容許值。表中WODL 值均小于1建筑物室內(nèi)振動豎向加速度均未超過人體振動感知閾值，可知室內(nèi)振動加速度未超出標準限值。在工程中人體可接受的振動舒適度對應的容許煩惱率為0.07，表4 中煩惱率均小于0.07，表明未使室內(nèi)人體產(chǎn)生煩惱反應。

為進一步確認能更精準評價人體暴露于全身振動舒適度的指標，對3種指標進行敏感度分析，根據(jù)各指標限值進行歸一化操作，對比結(jié)果如圖9所示。從圖9 中可知，WODL 值未超過閾值且敏感度處于相對中等水平；煩惱率可能量化舒適度大小，但其評價對象為經(jīng)頻率計權(quán)的某一時刻最大振動加速度，評價沒有考慮人體持續(xù)暴露于振動下舒適度的影響，其敏感度偏低且波動變化明顯；VDVz 值敏感度高，能準確評價人體暴露于持續(xù)振動下的舒適度。

圖9 各指標敏感性對比

總之，采用Z 振級對建筑物室內(nèi)豎向振動加速度進行分析，室內(nèi)振動加速度級未超過建筑物室內(nèi)人體振動舒適度的容許振動限值。采用WODL與煩惱率分析可知地鐵列車運行引起的振動并未引發(fā)人體不適，ISO 標準中辦公室的振動加速度限值為0.02 m/s2，同樣未超過舒適度要求，煩惱率可以量化加速度振動舒適度，并且煩惱率可以進一步評估振動引起煩惱反應的人數(shù)，而通過VDVz 分析可知其敏感度高，能更準確評價地鐵持續(xù)振動引起的人體暴露于全身振動的舒適度。

5 結(jié)語

本文基于廣州某地鐵線路旁的建筑物現(xiàn)場實測，采用不同規(guī)范進行限值對比，得出適用于評價地鐵振動對人體暴露于全身振動的舒適度，并分析了人體振動感知比、豎向四次方振動劑量值和煩惱率3種評價指標對人體暴露于全身振動的舒適度的影響，得出各評價指標特性及適用情況。主要結(jié)論如下：

(1)建議采用JGJ/T170－2009《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準》、GB 50868－2013《建筑工程容許振動標準》以及ISO2631系列標準評價地鐵振動對建筑物內(nèi)振動的影響。

(2)采用Z 振級對建筑物內(nèi)振動加速度進行評價時，應結(jié)合建筑物室內(nèi)振動限值和人體振動舒適度的容許振動計權(quán)加速度級共同評價。

(3)采用WODL、VDVz和煩惱率3種評價指標進行人體全身振動暴露舒適度評價時，基于WODL 在峰值因數(shù)較小時能夠作出準確評價，VDVz 敏感度高，能更準確反映地鐵豎向持續(xù)振動對建筑物內(nèi)人體全身振動暴露舒適度的影響，煩惱率可以量化振動舒適度，適用于評價瞬時最大加速度對舒適度的影響，并能評估同一振動場所中振動引起煩惱反應的人數(shù)。本文結(jié)論可為地鐵列車運行所引起的鄰近建筑物內(nèi)振動對人體暴露于全身振動舒適度評價的影響提供參考。