地鐵引起建筑室內振動監測與評價探討

胡月琪， 張中平， 郭建輝， 劉 倩， 王 錚， 姜 濤

(北京市環境保護監測中心 大氣顆粒物監測技術北京市重點實驗室， 北京 100048)

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，城市化進程的不斷加速以及城市自身發展的需要，城市軌道交通以其快捷、安全、節能、環保等諸多優勢，成為了城市交通系統發展的重點。城市地下軌道交通的大力發展既解決了大中城市的交通擁堵問題，又提高了土地資源的利用率，但是由于城市地下軌道交通大都位于或穿越中心城區，城市地下軌道交通經常出現在敏感建筑物下方穿越或近距離經過等情形，地鐵列車運行給沿線周圍的古建筑物、居民的居住環境及身體健康等均產生顯著影響[1-4]。

地鐵列車運行過程中車輛對軌道造成的沖擊與振動以及影響地鐵列車振動傳播的因素與控制措施，國內外已有不少研究[5-7]。唐和生等[8]、萬勝國等[9]、雷彬等[10]對城市地下軌道交通環境振動影響評價方法與評價指標進行了理論分析與實踐探討。也有學者分析和探討了城市軌道交通引起的室內振動和結構噪聲的監測方法與評價量問題[11-14]。

針對地鐵列車運行引起的沿線敏感建筑物室內振動帶來的環境問題，目前缺少統一明確的國家標準監測方法與評價量。研究結合我國現行的相關標準適用性及其存在的問題，分析探討了我國地鐵列車運行引起的沿線敏感建筑物室內振動的監測方法與評價量及其限值標準，以期合理評估地鐵對沿線敏感建筑物與居民生活的影響，為針對性地采取相關治理措施提供技術基礎，為將來制訂新國家標準提供一定的技術支持。

2 國內建筑物室內振動測量與評價的標準概況

目前，我國適用于建筑物室內振動測量與評價的標準有：測量振動環境質量的環境保護國家標準；測量建筑物附屬設施振動源造成建筑物室內振動，便于規范安裝在建筑住宅內設備振動控制設計的建筑設計國家標準；專門測量城市軌道交通（地下段）列車運行引起沿線建筑物室內振動，以規范地鐵工程設計與運行管理的國家標準和地方標準。

2.1 GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》與GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》

由原國家環境保護局提出的城市區域環境振動測量方法標準與限值標準[15-16]規定的城市區域環境振動評價量是參照采用國際標準ISO 2631.1：1985（等效于原國標GB/T 13441—1992）規定的“全身振動Z計權因子”（Wi）修正后得到的鉛垂向Z振級VLZ，評價環境振動對人體的影響頻率范圍設定為1 ～ 80 Hz。

但是國際標準ISO 2631.1：1985是振動的基礎性標準，已被國際標準ISO 2631.1：1997（等效于現行國家標準GB/T 13441.1—2007）替代，“全身振動Z計權因子“（Wi）在新版標準中也被新的表述替代為”全身振動 Z方向的計權因子”（Wk）。Wi與Wk的物理意義有本質不同，Wi是基于等感曲線提出來的，其頻率響應特征應與各軸向人體暴露允許界限特性相對應，是相對于人體最敏感頻率范圍的計權系數；而Wk更關注振動對人體健康、舒適度、感覺等方面的影響，更關注人的主觀感受，是用于Z軸方向和臥姿垂直方向（頭部除外）的有關健康、舒適與感知的頻率計權。Wi與Wk計權因子曲線對比見圖1。

圖1 Wi與Wk計權因子對比

由圖1可以看到，在1～4 Hz的低頻部分，Wi計權值大于Wk計權，相差0.3～2.5 dB，平均相差1.5 dB；在4～8 Hz頻段，Wi計權值與Wk計權基本相等；而在8～80 Hz頻段，Wi計權值小于Wk計權，相差1.9～4.2 dB，平均相差3 dB。可見環境振動信號在以不同計權因子修正后的結果存在一定差異。

現行城市區域環境振動監測儀器是以Wi計權因子修正后的結果，雖然振動的基礎性標準ISO 2631.1：1985已被國際標準 ISO 2631.1：1997替換，但新的國家環境振動標準發布之前原有國家標準依然有效。

環境振動根據振動類型的不同，評價量分別采用VLZ10，VLZeq或VLZmax，其中穩態振動以5 s的平均示數VLZeq為評價量，無規振動以連續測量不少于1 000 s的VLZ10為評價量，沖擊振動和鐵路振動分別以10次重復出現的沖擊振動和連續測量20次列車的VLZmax的算術平均值作為評價量。

從環境保護的角度來講，GB 10071—1988與GB 10070—1988分別是城市區域環境振動的評價方法標準與限值標準，規定了建筑物外部各種振動源對住宅建筑物的振動評價方法與限值標準，是振動環境質量監測與評價的基礎標準。地鐵作為城市軌道交通（地下段）沿線敏感建筑物室內振動的外部來源，其引起的建筑物室內振動的監測與評價顯然適用于 GB 10070—1988與 GB 10071—1988規定的區域環境振動情形。

2.2 GB/T 50355—2005《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》

由原建設部提出的住宅建筑室內振動測量方法標準與限值標準[17]規定的評價量為測量1/3倍頻程各中心頻率的鉛垂向振動加速度級La值 （與國標GB 10071—1988規定的振動加速度級定義相同，本標準中稱為分頻振動加速度級，以下統一記作VALi），即分頻振動加速度級限值。振動加速度級VAL定義式為：

式中：a為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

振動頻率范圍與GB 10071—1988規定一致為1～80 Hz。住宅建筑室內振動評價在執行本標準時，還應符合國家現行有關標準的規定，即需滿足GB 10070—1988中VLZ值。測量儀器與GB 10071—1988中對測量儀器的規定要求一致，頻率計權因子沿用GB 10071—1988中Wi。

1/3倍頻程各中心頻率的VALi與VLZ之間的換算公式為：

GB/T 50355—2005規定了安裝在住宅建筑物（含商住樓）內部的各種振動源（如電梯、水泵、風機等）對住宅建筑內部的振動監測方法標準及容許振動限值標準，以確保居住者有一個良好而又必備的居住條件，同時也為住宅建筑內各種振動源的振動控制提供了可靠的依據。但從環境保護的角度來講，住宅建筑物自身配備附屬設施振動源的振動控制和評價，屬于建筑設計技術規范范疇，其對住宅建筑自身的振動影響，不屬于環境保護監管的范圍，顯然GB/T 50355—2005不適用于地鐵運行引起的沿線敏感建筑物室內振動的監測與評價。

住宅建筑內振動源一般振動頻率比較單一，且為連續性的穩態振動或無規振動。GB/T 50355—2005規定振動測量時，儀器為快響應，采樣時間間隔不大于1 s，測量時間不少于1 000 s，讀取VALi和VLZ。但并未明確1/3倍頻程各中心頻率的VALi是采用等效分頻振動加速度級、最大分頻振動加速度級還是分頻累計百分振動加速度級以及鉛垂向Z振級是采用等效Z振級、最大Z振級還是累計百分Z振級來進行評價。按照GB/T 50355—2005規定的振動測量方法，屬于GB 10071—1988中無規振動的測量方法，建議分別讀取VALi,10和VLZ10值來進行評價。

由于目前采用1/3倍頻程分析功能的振動監測儀器雖可捕獲振動1/3倍頻程頻譜時間歷程監測數據，但均須進行相應數據處理后方可獲得有關監測結果，因此監測人員應熟悉振動的基礎知識和一定的專業技能。

2.3 JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次幅射噪聲限值及其測量方法標準》

由住房和城鄉建設部提出的專門針對城市軌道交通列車運行引起沿線建筑物室內振動測量方法標準與限值標準[18]規定的評價量為列車通過時1/3倍頻程中心頻率上的分頻最大振級（記為VLmax）。VLmax既不同于1/3倍頻程各中心頻率上的最大分頻振級VLi,max，也不同于GB/T 50355—2005的評價量分頻振動加速度級VALi，而是將列車通過時測量的1/3倍頻程各中心頻率上最大鉛垂向振動加速度級VALi,max按Wk修正后得到的各中心頻率上的最大分頻振級VLi,max，再以各中心頻率上的VLi,max中的最大值作為評價量，即為VLmax，可見VLmax并非針對特定頻率下的最大振級。

振動測量的頻率范圍規定為4～200 Hz。頻率計權因子采用ISO 2631.1：1997規定的Wk計權因子，而不是GB 10071—1988中規定的Wi計權因子。地鐵列車運行引起沿線建筑物室內振動評價在執行本標準時，還應符合國家現行有關標準的規定，即需滿足GB10071—1988中有關鐵路振動的規定，其評價量為鉛垂向最大Z振級VLZmax限值。

測量應不少于5列列車通過時的分頻VLmax和最大Z振級VLZmax，并以各次結果的算術平均值作為評價量。

2.4 DB 31/T470—2009《城市軌道交通（地下段）列車運行引起的住宅室內振動與結構噪聲限值及測量方法》。

由上海市環境保護局提出的針對城市軌道交通（地下段）列車運行引起的沿線住宅室內振動測量方法標準與限值標準[19]從本質上講與現行國家標準GB 10071—1988一致，其評價量為列車通過時的VLZmax。

測量不少于5列對測點影響較大一側軌道線路的列車通過時的VLZmax，并以各次結果的算術平均值作為評價量。

3 建筑物室內振動測量及其相關技術要求

對我國建筑室內振動監測與評價相關標準分析表明，室內振動監測的測量位置布設及其他監測相關技術要求基本一致。

建筑物室內振動測點一般設在建筑物一樓室內地面中央或室內地面振動敏感處，并盡量距離任一墻面0.5 m以上。當室內布設條件不允許時，可設在建筑物室外0.5 m以內振動敏感處。

測量鉛垂向振動的拾振器應穩定安裝在平坦、堅實的地面上，盡量避免置于地毯等松軟的地面上。拾振器的靈敏度主軸方向應與測量方向鉛垂向一致。

振動測量儀器應符合現行國家標準GB 10071—1988中對測量儀器的有關技術規定，并經國家認可的計量部門檢定合格且在其有效期內使用。

測量過程中應避免足以影響振動測量值的其他環境因素或其他振動污染源引起的干擾。

4 建筑物室內振動評價限值標準分析

綜合我國現行標準對建筑住宅室內振動的評價量主要有：鉛垂向 Z 振級VLZ（VLZ10，VLZeq或VLZmax）、VALi與VLmax。其中 GB/T 50355—2005 和 JGJ/T 170—2009分別采用VALi與VLmax作為評價量，同時必須滿足國標GB 10070—1988的有關限值要求。

4.1 住宅建筑物室內振動評價標準限值總體分析

我國現行建筑室內振動評價標準限值匯總見表1。從表1中可看出，適用區域范圍除GB 10070—1988中單獨劃分了“鐵路干線兩側”外，其他標準對相關適用區域范圍的劃分基本相同。從標準限值數值上看，DB31/T 470—2009無特殊住宅區 （0類區）的劃分，2類區域較GB 10070—1988嚴格3dB外，其他限值完全相同，且對地鐵列車運行引起的室內振動而言，2標準的評價量一致；JGJ/T 170—2009與GB 10070—1988相比較，JGJ/T 170—2009除執行GB 10070—1988要求外，還需執行分頻最大振級限值，從VLmax限值看，1，2類區域較GB 10070—1988嚴格5 dB，其他限值完全相同，但二者使用的評價量不同，執行的頻率計權因子以及包含的測量振動頻率范圍亦完全不同，無法直接進行比較。

表1 我國現行建筑物室內振動標準限值dB

按照Wi頻率計權因子修正前后GB/T 50355—2005室內振動限值標準見圖2（其中1級限值為適宜達到的限值，2級限值為不得超過的限值）。從圖2中我們可以看出，1/3倍頻程各中心頻率的VALi限值按照Wi頻率計權因子修正后的各中心頻率的分頻振級VLi限值均相同，1級晝間限值為70 dB，1級夜間限值為67 dB，2級晝間限值為75 dB，2級夜間限值為72 dB。從2級晝夜間限值數值來看，與GB 10070—1988的2，3，4類適用區域范圍數值相同，但GB/T 50355—2005評價量為按照Wi頻率計權因子修正后VLi，即使各中心頻率的任何一個分頻振級VLi剛達標，按照式（2）換算成VLZ值后，也可能不滿足GB10070—1988的限值標準要求，可見GB/T 50355—2005中VALi的2級限值標準較寬松。

圖2 Wi 頻率計權修正前后GB/T 50355 標準限值

4.2 GB/T 50355—2005評價量分頻振動加速度級限值與JGJ/T 170—2009評價量分頻最大振級限值分析

由于GB/T 50355—2005與JGJ/T 170—2009分別采用VALi和VLmax進行評價，均為分頻多值限值。GB/T 50355—2005的VALi限值按照Wi頻率計權因子修正后的1/3倍頻程各中心頻率的分頻振級VLi限值均相同，其1級晝夜間限值與JGJ/T 170—2009的2類適用區域晝夜限值數值一致，2級晝夜間限值與JGJ/T 170—2009的3，4類適用區域晝夜限值數值一致。而JGJ/T 170—2009評價量VLmax是按照Wk頻率計權因子修正后的分頻最大振級，前面已提到，振動頻率在4～8 Hz范圍內，Wi計權值與Wk計權基本相等，頻率在8～80 Hz范圍內，Wi計權值比Wk計權值小1.9～4.2 dB，可見JGJ/T 170—2009評價量VLmax較GB/T 50355—2005評價量VALi嚴格。將JGJ/T 170—2009評價量VLmax限值還原為未按照Wk頻率計權因子修正前的各中心頻率的VALi，max限值后與GB/T 50355—2005評價量VALi限值比較見圖3。其結果與上述分析結論一致。

圖3 JGJ/T 170標準限值與GB/T 50355標準限值比較

5 結論與建議

GB 10071—1988適用于建筑室內各種振動環境質量的監測，而專門針對地鐵引起沿線建筑室內振動測量的DB 31T470—2009與國標GB 10070—1988和GB 10071—1988相關規定完全相同，其評價量均為VLZmax。

GB/T 50355—2005是針對建筑住宅內附屬振動源的振動測量，以驗證振動控制設計的建筑設計技術規范國家標準，不適用于環境保護鄰域建筑室內環境振動的監測。該標準增加了VALi作為評價量，但其限值標準過于寬松，可能造成建筑物室內振動設計達標，而室內環境振動結果卻超過了城市區域環境振動限值標準。

JGJ/T 170—2009針對地鐵引起建筑室內振動監測在滿足GB 10070—1988要求的基礎上，增加了VLmax作為評價量。但其執行不同的頻率計權因子，測量的振動頻率范圍也不同，易造成使用與評價的不便。VLmax與VLZmax不能簡單判斷孰嚴孰松，且應盡早統一振動測試頻率范圍和頻率計權因子。

對我國建筑室內振動監測與評價相關標準分析表明，室內振動監測的測量位置布設及其他監測相關技術要求基本一致，主要差別在于不同標準使用的評價量不同，造成對振動測量分析儀器的技術性能要求存在巨大差異以及后期監測數據處理方式與結果評價不統一。