城市軌道交通環境振動對人體影響的暴露-響應關系研究現況

馬 蒙，張厚貴

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044；2.北京市勞動保護科學研究所，北京100054）

伴隨我國軌道交通事業的迅猛發展和人們環保意識的日益增強，軌道交通引起的環境振動和噪聲受重視程的度也越來越高，高要求的減振降噪已成為城市軌道交通發展面臨的一項重大挑戰[1]。近年來，城市地鐵沿線居民對振動的投訴時有發生，解決地鐵振動擾民問題是發展綠色軌道交通不容回避的問題。造成這一現象的原因是多方面的，與環境評價、振動預測、軌道選型等因素都有關系，其中一個重要的無法回避的關鍵問題是：我國目前地鐵列車環境振動對居民影響的暴露-響應（Exposure-response）關系究竟處于何種量級、分布形式如何。換言之，振動水平與居民舒適度（或煩惱度）比例之間的關系是什么？正如文獻[2]在論述我國城市軌道交通環境振動研究現況時指出：由于我國在人體振動暴露-響應關系研究上的滯后使得大量振動投訴事件和環境振動評價缺乏科學依據的判別標準。本文將就這一問題，對國內外研究進展進行總結和論述。

1 振動暴露-響應關系基礎研究

振動對人體舒適度（或煩惱度）的暴露-響應關系是一項基礎性研究工作，涉及工程、醫學、心理學等多個交叉學科。通常需要通過調研、問卷調查、振動測試與試驗、數據統計分析并持續積累數據以形成暴露-響應曲線。暴露-響應曲線反映了振動水平的客觀量級與人體煩惱度主觀響應間的關系，它可成為政府和科研單位確定環境振動標準的依據。

居住房間內振動水平與振源特性、振源距離、傳播路徑、建筑基礎形式、建筑結構形式、房屋開間大小等若干因素相關，上述因素一旦確定，即可客觀測試出居住房間樓板的振動量大小。研究表明：人體對振動的感受不僅取決于振動方向、振動頻率、振動持時、人體姿勢、人的性別與年齡等，還與人體健康狀況、對振動的經歷、對房間內有價值物品的主觀擔憂等無數不確定因素有關[3-4]。因此，人對振動的主觀反應受個體差異影響極大。單一個體對振動反應的參考意義不大，只有大樣本統計得到的人體對振動響應煩惱度比例才對暴露-響應關系有價值。

表1總結的歐美部分國家室內振動限值與人體干擾比例之間的關系。可以看出：任何一個國家的振動標準都無法確保100 %的居住人群不受到干擾。政府或環保部門可根據該國經濟發展水平和人民對環境振動舒適度的需求，先確定滿足舒適度要求的人群比例，再確定合適的振動標準限值。

表1 部分國家室內振動限值與對人體干擾的比例關系

由于列車振動對人煩惱度影響問題屬于客觀外界刺激與主觀人體響應相互作用的問題，根據斯蒂芬冪定律（Steven’s power law）[5]，主觀感知量與客觀刺激量的乘方成正比，即：

式中：?為外界物理刺激；ψ為受外界刺激引發的主觀感知量級，n為與刺激類型有關的增長常數，k為比例常數。Morioka 和Griffin[6]、Wyllie和Griffin[7]的研究表明，增長常數與振動激勵方向以及激振頻率密切相關。

針對軌道交通振動引起鄰近居民煩惱度增強的問題，國外研究主要采用測試、實驗與主觀問卷調查的形式，尋找振動暴露-響應關系，為各國標準中振動限值的確定提供依據。表2總結了部分國內外軌道交通振動暴露-響應關系的基礎性研究。

表2 軌道交通振動暴露-響應關系研究

可以看出，上述研究對象以地面客運和貨運鐵路為主，專門針對城市軌道交通的研究較少。數據樣本通常在數百個，有的研究樣本超過一千或兩千個。上述研究還表明：典型暴露-響應關系（曲線）中，振動對人群干擾的百分比隨著振動水平的增加而呈指數地增加。

2 國內列車振動對人體舒適度評價

2.1 振動舒適度評價方法

進行列車振動環境影響評價時，振動對人體舒適度的影響是個無法回避的問題。人體對所處環境振動響應的舒適度是一個難于定義和測量的主觀概念，目前尚無統一的評價標準。在評價列車振動對建筑內人體舒適度影響時，目前國內通常采用的方法有兩種：

其一是將計算或測試的樓板振動響應與既有標準中的限值對標。例如，在研究高鐵車站或橋建合一的高架車站時，劉海鑫等[23]、馮讀貝[24]采用《城市區域環境振動標準》[25]限值對標評價人體舒適度，彭濤[26]采用美國鋼結構設計指南AISC[27]對候車廳結構進行舒適度評價。需要指出的是，由于國內目前尚沒有針對交通振動且基于人體舒適度研究的標準和限值，因此尋求其他標準未必是合適的。

其二是將計算或測試的樓板振動響應與國外標準中煩惱度曲線對標比較，以評價建筑樓板振動是否滿足舒適度要求，如周立[28]、丁潔民等[29]、謝偉平等[30]的研究。這種方法能較為便捷地給出預測振動或測試振動與煩惱度曲線的關系。但存在如下問題無法解決：（1）國外標準中的煩惱度曲線與國內振動標準限值之間是什么關系？滿足國內振動標準是否自動滿足國外煩惱度曲線，反之滿足煩惱度曲線是否滿足國內振動標準？例如，楊娜等[31]通過實測北京南站列車運行引起站房振動響應，并與不同規范比較，認為現行規范與“房橋合一”結構中實際人體煩惱率并不吻合。（2）不同振源特性引起的人體對振動的煩惱程度差異很大，例如Sharp等[32]、Maclachlan等[33]和Waye等[34]針對歐洲地面客運、貨運列車對人體睡眠和煩惱度影響進行了詳細研究，證明貨運列車對人體影響遠大于客運列車，從而擬合出不同的振動暴露-響應曲線。而國內軌道交通（尤其是地鐵）的發車間隔、軌道形式、地層條件、運行速度等都與國外存在較大差異，目前我國關于列車環境振動對人體影響的暴露響應關系研究還非常缺乏，因此凸顯出進行環境振動舒適度評價的困難。

2.2 調查與試驗研究

基于舒適度的合理的振動控制限值確定需要針對特定的振源類型，采用客觀振動量和主觀感知量相結合的研究方法。我國在制定《城市區域環境振動標準》時，曾進行過近2 000 個樣本的問卷調查和測試[21-22]，發現：振級每增加5 dB有反應的人數增加10%，當振動強度達到80 dB 時可引起50%左右的居民“高煩惱度”反應，并基于此制定了鐵路干線兩側振動限值。由于上述研究開展較早，振源亦非針對城市軌道交通，近年來同類標準制定和修訂時，鮮有類似的基礎研究工作見諸報道。

針對地鐵沿線及車輛段住宅建筑振動擾民問題，麻云英等[35]、謝鵬等[36]進行了600 個樣本的入戶調查，調查發現地鐵振動引起失眠狀態的居民比率高達37.7%，且振動達標的情況下居民反應仍然強烈。遺憾的是這一調查缺乏對振動響應測試數據及其與煩惱度關聯的深入分析，依然沒有構建出我國地鐵振動對人體影響的暴露-響應關系。

此外，楊娜等[37]對544 個有效樣本進行統計，基于模糊數學評價理論，得到了北京南站“房橋合一”站廳結構的煩惱率函數。朱瑾如等[38]對上海地鐵8號線附近某小區進行了現場測試和調查研究，認為僅使用規范評估地鐵振動影響會使結果偏于樂觀。

表3 可用于環境振動和室內振動評價的標準

2.3 國內振動標準與評價指標

我國目前可用于環境振動和室內振動評價的標準有多個，如表3所示，除GB10070一般用于建筑物外環境振動外，GB/T50355、GB50868 和JGJ/T170[41]均可用于室內振動評價。這些標準的評價指標雖然都基于豎向加速度，但分析統計方式不同，對標量涉及最大Z 振級（VLz,max）、分頻最大Z 振級（VLmax）、分頻振級（VL(fi)）、四次方劑量值（VDV）等多個。然而，上述任何一個標準中振動限值的設立究竟滿足多少比例中國人群的舒適度，卻是一個無法回答的問題。目前也很難通過與表1中數據對比分析國內振動標準限值與國外標準。

圖1為13處居民對地鐵振動投訴的室內振動測試統計結果，測試方法和標準依據JGJ/T170。可以看出，超出限值65 dB的投訴點僅有2處，介于60 dB～65 dB 的投訴點有7 處，還有4 處投訴點的室內振動小于60 dB。面對這樣的測試評估結果，究竟是標準設置得過分寬松，還是投訴點居民對振動過于敏感，均無法給出判斷結論。由此可見，僅在規范中設置限值而缺乏暴露-響應關系基礎研究的數據支撐將導致環境振動評價缺乏科學的評判依據。

圖1 居民振動投訴點室內列車振動測試結果

3 振動評價指標轉換

由于暴露-響應關系研究需要長期數據積累和大量科研成本的投入，并非每個國家都需要從零開始開展這一研究，而可以借鑒其他國家已有的暴露-響應關系研究成果。但當各個國家振動評價指標不同時，則需要進行指標轉換。

振動指標轉換涉及評價物理量、計權頻率、振動時間窗長、統計方法、工程單位等多個維度的分析。在這方面，英國規范BS6472[42]給出了均方根與四次方根的轉換建議；Janssen 等[20]研究了德國DIN 規范中KB值計權與ISO計權的關系；Janssen等[43]還總結了歐洲三種基礎振動描述指標（最大速度Vd,max、平均振動加速度aRMS、VDV）的相互轉換方法。上述研究使得歐洲各國間振動指標基本能夠實現相互轉換計算，因此振動暴露-響應關系的研究成果可以共享。

目前，我國僅GB50868 推薦附加評價量四次方劑量值可一定程度參考英國的暴露-響應關系曲線，在環境振動評價中主要采用的VLz,max、VLmax均與歐洲各國規范中的指標在測試數據處理方式上存在較大差異。例如，我國主要采用的振動量基于對數趟列車通過時的平均量計算得到，而國外大多數振動量都基于對數小時甚至數天振動暴露的描述。然而，針對我國與其他國家振動評價指標轉換方法的研究目前仍是空白。因此，當缺乏暴露-響應關系基礎研究時，目前我國也很難直接應用國外已有的振動暴露-響應研究成果。

4 結論與展望

（1）振動對人體的暴露-響應關系是一項多學科交叉的基礎研究，是確定振動控制限值的重要依據。

（2）目前我國環境振動與住宅室內振動規范中控制限值缺乏暴露-響應曲線支撐，導致環境振動評價缺乏以人為本的科學評判依據。最大Z振級與分頻最大振級與國外主要振動指標目前無法實現相互轉換。

（3）建議開展軌道交通環境振動對人體影響的暴露-響應基礎研究，結合國內標準中振動指標的選擇制定符合中國人體特征的暴露-響應曲線，為今后規范修訂提供理論依據。同時，建議開展國內外振動指標轉換研究，實現國內外標準和研究成果的可比性和可借鑒性。