考虑持续时间因素的铁路环境振动影响评价

马　蒙， 刘维宁， 王文斌， 姜博龙

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044； 2. 中国铁道科学研究院 城市轨道交通中心，北京　100081)

考虑持续时间因素的铁路环境振动影响评价

马蒙1， 刘维宁1， 王文斌2， 姜博龙1

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京100044； 2. 中国铁道科学研究院 城市轨道交通中心，北京100081)

摘要：振动持续时间是影响人体健康和烦恼程度的重要因素，而国内现有环境振动评价指标不能区分不同列车振动的持续时间。为解决这一问题，提出了列车通过时暴露振级的概念和计算方法。暴露振级综合考虑了振动幅值、频率和持续时间三种因素，可以有效反映敏感目标接收到列车通过的振动能量。给出了确定暴露振级计算时间段的方法，并通过对三条客货混跑线路的环境振动测试，对比分析了地表暴露振级和最大Z振级的衰减。研究表明：① 由于通过时间长，货运列车的暴露振级明显超过普通客运列车和时速120 km/h的动车组；② 采用暴露振级可以更有效地反映不同类型列车对人体影响的真实情况；③ 采用暴露振级可以更合理地确定环境振动防护距离。

关键词：铁路振动；暴露振级；振动持续时间；振动评价；现场测试

近年来，列车振动问题受到公众和学者的持续关注，住在铁路和地铁沿线的居民都不同程度受到列车振动影响。例如，西班牙针对列车振动举行的示威游行活动[1]，我国北京地铁大兴线对青岛嘉园居民区的振动影响问题受到了国内多家主要媒体的报道。

为了解环境振动对人体影响程度、制定相应容许振动标准，国外广泛开展了铁路振动暴露-响应关系的基础研究，例如：挪威Klboe等[2]，日本Yano等[3]，英国Woodcock等[4-6]，瑞典Gidlöf-Gunnarsson等[7]分别结合各自国家振动评价指标，通过测试、调查开展了受振动影响人群比例与不同振动指标间的关系研究。其中，振动指标包括统计频率计权速度(vw,95)[2]、竖向最大振动加速度(Lvmax)[3]、四次方振动剂量值(VDV)[4, 6]、频率计权加速度有效值(aw)[5-6]、频率计权速度有效值(vw)[7]等(上述指标详细计算方法可参阅文献[8])。

影响人体健康的三个主要振动要素包括：振动强度、振动频率和振动持续时间[9]。上述各描述指标中，振动强度可以被直接描述，振动频率通过计权处理可以被间接描述，而振动持续时间则因测试持续时长而异。欧洲在进行铁路环境振动测试时，测试时间通常涵盖24 h、甚至1周，其描述指标(如VDV、aw)因而间接考虑了一天内振动事件的数量及其持续时间。我国目前对列车环境振动影响的评价指标并不统一，包括：最大Z振级VLzmax(城市轨道交通与铁路振动)[10]、累计百分Z振级VLz10(城市轨道交通)[11]和分频最大振级VLmax(城市轨道交通)[12]。当采用VLz10作为评价量时，通常有“列车通过时间段”和“包括列车通过和不通过总时间段”两种提法，有研究表明[13]后者是不合理的；当采用VLzmax和VLmax作为评价量时，均要求测试多趟列车通过测试量的算术平均值。换言之，国内目前用于列车环境振动的评价指标均未涵盖振动持续时间的因素。

对于铁路交通引起的环境振动，尽管不会对人体造成直接伤害，但超过一定阈值的振动，其持续时间越长就越容易增加人体的烦恼程度。例如在ISO2631-1中给出了人体疲劳时间与振动强度及时间的等感觉曲线，并规定了振动对人体健康的影响曲线[14]。

为了分析振动持续时间在铁路振动评价中的重要性，本文结合我国环境振动既有评价方式，对如何考虑持续时间因素做出探讨。

1铁路振动对人体影响的描述

1.1最大Z振级和分频Z振级

为了分析具有不同通过时间列车的振动响应，选取一段客货混跑有砟线路进行地表竖向振动测试，分析测点选取在道砟坡脚处。

图1为3趟典型测试数据的Z振级随时间变化函数,图2为与之对应的考虑各趟列车通过时段内的计权加速度级。进而可得到3趟典型车辆的最大Z振级VLzmax和分频最大振级VLmax，计算结果见表1。可见，对于3个通过时间差异较大的事件，各事件间VLzmax、VLmax的相差不大(均小于2 dB)，基本处于同一振动水平。而在相同振动强度干扰下，图1中货车通过对人体的持续干扰要明显大于客车的作用，更远远超出单一机车通过的影响。由此可见，当各趟列车通过时间差异较大时，采用VLzmax和VLmax不能反映出列车对人体影响的真实情况。

图1　不同类型列车的Z振级函数Fig.1 Z-vibration level for different types of trains

图2　不同类型列车的计权加速度级Fig.2 Weighted acceleration level for different types of trains

当评价城市轨道交通振动时，同一断面各趟列车通过时间基本固定；不同线路间，考虑6节编组车辆和8节编组车辆以40～100 km/h在区间运行，其列车通过时间约为5.3～14.1 s，相差在10 s之内。而当评价一般铁路列车振动时，考虑车型、编组等不同，列车通过时间差异可达几十秒甚至几分钟；即使同一线路断面也可能因客货混跑造成通过时间的极大差异。尤其是当各趟列车振动强度接近时，持续时间就成为影响人体烦恼度的主要因素。基于此，有必要给出考虑持续时间影响的铁路环境振动评价指标。

表1　不同类型列车的测试Z振级及分频最大振级

1.2暴露振级

类似噪声分析中的暴露声级，本文针对单趟列车通过的影响，提出暴露振级(VEL, Vibration Exposure Level)的概念，VEL定义如下：

(1)

图3　计权加速度平方围成面积示意图Fig.3 Areas formed by the function of (t)

暴露振级所代表的能量数值，可看作由两部分所组成：① 由低于人体烦恼程度阈值的振动引起(记作VEL0)，② 由超过人体烦恼程度阈值的振动引起(定义为有效暴露振级，effectiveVibrationExposureLevel，记作eVEL)。即：

VEL=eVEL+VEL0

(2)

为使VEL0与VEL具有相同的数学表达形式，定义

(3)

(4)

式中awΣΔT1/2可以看作是人体受振动影响出现烦恼的阈值，它由计权加速度与时间共同作用决定。可以发现，这一阈值与ISO2631-1中定义的运动病剂量值(MSDVz)具有相同的量纲。MSDVz与人体运动病的发病率直接相关，而awΣΔT1/2与人体对振动的烦恼程度直接相关。由此可见，采用暴露振级(或有效暴露振级)，更为直接地反映了振动环境下人体的舒适度，可以辅助评价持时较长的列车振动对人体烦恼度的影响。

VEL0的确定需要结合计权振动加速度、振动持续时间两个物理量来进行人体暴露-响应关系试验研究，获得形式如图4[15]所示的“烦恼度阈值-被测人体百分比”曲线，并结合不同振源形式、环境振动整体水平、振动控制成本等因素，确定awΣ(t)ΔT1/2的基准量。

图4　烦恼度阈值曲线Fig.4 Annoyance threshold value curves

2列车环境振动暴露振级的测试分析

2.1测试概况

考虑不同车型分析地表暴露振级衰减，选取三处客货混跑线路进行地表振动测试。其中，轨道#3为普通客运列车、货运列车和和谐号动车组三类车型(以下分别简称“客车”、“货车”和“动车组”)混跑。三处测试断面的线路曲线半径、车速见表2。将轨道道砟坡脚处测点定为0 m，仅测试竖向振动，并结合场地实际情况，地表振动三条测线的传感器布置范围分别为：5～34 m、0～29 m和12.5～100.7 m。

三条线路均为列车单向行驶，在进行数据平均分析时，每条线路测得的客车、货车和动车样本均不低于5个。

表2　地表振动测试车辆、轨道信息

2.2列车通过时间取值

为了计算VEL，需要确定列车通过时间(t2-t1)。以一趟客车通过为例，如图5(a)所示，当在Z振级曲线上确定通过时间时，一种方式是确定列车通过引起Z振级平稳的时间段ΔT1，另一种方式是确定超过某一固定Z振级量值所对应的时间段ΔT2。前一种方式未考虑列车开来和离开一段时间(ΔT2-ΔT1)范围内的振动能量，而后一种方式因固定Z振级取值的随意性，导致ΔT2不固定。

(5)

由式(1)可知，图5(b)中ΔT2取值如果在曲线拐点附近略有偏差，对面积A的取值影响可忽略不计，即：只要覆盖了列车通过的主要时间区段，多考虑一定范围的计算时长对最终暴露振级数值影响很小。

(a)　Z振级和

确定列车通过时间图5　列车通过时间确定方式Fig.5 Determine the train pass-by time

图6为典型客车、货车通过时，距离道砟坡脚不同水平距离的地表测点暴露振级随计算时间变化曲线。可见，上述获取ΔT2的方法是合理的。

图6　典型客车、典型货车暴露振级随计算时间变化趋势Fig.6 Typical VEL of a passage and freight train changes with time

2.3暴露振级与最大Z振级衰减对比

图7和图8分别为表2所示三处测试断面的地表暴露振级、最大Z振级随距离衰减曲线。图中，标出了多趟列车振动样本的平均值以及样本最大、最小值。

图7　暴露振级随距离衰减曲线Fig.7 VEL changes with the distance

图8　最大Z振级随距离衰减曲线Fig.8 VLz,max changes with the distances

可以看出，同一线路运行的不同类型列车引起地表最大Z振级量值和衰减非常相似：轨道#1、#2货车和客车的最大Z振级平均衰减曲线几乎一致，轨道#3在30 m以外货车的最大Z振级甚至小于客车和动车组。这是由于列车通过的最大Z振级通常与最大轴重、车速、不平顺等因素有关。当机车轴重接近时，很难利用最大Z振级区分同一线路运行的是货车还是客车。而文献[16-17]通过测试和调查研究表明，货车通过引起人体的烦恼度明显大于客车，显然最大Z振级指标并不能反映这一客观事实。

而同一线路的地表暴露振级则与列车类型相关。三条轨道上，货车暴露振级明显大于客车，平均超出3 dB以上。并且，货车暴露振级样本的离散程度要高于客车，这是因为多列客车编组数量相差不大，而多列货车间编组数量差异明显。此外，在轨道#3上，普通客车和16节编组动车组分别以90 km/h、120 km/h时速通过测试断面。尽管动车组通过时间短，但振动响应大，因此导致二者地表平均暴露振级非常相似。这反映出二者释放的平均振动能量是相当的。

假设将人体烦恼度阈值(VEL0)看作是一个较长时间的列车通过事件和引起较低振动水平的共同作用结果，则可以估算VEL0的大致取值量级。以本文所测多趟货车平均通过时间56.3 s作为“较长时间的列车通过事件”，并将文献[10]规定的特殊住宅区65 dB限值假设为“较低水平振动”，利用式(3)则可估算得到以图7(c)为例，当暴露振级<82.5 dB，振动低于人体烦恼度阈值。当根据烦恼度阈值(或相应振动标准)确定列车振动防护距离时，以暴露振级作为评价指标，对货车的防护距离应大于客车；而如果以Z振级作为评价指标，如图8(c)所示，便会得出完全相反的结论。前文已分析过，由于未考虑时间因素，单纯Z振级并不能真实反映列车通过的振动能量，因此采用Z振级指标作为防护距离计算的依据，可能会出现与实际情况相反的结果。为此，本文建议：当Z振级超过人体感知阈值时，同时采用Z振级和暴露振级评价振动对人体影响，考虑二者最不利影响来确定列车振动的防护距离。

3结论

(1) 提出了列车通过暴露振级的概念和计算方法，用该指标可以全面反映列车振动幅值、频率和持续时间等三方面因素。

(3) 对多条客货混跑线路的现场测试结果表明，暴露振级可以有效区分货车、客车的振动能量，更有效地反映不同类型列车对人体影响的真实情况。

(4) 建议开展考虑持续时间因素的暴露-响应关系试验研究，确定适合我国人群的烦恼度阈值曲线。当Z振级超过人体感知阈值时，建议同时采用Z振级和暴露振级评价振动对人体影响。

参 考 文 献

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Evaluation of train-induced environmental vibrations considering the factor of exposure time

MA Meng1, LIU Wei-ning1, WANG Wen-bin2, JIANG Bo-long1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. Urban Rail Transit Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:Vibration duration is an important factor influencing the human health and annoyance. Existing vibration descriptors can not distinguish the vibration duration of different trains. In order to solve this problem, the concept of vibration exposure level (VEL) and its calculation method were presented. The VEL can describe effectively the received vibration energy from the passage of trains at sensitive locations, as all three factors of vibration magnitude, frequency and exposure time were considered. Then, a method for determining the train pass-by time was suggested. The in-situ measurements were performed on three railway lines where both passage and freight trains run on the same tracks. The attenuations of the VEL and maximum Z-vibration level were compared and analysed. The results show that: with long pass-by time, the VEL of freight trains is obviously larger than that of regular passage trains and bullet trains with the train speed of 120 km/h; the VEL can describe more effectively the vibration impact by different types of trains on human body; the VEL can help to determine the defective vibration distance more reasonably.

Key words:railway vibration; vibration exposure level; vibration exposure time; vibration evaluation; in situ measurement

基金项目：科技部对欧盟科技合作专项经费(266248)资助项目

收稿日期：2014-12-16修改稿收到日期：2015-04-27

中图分类号:TB533+.2；X827

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.10.033

第一作者 马蒙 男，博士，讲师，1983年生