軌道交通地下線振動環境影響及減振措施分析

王梓陽

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

軌道交通工程投入運營后，列車運行產生的振動會對沿線居民的生活造成一定困擾，長期暴露在振動環境中的居民舒適感、正常工作能力及生理健康都會受到振動影響。軌道交通雖然給人們帶來了出行的便捷、快速，但伴隨產生的擾民振動也成為亟待解決的問題[1-2]。

曹宇靜通過系統對比分析國家環境保護標準《環境影響評價技術導則城市軌道交通》(HJ 453—2008)和北京市地方標準《地鐵噪聲與振動控制規范》(DB11/T 838—2011)中推薦的環境振動預測模型，分析了兩種振動預測模型中振動修正項的優缺點[3]。魚紅霞結合北京市軌道交通工程實況及其環境影響技術評估實踐分析研究軌道交通振動程度與線路埋深、距離及車速等工程因素的關系[4]。

本工程取得環評批復后，隨著設計和施工的深入，部分區間線位發生了不同程度的偏移，振動環境保護目標的埋深和與線路距離也有不同程度的調整。同時根據工程環評批復后更新發布的相關導則、規范對原評價結果進行校核，對未能滿足現行環保要求的工程提出了技術可行、經濟合理的減振措施。

2 工程概況

本文以地鐵27號線為工程背景，線路起自西二旗站，沿13號線西側走行至清河火車站，出站后由西向東沿小營西路敷設，至學清路后向南沿學院路到達線路終點。線路全長12.67 km，其中高架段0.204 km，路基、U型槽及地下線約12.466 km。本文僅對地下線區間的振動環境影響進行預測與評價。

3 振動環境影響預測與評價

3.1 評價范圍

本工程振動敏感目標均位于地下線區間，振動影響預測范圍為軌道中心兩側各60 m以內區域。

3.2 預測模型

環評報告書振動影響預測采用《地鐵噪聲與振動控制規范》(DB11/T 838—2011)中的預測模型，修訂稿《地鐵噪聲與振動控制規范》(DB11/T 838—2019)[5]已于2019年7月1日實施，本次振動影響預測采用修訂稿中的預測模型。依據《地鐵噪聲與振動控制規范》(DB11/T 838—2019)，振動預測模型如下:

(1)預測點處的振動值VLzmax

式中:VLzmax，0為列車振動源強，列車通過時段參考點的Z計權振動級；C為振動修正項，dB。

(2)振動修正項C

式中:C車速為車速修正，dB；C軸重和簧下質量為軸重和簧下質量修正，dB；C曲線為曲線修正，dB；C鋼軌條件為鋼軌修正，dB；C距離為距離修正，dB；C建筑物為建筑物類型修正，dB。

3.3 預測條件

本工程預測技術條件見表1。

表1 預測技術條件

設計最高運行速度為100 km/h，本次評價中，列車經過敏感目標處的速度根據列車牽引計算圖確定(見圖1)。

3.4 預測結果分析

受篇幅限制，表2僅對環評階段與工程實施階段環境敏感建筑物距線路的距離和高差作對比，預測結果同時還受到建筑物類型、車速、曲線半徑等因素影響。

工程沿線預測點中，建筑物室外0.5 m內或線路中心線地面處VLzmax近軌預測值在62.1～83.2 dB之間。以近軌VLzmax值計，晝間有35個環境保護目標超標0.1～12.7 dB，夜間有30個環境保護目標超標，超標量為0.9～11.2 dB。環境保護目標振動超標原因主要是其位于列車速度較快區間，建筑物本體距離線路較近，由列車運行產生的振動影響較大。

對照原環評報告，振動預測值(以近軌VLzmax計)增加的有34個(其中20個預測值的增量為0.1～3.0 dB，14個預測值的增量大于3.0 dB)，究其原因主要為:(1)工程變更后，部分敏感建筑與線路的距離和埋深變小；(2)部分敏感建筑對應路段的車速增加；(3)預測模型及修正量的變化。

需要說明的是，環評階段采用《地鐵噪聲與振動控制規范》(DB11/T 838—2011)提供的預測模式中關于建筑物修正量及距離修正量與修訂稿(DB11/T 838—2019)有較大變化。

4 二次結構噪聲影響預測

4.1 評價范圍

根據2019年3月1日實施的《環境影響評價技術導則城市軌道交通》(HJ 453—2018)，室內二次結構噪聲評價范圍為地下線線路中心線兩側50 m以內區域(圓曲線半徑≤500 m時評價范圍擴大到線路中心線兩側60 m)，因此，本次工作對位于評價范圍內的51處環境保護目標的二次結構噪聲進行預測分析。

4.2 預測模型

列車通過時段建筑物室內二次結構噪聲空間最大的1/3倍頻程的聲壓級LP，i(16～200 Hz)預測公式:

式中:LP，i為單列車通過時段建筑物室內空間最大的1/3 倍頻程聲壓級(16～200 Hz)，dB；LVmid，i為單列車通過時段建筑物室內樓板中央垂向1/3倍頻程振動速度級(16～200 Hz)。

式(3)適用于高度約2.8 m、混響時間約0.8 s的房間。若屋內空間偏離該條件[6]，則LP，i的計算式為:

式中:i為第i個1/3倍頻程，i＝1～12。

《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準》(JGJ/T 170—2009)規定建筑二次結構噪聲以連續等效A聲級作為評價指標，關注頻段為16～200 Hz[7]。單列車通過時段建筑物室內空間最大的等效連續A聲級LAeq，Tp(16～200 Hz)按式(5)計算:

式中:LAeq，Tp為單列車通過時段建筑物室內空間最大的等效連續 A 聲級(16～200 Hz)，dB(A)；Lp，i為單列車通過時段建筑物室內空間最大的1/3倍頻程聲壓級(16～200 Hz)，dB(A)；Cf，i為第i個頻帶的 A計權修正值，dB；i為第i個1/3 倍頻程，i＝1～12；n為1/3倍頻程帶數。

4.3 預測結果分析

結果表明，工程地下段正上方至外軌中心線50 m范圍內的51處敏感目標室內二次結構噪聲為21.2～45.1 dB(A)，其中3處超出《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》(JGJ/T 170—2009)要求，晝間有1處超標，超標量為0.1 dB(A)，夜間超標2.3～3.1 dB(A)，超標建筑物為砌體(磚混)結構。根據房屋建筑結構特性，建(構)筑物的建造方式不同，對振動的承受能力就會不同，傳遞振動能量的能力也有所不同[8]。

因此，在夜間特別是特殊住宅區范圍內，需要適當降低列車車速或采取一定減振降噪措施來降低列車振動影響[9]。

5 環境振動控制對策

5.1 減振措施選取原則

為減輕列車運行振動對沿線敏感建筑物的干擾，結合本次預測評價結果，對軌道采取減振措施原則基本與原環評一致。對VLzmax值超標量小于10 dB的敏感點采用高等減振，超標量大于10 dB的敏感點采用特殊減振措施，減振措施兩端的延長量按一列車長考慮。二次結構噪聲超標的敏感點與振動超標敏感點統籌考慮減振措施。

5.2 本工程采取的減振措施

地鐵經過產生的豎向振動加速度，在豎直方向隨著樓層的增加逐漸減小，在水平方向上隨著距離軌道的距離增加，加速度緩慢衰減[10]。

本工程原環評階段對地下線未明確具體措施，只提出了減振等級和控制目標。實施階段，設計單位經過分析、對比，綜合考慮安全性等因素，結合線路自身特點認真篩選，采取了液體阻尼鋼彈簧浮置板道床、固體阻尼鋼彈簧浮置板道床、梯形軌枕3種不同類型的減振措施。

(1)液體阻尼鋼彈簧浮置板道床

道床板通過液體阻尼鋼彈簧隔振器進行支撐，屬于道床下減振形式，因此對軌道的平順性以及列車運行平穩性幾乎無影響，在車內不會產生異常噪聲，其固有頻率為5～7 Hz。通過對已使用該減振措施的地鐵工程進行測試，減振效果一般可以達到15.5 dB以上。

(2)固體阻尼鋼彈簧浮置板道床

固體阻尼浮置板道床實質是將鋼彈簧隔振器應用于道床中，通過隔振器中鋼彈簧的三維彈性增加道床-鋼軌系統的穩定性，達到抑制和吸收固體聲的效果。通過對已使用該減振措施的地鐵工程進行測試，減振效果一般可達到13.1 dB以上[11]。

(3)梯形軌枕

梯形軌枕是將板式軌道的雙向預應力結構改進成由預制的縱梁和鋼管橫向連接桿構成，其消除了枕中負彎矩，取消了橫向預應力，形成了“縱向預應力梁+橫向鋼連桿”框架結構，簡化了結構和制造工藝，具有主體結構耐久性好、高度及減振剛度可調整、施工便捷快速的特點，已在多條地鐵工程中應用，減振效果一般可以達到10 dB以上。

6 建議與結論

列車振動源強水平會隨著鋼軌磨耗發展而提高，因此，遠期進行環境振動預測時還應考慮鋼軌表面磨耗發展的影響[12]。

本線作為軌道交通骨干線，具有顯著的社會效益、經濟效益。由于工程沿線學校、醫院、居民區等環境保護目標較為集中，運營期列車運行將產生一定程度和范圍的振動污染。實施階段根據預測結果分析，在采取相應的減振措施后，地鐵運營產生的振動負面影響可以得到有效控制。