城市軌道交通上蓋物業振動及噪聲影響研究進展

李 冬，林楚娟，梁常德，侯玉林，戚月昆

（1.深圳市深港產學研環保工程技術股份有限公司，廣東 深圳 518055；2.廣東省深圳市環境技術審查中心，廣東 深圳 518055）

1 引言

在國內各大城市中，越來越多的城市軌道交通線路投入運營，帶動了周邊地塊大規模的物業綜合開發項目建設，形成了新的城市發展空間格局。人們也逐漸認識到，城市軌道交通對沿線周圍環境的影響，特別是振動污染較其他交通方式更為顯著。城市軌道交通對沿線、站點及車輛段上蓋物業建筑和空間內群體振動環境影響已經成為當前人們所關注的焦點。因此，城市軌道交通上蓋物業振動和噪聲影響的研究既可為已建地鐵上蓋物業的振動與噪聲污染防治提供參考，又可為在建或規劃建設的地鐵上蓋物業前期規劃設計提供依據。本文將主要闡述城市軌道交通上蓋物業振動和噪聲影響研究進展。

2 研究路線

國內外大部分研究者都是從振動和噪聲源、傳播途徑及影響受體3方面展開城市軌道交通振動和噪聲影響研究工作。

對列車軌道系統理論的研究目的是將建立列車軌道系統模型與實際車輛軌道交通測試數據結合論證，尋找車輛軌道交通系統振動和噪聲的主要影響因素，并獲得軌道交通振動和噪聲源特征。通過優化調整列車、軌道系統的相關模型參數提升車輛軌道交通減振降噪性能，從源頭上控制地鐵軌道交通誘發的建筑物振動和噪聲影響活動。在列車軌道交通荷載系統理論基礎上，從軌道基礎－傳播結構－外環境或建筑物受體系統的振動和噪聲響應研究中，分析列車振動荷載和噪聲傳播規律，確定外建筑物對地鐵列車振動和噪聲響應機制，從傳播路徑上控制地鐵軌道交通振動和結構噪聲影響效果。最終通過對建筑物結構或隔振降噪設計優化，進一步減輕軌道交通對建筑物振動和噪聲影響。

3 城市軌道交通振動和噪聲影響分析

根據國內外大量理論模型研究和實際測試驗證，軌道交通振動和噪聲產生及傳播受軌道交通條件、線路狀況、地質條件和建筑物特性等多種影響因素。

地面線路、地下線路和高架橋線路軌道交通列車引起的地面與建筑物振動也存在差異。研究結果表明［1］，在近場地面線路與高架橋線路列車引起的地面振動相差不大，都比地下線路列車引起的地面加速度峰值振級大20dB左右。列車時速增加，荷載量越大，列車對自由場地和建筑物的振動影響增大。增加軌道交通軌道結構的彈性，降低軌道振動，進而可以降低激發的噪聲輻射。Heekel等［2］研究表明：振動在傳播材料的特性等因素有關。一般的埋設在軟土中的隧道振動水平比巖石中的高5～12dB［3］。建筑物室內振動和結構噪聲響應主要與建筑物自身特性有關，包括建筑物整體質量剛度、空間結構、高度層數等因素。

城市軌道交通沿線特別是車輛段上蓋物業振動影響傳播與一般軌道交通振動和噪聲傳播有所區別。這些振動經由道床、立柱及平臺這樣的途徑傳播至平臺上的建筑物（由于立柱和平臺材料均為鋼筋混凝土結構，其剛性連接有利于振動的傳播，振動在其中受到的阻尼較小，振動衰減較慢），引起結構和構件的振動。如若沒采取隔振措施，其振動影響最大。

4 城市軌道交通振動影響研究

4.1 軌道交通振動傳播規律研究

軌道交通線實測結果表明［4、5］，軌道交通列車運營誘發的振動在0～80Hz范圍內較高頻率分量較大，傳到建筑物振動以低頻振動為主。潘昌實和謝正光［1，2］在北京地鐵區間隧道內進行現場試驗進行研究，結論表明高頻振動分量隨距離增加衰減快，而低頻分量衰減較慢。這是因為對所有的土壤而言，因低頻振動阻尼相對較小，在頻率小于20Hz時振動衰減較低，導致地鐵列車引起的振動峰值頻率主要集中在低頻區。Hung和Yang（2001）［6］認同上述研究結論，認為列車振動主要是由荷載移動及其自振造成的。從振源的頻率分布上看，接近振源的地方，其振動頻率以車輛自振頻率為主，而較遠的地方以地基的自振特性為主。列車引起的地面水平方向振動在傳播過程中衰減要快于豎直方向，因此沿線建筑物內振動以豎向方向振動為主，振動峰值頻率集中在低頻區域［7］。Degrande等［8］針對倫敦地鐵附近的兩幢建筑試驗結果也證實了上述結果。

不同軌道交通列車引起的地面振動和建筑物振動隨距離的增加衰減變化趨勢相同，但地面線路列車引起的地面振動與建筑物差值隨距離衰減比其他兩種線路快，在近距離時差值大于其他種線路，在遠距離小于其他兩種線路［9］。張繼平［10］現狀監測結果也表明車輛段地鐵地面線路對其平臺大蓋上建筑物的振動影響較大，尤其是列車行駛來車至停或停車至開所引起的振動，沿立柱的傳播明顯。在整個傳遞系統中，地面衰減比建筑物立柱上明顯地要大。一些現場實測數據也表明，距軌道交通相同距離處地面振動值小于建筑物振動值。

4.2 建筑物振動響應規律研究

Nelson指出了建筑物振動是由低頻聲波和車輪力經過鐵路產生的，建筑物響應是由地面傳至建筑物基礎的振動及振動在建筑物內的傳播引起的［12］，以人體反應比較敏感的低頻為主，其中50～60Hz的振動強度較大。而房屋自振頻率要遠低于地鐵振動激振頻率，建筑物在0～10Hz存在共振［13］。

樓夢麟和李守繼［14］認為列車－軌道系統動力模型和土－結構相互作用模型較難真實模擬建筑物振動響應，通過建立上部框架結構的二維剛性地基模型結合實際測試，對上海地鐵隧道正上方某擬建建筑物的振動問題研究。指出地鐵級房屋振動響應主要為0～80Hz范圍內高頻振動（60～80Hz），且結構彈性振動響應較小。不同頻率荷載下，低頻荷載對建筑物振動影響較大，隨著作用荷載高頻率的增大，建筑物振動反應下降［15］。而李曉霖［16］對北京地鐵八王墳車輛段大平臺上建筑樓房模擬計算結果表示，在豎向振動方向上，樓房的振動加速度頻率主要以0～10Hz的振動為主，車輛段上蓋大平臺的振動在豎向方向的衰減比水平方向上大。研究表明［17］，認為各幢樓房豎直方向的振動強度比水平方向的大，在豎直方向上，每幢樓各層端點的振動速度、加速度相差不明顯，表明樓房各層在豎直方向上的運動狀態一致。

不同的研究表明，城市軌道交通振動影響隨樓層高度的增加而出現不同程度的變化。魏鵬勃［18］對三種軌道交通列車引起的建筑振動響應隨樓層變化的模擬影響分析中得出，建筑物豎向振動隨樓層的增加有小幅度增加，但變化不大。洪俊青［19］研究表明，在同一頻率地鐵振動荷載影響下，四層高度的同一建筑物樓層振動基本相同，上層樓層振動比下層振動僅有小幅度上升。王柏生研究認為［20］，建筑物層數較低時，結構振動振動響應隨樓層單調增加；當建筑物層數較高時，結構的振動中，得到樓層的速度和加速度沿樓層高度上并不成線性變化。

而有的研究表明，軌道交通引起的建筑物結構振動隨樓層的增加呈現相應的衰減趨勢。樓夢麟和李守繼對地鐵附近建筑物現場測試結果表明［21］，房屋的振動響應沿高度呈衰減趨勢，其中4層以下衰減稍快，4層以上衰減不明顯。對于高層建筑物而言，對于重型結構建筑物樓層增加，振動減少，每層減少1～4dB，輕體結構振動不隨樓層的增加而減少［22］，與王逢朝等［23］研究結論相符。

不同的研究存在著不同的結論，這是因為軌道交通列車引起的沿線地面建筑物振動，其振級的大小不僅與建筑物高度有關，還與建筑物的結構形式、基礎類型以及距軌道交通的距離等有密切的聯系。隨建筑物與振源距離增加，建筑物振動響應在高層的衰減要大于在低層的衰減。尹志剛［24］研究通過實測結合模型分析研究了不同建筑結構下地鐵引起的振動響應，多層建筑結構，隨著樓層的增加，振級逐漸增大，但增幅不明顯。高層建筑結構，1～5層隨著樓層的增加，振級逐漸減小，6～10層隨著樓層的增加加速度振級略有增加，但不明顯。

建筑物框梁的質量、剛度對建筑物的振動響應影響較大，隨質量、剛度增大，振動響應明顯降低，框架柱質量和剛度的影響較小［25］。對于處于剛性土壤或硬度大土層上的建筑物，建筑物內振動響應較低［26］。混凝土結構建筑比剛性結構的建筑振動響應小［27］。也有研究表明，在低頻振動下，特別是水平振動，建筑物內越高的地方振動等級越大。Johns發現整個建筑物在地基處的共振頻率為4Hz，地面為20～30Hz，墻和窗戶超過40Hz。

5 軌道交通噪聲影響研究

目前，國內外研究者不僅在軌道交通振動方面做了大量的有價值工作，在城市軌道交通噪聲環境影響、傳播規律及環境預測等研究方面也獲得了不少成果。

5.1 輪軌噪聲影響研究

在軌道車輪聲輻射研究方面，國內外研究者Remington、Thompson等人就提出了比較全面的滾動噪聲的產生機理，在此基礎上建立了預測滾動噪聲的數學模型［28］。通過建立的噪聲預測模型，研究者 Thompson［29］、翟婉明［30］、雷曉燕、占智華等人［31］研究了不同輪軌噪聲影響因素下聲輻射影響。R E.Gautier等人［32］提出車輪的橫截面形狀對噪聲福射具有重要的影響。占智華［33］分析改變福板傾斜角度對車輪的振動和聲福射的影響顯著；福板厚度的對車輪的振動和聲福射有較大影響。

軌道輪軌噪聲傳播同樣受到線路、列車及外環境等環境因素影響。聲指向特性、距離衰減、空氣衰減、地形因子和聲屏障衰減等環境影響因子對噪聲傳播影響重要。

在軌道交通噪聲降噪研究方面，通過對列車車輪幾何形狀、軌道結構等進行優化，或通過改變軌道結構參數，都可以降低輪軌滾動噪聲，低噪車輪的研究開發已經成為一大研究熱點。在車輪上安裝消聲阻尼器和在車輪福板表面敷設粘彈性阻尼材料［34］。測試表明［35］，采用彈性鋼軌可降低噪聲4～8dB（A）。荷蘭研制了SA42型矮軌，并采用嵌入式軌道結構技術，與有碴軌道結構比較，可以減少噪聲約5～7dB（A）［36］。聲屏障的設計已有完善的理論和工程實踐，隔聲屏形狀和吸聲材料的新發展使噪聲控制技術不斷完善，聲屏障也被廣泛應用到實際工程中。

5.2 結構噪聲影響研究

地鐵軌道上蓋物業受振動產生的二次結構噪聲是也是地鐵上蓋物業噪聲影響主要內容之一。Anderson［37］通過對受地鐵振動影響的兩幢建筑的測試，研究了較大振動及室內二次噪聲的頻率范圍，較大振動的頻率一般出現在5～50Hz，而室內結構噪聲以31.5Hz，63Hz和125Hz為中心的倍頻帶范圍較為顯著。Welker J G［38］認為地鐵振動二次結構噪聲頻率范圍一般在20～200Hz，峰值一般出現在50～80Hz，聲級為35～45dB。國際標準化組織［39］提及到建筑物二次結構噪聲峰值頻率在16～250Hz。北京地鐵復興門－西單區間列車通過時，周圍舊平房建筑內的二次結構噪聲在f＝35～250Hz間的實測聲級水平為42～48dB（A）［40］。

一般而言，建筑物結構噪聲與建筑物振動響應相關。可以基于地鐵列車振動預測模型對建筑物室內結構噪聲分析預測。根據英法兩國地鐵振動對沿線建筑物室內二次結構噪聲影響預測值與測量值的驗證結果［41］，建筑物底層室內二次噪聲與地板振動存在良好的直線相關關系，但對于其他樓層不存在這樣的關系。

康波［42］在建立地鐵列車與結構振動噪聲分析模型基礎上分析了分析地鐵上方建筑物振動響應和預測室內二次結構噪聲，預測列車運行速度對建筑物室內二次結構噪聲影響顯著，隨著列車速度提高，建筑物室內聲壓級顯著增大。相對于整體道床軌道，采用彈性支承塊式軌道時，建筑物聲壓級降低最大幅度可達20dB（A）。

6 結語

目前城市軌道交通對沿線建筑物振動和噪聲影響，受軌道交通條件、線路狀況、地質條件和建筑物特性等多種因素制約。從振動和噪聲源、傳播途徑及影響受體三方面展開城市軌道交通振動和噪聲影響研究是主要的途徑。通過探求軌道交通列車運行建筑物振動和噪聲影響規律，可以得到一些研究成果。建筑物內振動以豎向方向低頻振動為主。不同的研究，城市軌道交通振動影響隨樓層高度的增加而出現不同程度的變化。隨著城市軌道交通路線特別是車輛段上蓋物業快速發展，其列車運行對上部大平臺上的建筑物振動和噪聲影響成為關注熱點，須進一步研究。

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