地鐵車輛段上蓋建筑環(huán)境振動影響及控制研究概述

宋瑞祥，張斌，2，鄔玉斌*

（1.北京市科學技術研究院城市安全與環(huán)境科學研究所，北京 100054；2.中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會噪聲與振動控制專業(yè)委員會，北京 100045）

黨的十九大報告提出建設交通強國，極大地推動了我國城市軌道交通高質量發(fā)展。中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的數(shù)據顯示，截至2022年年底，中國大陸地區(qū)55 個城市開通的運營城市軌道交通線路總長度超過1 萬公里，在建和規(guī)劃線路長度超過1.3 萬公里。城市軌道交通建設和運營需要巨大的財政資金投入，2022年建設投資為5443 億元，在建項目可研批復投資累計達4.6 萬億元，而全國城市軌道交通平均運營收支比僅為53.38%，處于虧損狀態(tài)[1]。為拓寬籌資渠道，“反哺”軌道交通建設與運營，各地紛紛大力推動地鐵車輛段上蓋綜合物業(yè)開發(fā)模式。

地鐵車輛段上蓋綜合物業(yè)開發(fā)（見圖1）是指在列車運用庫、檢修庫、咽喉區(qū)等車輛段/停車場局部或整體區(qū)域上方加蓋平臺，進而在平臺上方建設住宅、商業(yè)、辦公、學校等，實現(xiàn)車輛段區(qū)域土地集約利用，提升土地開發(fā)價值，并能改善車輛段區(qū)域景觀環(huán)境。目前全國投運車輛段/停車場489 座，通常一個車輛段/停車場占地面積為20—30 公頃，將巨大的車輛段市政交通服務功能用地進行綜合商業(yè)開發(fā)，具有顯著的經濟、環(huán)境和社會效益。

圖1 地鐵車輛段及上蓋開發(fā)

1 車輛段上蓋開發(fā)現(xiàn)狀及模式

建于1999年的北京四惠地鐵車輛段是我國內地首個上蓋項目，2010年前后，北京先后開發(fā)郭公莊、平西府、五路居等地鐵車輛段/停車場上蓋項目。與此同時，深圳、上海等一線城市也進行了上蓋開發(fā)探索。至2015年左右，隨著多個車輛段上蓋項目成功運用，全國各地掀起了地鐵車輛段上蓋開發(fā)熱潮，目前北京建成、在建和規(guī)劃的地鐵車輛段上蓋項目已有10 余個。

經過最近十幾年的快速發(fā)展，車輛段上蓋開發(fā)項目不斷升級換代，開發(fā)規(guī)模和深度發(fā)展迅速，主要體現(xiàn)在：

（1）開發(fā)區(qū)域不斷擴展，由早期的運用庫局部上蓋開發(fā)，逐漸向運用庫、檢修庫、咽喉區(qū)、試車線、出入線全區(qū)域上蓋發(fā)展。不同時期車輛段開發(fā)對比見圖2。

圖2 不同時期車輛段開發(fā)對比

（2）車輛段開發(fā)規(guī)模不斷增大，隨著車輛段開發(fā)區(qū)域擴大和上蓋建筑不斷向高層甚至超高層發(fā)展，地鐵車輛段上蓋開發(fā)建筑面積由早期20—30 萬m2增至百萬m2以上，建筑開發(fā)面積增加數(shù)倍。

（3）車輛段開發(fā)形式多樣化，不斷出現(xiàn)地面、地下、高架、雙層等不同車輛段結構形式的上蓋項目。同時，上蓋建筑基礎形式也更加多樣，為上蓋建筑方案布局和結構形式靈活設計提供條件，常見基礎形式包括梁柱全轉換、半轉換、基礎全落地等。另外，車輛段上蓋同周邊市政交通更為融合，出現(xiàn)市政交通下穿、上跨車輛段等銜接模式。車輛段上蓋開發(fā)模式見圖3。

圖3 車輛段上蓋開發(fā)模式

2 振動影響源

由于地鐵車輛段特殊的上蓋建筑結構形式和不同功能線路列車運行特點，地鐵車輛段上蓋建筑受列車運行引起的環(huán)境振動影響有別于地鐵正線臨近建筑，主要表現(xiàn)在：

（1）車輛段上蓋建筑直接位于地鐵線路正上方，振源與建筑“零距離”接觸，列車運行時產生的輪軌相互作用振動經由道床、立柱、蓋板等混凝土剛性介質傳播至上方建筑結構，振動傳播路徑短，由于缺少巖土介質阻尼衰減，增加了地鐵對上蓋建筑的影響強度和范圍。

（2）車輛段內列車早晨出車、晚上回庫，高峰運行時間為早上5:00—7:30 和晚上22:00—24:00，正處于人們休息的最敏感時間段，而且高峰小時運行頻次最大可超15。

（3）地鐵車輛段由運用庫、檢修庫、咽喉區(qū)、出入段線、試車線等不同功能區(qū)域組成（見圖4），不同區(qū)域列車運行狀態(tài)、軌道結構差異明顯，因此振源特性各不相同。表1 給出了各區(qū)域振動影響源特點。

表1 車輛段振動影響源

圖4 典型地鐵車輛段區(qū)域劃分

3 振動標準

振動標準限值是地鐵車輛段上蓋開發(fā)環(huán)境影響評價和控制設計的基本依據，表2 為現(xiàn)行主要振動標準。由表2 可知，目前我國現(xiàn)行振動標準較多，但振動限值尚未協(xié)調統(tǒng)一。

表2 適用地鐵振動的標準限值比較

《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB 10070—1988）為國家強制性標準，該標準以1—80Hz 最大加速度z 振級作為建筑室外環(huán)境振動限值，同時也作為建筑室內振動限值，該標準應用最為廣泛；《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）采用4—200Hz 分頻最大Z 振級作為評價量，該標準沒明確分頻最大Z 振級的計算時長，采用列車運行全時段加速度和振級最大1 秒時段加速度求解的分頻最大Z 振級相差較大（可差5dB以上），當采用列車運行全時程加速度分析時，該標準限值嚴格程度與GB 10070—1988 相差不大，當采用最大1 秒的分頻最大Z 振級時，該標準限值非常嚴格。

《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB/T 50355—2018）針對住宅建筑規(guī)定了分頻加速度限值和Z 振級限值，并分為二級，一級為適宜限值，二級為不得超過限值，其中一級限值與GB 10070—1988 中的“居民文教區(qū)”限值基本相同，二級限值與GB 10070—1988 中的“混合商業(yè)區(qū)”限值基本相同，（這兩部標準考慮了計權曲線差異，限值量差3dB）；《建筑工程容許振動標準》（GB 50868—2013）針對交通振動，規(guī)定采用豎向四次方振動劑量值（VDVZ）作為評價量，該評價量對振動峰值更為敏感，而且考慮了暴露時間對人體舒適性的影響，但該標準限值較為寬松；《建筑環(huán)境通用規(guī)范》（GB 55016—2021）是最新發(fā)布實施的全文強制性國家標準，該標準限值較為寬松，由于頒布時間晚，尚未廣泛應用。

目前我國地鐵車輛段上蓋開發(fā)振動影響評價和控制主要執(zhí)行GB 10070—1988 和JGJ/T 170—2009，這兩部標準均根據功能區(qū)分類別給出不同等級的振動限值，但目前我國還沒有振動功能區(qū)劃分標準，應用時通常參考聲功能區(qū)劃執(zhí)行。由于車輛段上蓋開發(fā)用地功能屬性的特殊性，各地在劃分車輛段用地聲功能區(qū)劃時也存在較大爭議。

我國不同城市對地鐵車輛段上蓋項目的聲功能區(qū)劃細則主要分為以下幾種情況：（1）明確地鐵車輛段上蓋住宅建筑按1 類區(qū)執(zhí)行，如北京通州區(qū)、大興區(qū)等；（2）明確地鐵車輛段屬于4a 類區(qū)，如鄭州、廣州等；（3）沒有對地鐵車輛段聲功能區(qū)進行規(guī)定說明，該情況下通常按車輛段所在地的聲功能區(qū)執(zhí)行，如西安、武漢等。統(tǒng)計數(shù)據表明，我國大部分車輛段上蓋開發(fā)項目按2 類和4a 類執(zhí)行，部分項目考慮建筑功能屬性按1 類執(zhí)行。

綜上，目前我國地鐵環(huán)境振動限值相關標準較多，各標準振動評價量、頻率范圍及限值都存在較大差異，由于缺少振動功能區(qū)劃分標準，不同城市車輛段功能區(qū)劃較為混亂，給地鐵車輛段上蓋開發(fā)環(huán)境振動影響評價、控制設計和環(huán)保驗收等工作帶來不便。

4 環(huán)境振動影響

國內外學者對車輛段內地鐵振動源強特性、傳播規(guī)律及上蓋建筑振動響應開展了大量測試，積累了較為豐富的實測數(shù)據。

車輛段庫區(qū)（檢修庫、運用庫）采用無砟道床，列車在庫內運行速度底，振動荷載小，庫區(qū)立柱底部位置加速度最大Z 振級一般不大于65dB，但持續(xù)時間長，可達60 秒以上。地鐵振動隨車速增大而增大[2]，列車在運用庫門口位置車速可增至10km/h 以上，受車速影響，靠近車庫門口位置的振源及上蓋建筑室內振動相對較大，由于庫內地鐵振動激勵荷載小，庫區(qū)線路采用適當?shù)能壍罍p振措施即可滿足上蓋建筑環(huán)境振動控制的需求。

檢修庫除地鐵列車振動影響外，還存在檢修作業(yè)等振動源，其中天車振動值得關注，天車行駛時產生的輪軌振動經由立柱上端牛腿傳至上蓋平臺，振動傳播路徑短，振動能量衰減小，立柱位置處天車豎向、振動頻率集中在12.5—50Hz，振動響應時間可達30s，天車上方樓板實測最大Z 振級可超過70dB，但蓋板伸縮縫對振動能量有極大衰減，振動隨天車運行速度增大而增大，但天車吊裝重量對振動影響不顯著[3，4]。

車輛段咽喉區(qū)采用有砟道床，由于存在大量鋼軌接頭、道岔和小半徑曲線，列車運行產生明顯的輪軌沖擊作用，振動荷載大[5，6]，距離軌道線路中心線30 米以外的場地土豎向振動最大加速度Z 振級可超70dB，其中道岔、交叉渡線附近斷面振動增加明顯，《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）和《地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》（DB11/T 838—2019）給出的道岔和交叉渡線振動修正量為0—10dB，由于地鐵線路振動源強、控制難度大，咽喉區(qū)上蓋開發(fā)受到極大限制，目前單一軌道減振措施無法滿足上蓋敏感建筑物的減振降噪需求。

試車線與出入段線列車運行速度較快，振動荷載強度大，場地土垂向加速度振級隨著距離線路中心距離增加而減小，其中63Hz 以上高頻分量振動能量衰減明顯[7]，試車線和出入段線適用扣件、軌枕和道床各類軌道減振措施，新建線路可根據上蓋建筑開發(fā)減振需求采用相應等級的減振措施。

車輛段內各區(qū)域振動源特性除與軌道減振措施類型相關外，還與車輪與鋼軌磨耗等因素相關，軌道不平順與車輪不圓順等引起的隨機激勵離散性較大[8]，導致不同股道的相同列車、同一股道的不同列車、不同運行里程狀態(tài)下的同一列車在相同股道行駛的振動響應具有一定的離散性，因此車輛段地鐵振動源強特性及傳播衰減的規(guī)律性不強。

上蓋建筑室內樓板最大加速度Z 振級隨樓層的變化呈波動性變化[9，10]，甚至存在建筑頂層放大作用，不同建筑以及相同建筑不同房間的振動隨樓層的變化規(guī)律均不相同，從分頻振級看，低頻段振動在不同樓層體現(xiàn)出整體振動特點，振動量級變化較小，峰值頻率以上的高頻振動隨樓層呈衰減趨勢[11]，一些實測數(shù)據表明：某些低頻段的振動隨樓層增高可能出現(xiàn)增大的現(xiàn)象[12，13]。結構樓板自振特性對地鐵振動響應的影響作用明顯，室內振動峰值頻率取決于樓板自振頻率與地鐵振源激勵頻率，而樓板自振頻率受跨度和板厚影響，通常樓板跨度越大、板厚越小，樓板地鐵振動越大。對一棟建筑而言，樓板自振特性比線路與房間的距離對振動響應的影響更為敏感，因此盡量避免樓板與地鐵激勵源強產生共振作用。另外，建設階段與實際入住階段的建筑結構本身存在較大差異，通常結構建設過程中的室內振動測試值偏大，因此結構建設過程中的室內測試結果不能完全反映最終入住階段的振動狀況。

5 振動控制措施

地鐵車輛段上蓋開發(fā)環(huán)境振動控制應兼顧線路安全、運營、功能、工藝的需求，遵循振源減振、傳播路徑隔振、建筑自身防護的設計順序原則，基于源強特性和建筑超標量進行控制措施深化設計，并可采用限速管理、建筑布局與功能優(yōu)化調整等輔助措施。

5.1 振源減振

通過在鋼軌、扣件、軌枕、道床等軌道部位采用減振產品，降低輪軌相互作用振動及其向外傳播，該措施經濟有效，是目前車輛段上蓋開發(fā)最主要的振動控制措施。

（1）鋼軌減振措施（見圖5）。鋼軌接頭和道岔有害空間是引起輪軌振動的主要來源之一，如具備實施條件，應盡量鋪設無縫線路，對確實無法實施無縫線路的特殊區(qū)段（如咽喉區(qū)小半徑曲線段）可采用減振接頭夾板，增加車輪通過鋼軌接頭的平順性，從而降低輪軌沖擊振動。針對道岔有害空間，目前已有適用地鐵線路的小號碼可動心軌道岔技術產品，55km/h車速下實測減振效果可達3.9dB，但尚未大規(guī)模推廣應用。阻尼鋼軌具有降低輪軌噪聲和抑制鋼軌波磨的作用，在車輛段上蓋開發(fā)項目中有所應用。加強輪軌養(yǎng)護維修，改善輪軌接觸關系可有效降低振源強度。例如，對鋼軌定期涂油、打磨，及時消除軌道不平順，定期璇輪消除車輪扁疤。

圖5 鋼軌減振措施

（2）扣件減振（見圖6）。減振扣件施工維修方便、性價比高，適用于地鐵車輛段內所有功能線路，而且可對運營線路進行軌道減振升級改造，目前市場上減振扣件種類較多，能夠滿足中等和高等減振需求，車輛段內常用減振扣件包括雙層非線性扣件、浮軌扣件、ZK 扣件等，但列車低速運行下的隔振效果實測數(shù)據較少。

圖6 減振扣件

（3）軌枕減振措施（見圖7）。對于減振要求較高的咽喉區(qū)、出入段、試車線可以采用軌枕減振措施，常用減振產品包括彈性軌枕和梯形軌枕，車輛段內列車低速運行狀態(tài)下的軌枕減振措施效果仍需實測數(shù)據驗證。

圖7 軌枕減振措施

（4）道床減振措施（見圖8）。車輛段庫外線通常為有砟道床，相比庫內整體道床，道砟具有更好的振動能量衰減耗能作用，因此增加道砟厚度具有一定的減振效果。通過在道床下面鋪設橡膠或聚氨酯彈性墊可進一步降低地鐵振動，某車輛段試驗測試效果可達6.4—14.6dB[14]，道砟彈性墊在振動影響嚴重的咽喉區(qū)應用較為廣泛。對于減振要求特別高的區(qū)段，可進一步采用鋼彈簧浮筑板道床等特殊減振措施。

圖8 道床減振措施

（5）組合減振措施。對于車輛段上蓋開發(fā)環(huán)境振動控制要求比較極端的工程，單一軌道減振措施無法滿足控制需求，可通過特殊軌道減振設計，采用多種軌道減振措施組合的方式，如北京北安河車輛段咽喉區(qū)實施了“彈性墊+有砟道床+減振扣件”組合控制措施；北京馬泉營車輛試車線橫穿建筑采用了“鋼彈簧+U 型槽+有砟道床”的特殊軌道減振設計。采用多種軌道減振組合措施時，需進行剛度匹配性、行車安全性等詳細的計算分析。

5.2 傳播路徑隔振

傳播路徑隔振（見圖9）是指在振源和保護目標之間的振動傳播介質中設置一定尺度的異性材料（或空溝），利用彈性波的反射、散射和衍射作用，隔斷或削弱振動的傳播，通常的隔振方式包括空溝、填充溝、波阻塊、排樁、空心管樁等，該傳播路徑隔振措施的隔振效果與深度密切相關，設計深度除需滿足場地土彈性波設計頻率波長要求外，還應大于振源及建筑基礎埋深，因此該措施較適用于地面線或淺埋地下線。研究表明屏障布設位置對建筑室內隔振效果同樣有較大的影響，應用時需進行屏障位置優(yōu)化分析設計[15]。

圖9 傳播路徑隔振示意圖

在車輛段上蓋開發(fā)項目中，該措施可應用于咽喉區(qū)臨近落地建筑的振動控制，通常可結合建筑肥槽填埋具有一定隔振效果的材料，或是采用易于施工的排樁隔振方式。

目前傳播路徑隔振措施的應用案例非常少，一方面是由于屏障實施和維護難度大，在地鐵線路和保護建筑之間有限的場地范圍內，很難實施滿足設計參數(shù)要求的隔振屏障；另一方面，該措施的實際隔振效果有待商榷，當屏障參數(shù)設計不合理時，其隔振效果非常有限，甚至可能出現(xiàn)建筑室內個別位置振動放大的現(xiàn)象。總之，該措施性價比較低，通常作為最后考慮的控制措施。

5.3 建筑自身防護措施

建筑自身防護措施主要包括基礎彈性墊整體隔振、鋼彈簧/三維支座層間隔振和浮筑地板或房中房局部隔振幾種方式（見圖10）。

圖10 建筑隔振技術

建筑基礎彈性墊隔振措施在地鐵正線周邊建設項目中已有了大量應用，該措施適用于筏板基礎的任何建筑結構，設計施工簡單且具有較好的隔振效果，地鐵車輛段上蓋建筑大部分坐落在平臺上方，不具備實施基礎彈性墊的條件，直接落地的筏板基礎建筑可以采用該措施，如臨近咽喉線路的基礎落地建筑。

在建筑結構層間設置鋼彈簧隔振支座，可使整個建筑浮筑于鋼彈簧之上，設計固有頻率可達3—5Hz。該措施具有顯著的隔振效果，可用于咽喉區(qū)上蓋的敏感建筑物開發(fā)，但由于鋼彈簧為點支撐且豎向剛度低，在高地震烈度區(qū)存在抗水平地震的問題，而且該措施不適用于高層建筑結構，這極大降低了該措施的應用性。為此，近年來出現(xiàn)了多種形式的三維隔振支座產品，但仍處于理論研發(fā)和試驗階段，實際應用很少，其對地鐵豎向振動的控制效果還不明確。當建筑整體隔振措施仍無法滿足振動控制要求時，可以進一步考慮浮筑地板的控制措施，但該技術無法解決二次結構噪聲問題，而且存在影響室內空間等問題，因此實際應用也不多。房中房措施多用于有特殊需求的房間，較難在住宅建筑中進行推廣應用。

5.4 其他措施

當技術控制措施無法滿足上蓋項目開發(fā)減振需求時，可進一步通過降低列車速度、建筑方案布局優(yōu)化、功能調整以及結構構件優(yōu)化設計的方法，盡可能降低地鐵列車運行對上蓋建筑的振動影響。

6 結語

（1）目前，我國各地進入地鐵車輛段上蓋綜合物業(yè)開發(fā)建設熱潮，地鐵車輛段開發(fā)規(guī)模和深度不斷發(fā)展，但地鐵列車運行引起的環(huán)境振動和結構噪聲仍是制約上蓋開發(fā)的關鍵因素之一。復雜的振動影響源特性、敏感的列車運行時段和不利的振動傳播路徑給上蓋建筑帶來不可忽略的環(huán)境振動噪聲影響和控制難度。

（2）目前我國存在多部關于地鐵振動限值的標準規(guī)范，由于各標準的評價量、頻率范圍及其限值大小尚未協(xié)調統(tǒng)一，而且差異較大，缺少配套的振動功能區(qū)劃標準，導致地鐵車輛段上蓋開發(fā)項目所屬功能區(qū)類別劃分不明確。給環(huán)境影響評價、控制設計和驗收等工作帶來不便。因此，有必要進一步完善適用于地鐵車輛段上蓋開發(fā)的振動標準規(guī)范。

（3）地鐵車輛段不同功能線路具有自身振動源強的特性，其中咽喉區(qū)是車輛段振動影響的“重災區(qū)”。受軌道結構形式、列車運行狀態(tài)、減振措施類型、車輪不圓順性、軌道不平順性、建筑結構與基礎形式、樓板自振特性等眾多因素影響，地鐵振源特性、傳播衰減及建筑振動響應測試數(shù)據離散性大、規(guī)律性差。

（4）地鐵車輛段上蓋開發(fā)環(huán)境振動控制仍以軌道減振措施為主，對于振動影響嚴重的區(qū)域或不具備軌道減振措施的工況，可以進一步采用建筑自身防護和傳播路徑隔振綜合控制措施，目前咽喉區(qū)仍存在較大的振動控制難度，由于缺少成熟有效的軌道減振技術，咽喉區(qū)上蓋敏感建筑開發(fā)受到一定程度的限制。