太原地铁2号线环境振动影响预测与评价

白婷婷，康静文，沙艳云，李文娟

(太原理工大学 a.环境科学与工程学院，b.艺术学院，山西 晋中 030600)

目前我国轨道交通处于高速发展期。《2015-2020年中国城市轨道交通行业分析与发展前景预测报告》显示，截止2015年底大陆有26个城市116条线路实现运营，总长度达3 618 km，其中地铁达2 658 km，占73.4%.北京、上海、广州、西安等城市中密集的轨道路网产生的环境振动，对敏感区历史建筑物、文物造成一定破坏，受振动影响的建筑物产生的二次结构噪声影响居民的日常休息及生活[1-2]。故施工前对项目将造成的环境振动影响进行预测和评估至关重要。轨道交通运行引起的振动主要由车辆与轮轨间相互作用产生，并通过地质和建筑物进行传播，不同车型、轮轨、地质条件、建筑物结构等因素导致振动预测模型中各参数取值不一。

地铁2号线是太原市最早动工建设的轨道线路。本文利用国家已颁布的相关振动预测评价规范及标准，选取2号线一期工程中地处太原市中心的“双塔西街—大南门”区段进行环境振动预测及评价，为设计与建设部门在减振工程选材方面提供参考。

1 工程概况

太原市轨道交通2号线贯穿太原市南北方向，一期工程于2013年10月开工，并预计2018年底建成通车。南起小店火车南站，北止于尖草坪西涧河站。线路全长24.86 km，均为地下线，共设车站21座。

本文以“双塔西街—大南门”路段为研究对象。该路段地处汾河东岸，主要涉及住宅区、文教区及医院等，地表建筑物多为中高层，建筑物结构以砖和水泥混凝土结构为主，对振动较为敏感。据现场勘查，该区域段的环境振动敏感目标及其分布如表1所示，主要包括12个环境振动敏感目标，其中4处住宅区、3处文教区、2个医院、1个历史建筑物和2个文物保护单位。

表1 环境振动敏感目标Table 1 Sensitive objectives of ambient vibration

2 振动预测方法

在掌握各环境敏感目标功能及地理特性的基础上，结合2号线工程特点及振源特性，针对评价区域段的振动预测包括：Z振级预测、二次结构噪声预测、文物振动速度预测。其中Z振级预测与室内二次结构噪声预测，采用《环境影响评价技术导则城市轨道交通》(HJ 453-2008)中经校核的预测模型[3]，并以西安地铁为类比对象，尽可能降低地质差异带来的影响；针对历史建筑与文物进行的文物振动速度预测选用《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452-2008)中的预测模型[4]。

2.1 Z振级预测

环境敏感目标Z1～Z9的Z振级预测公式如下：

LV,z=LV,z0+Cv+Cm+CL+CR+CH+CD+CB.

(1)

不同的车辆条件、线路及轨道技术条件、大地介质传播条件、建筑物类型等均影响振动预测结果，故结合实际情况进行相应修正。

1) 列车振动源强LV,z0.

以西安地铁作为类比对象，结合本线路车辆及轨道技术条件：A型车辆，轴重高于B型车，考虑轴重修正+1.2 dB，列车速度60 km/h，轨道为60 kg/m钢轨，无缝线路，车轮元整、钢轨顶面较平顺，普通整体道床。参考《城市轨道交通振动和噪声控制简明手册》中源强取值，选取地铁单圆隧道轨旁0.5 m处隧道内振动值LV,z0=85.4 dB[5].

2) 速度修正Cv.

(2)

式中：v0为参考运行速度，本线路地下区段v0=60 km/h；v为运行速度，km/h.根据设计中列车性能参数：列车平均启动加速度≥0.1 m/s2，平均加速度≥0.6 m/s2，常用制动平均减速度为1.0 m/s2，站台有效长度为120 m，利用可行性研究中的牵引计算即可求得各敏感目标处的预测速度。

3) 轴重修正Cm.

(3)

式中：m0为参考列车轴重，m0=14 t；m为实际列车轴重，m=16 t.故轴重修正为1.2 dB.

4) 轨道结构修正CL.

目前国内轨道交通线路普遍采用60 kg/m钢轨，故轨道结构对振动的影响主要体现在道床结构上。本项目采用普通钢筋混凝土床道，故CL取值为0.

5) 轮轨条件修正值CR.

本线铺设无缝线路，钢轨表面平顺且车轮圆整，CR=0 dB.

6) 距离衰减CD.

双塔西街至大南门区间段所处汾河东岸漫滩，地层主要为第四系上更新统、全新统地层。其中第四系上更新统主要有粉质粘土、细砂、粉土、圆砾、中粗砾砂、卵石等，地层厚度大于30 m.第四系全新统分布在地表，主要有黄土、人工填土、粉状土及细砂，该组地层中一级阶地总厚度15～30 m，漫滩总厚度15～25 m[6].同时参考西安地铁项目环评成果，项目条件均为A型车，6辆编组，车辆自重38 t/辆，地下段深埋10～25 m.根据以上地质概况及车辆条件确定CD公式。

隧道垂直上方预测点(L≤5 m)：

(4)

式中：H0为隧道顶至钢轨顶面的距离，H0=6 m；H为地面测点至轨顶面的垂直距离。

隧道两侧预测点(L≥5 m)：

(5)

式中：R为地面测点至隧道内中心的直线距离；L为测点距隧道中心线水平距离；H为地面测点至轨顶面的垂直距离。

7) 建筑物修正CB.

双塔西街至大南门区段的敏感点建筑物大多为结构较好的高层建筑或多层砖混建筑，相对原地面振动有较大的减振。在国内地铁项目的监测表明高层建筑能够减振6～8 dB以上，多层建筑减振3～5 dB以上，具有简易基础的平房减振0～3 dB.

8) 隧道结构修正CH.

本线路双塔西街至大南门站均为单圆隧道形式，故CH=0.

2.2 二次结构噪声预测

敏感目标Z1-Z4室内二次结构噪声预测在振级预测的基础上采用如下公式：

Lp,i(f)=LV,i(f)-20lg(fi)+37 .

(6)

(7)

式中：LV,i(f)为与频率相对应的建筑物内的振动加速度级，dB；Lp为建筑物内的A计权声压级，dB(A)；Lp,i(f)为未计权的建筑物内的声压级，dB；Cf,i为第i个频带的A计权修正值，dB；f为1/3倍频带中心频率(16～200 Hz)，Hz；n为1/3倍频带数。

2.3 文物及历史建筑物振动预测

敏感目标Z9-Z11文物振动速度公式如下：

(8)

式中：vr为距振源中心处地面振动速度，mm/s；v0为r0处地面振动速度，取值0.418 mm/s；r0为振源半径，m；r为距振源中心的距离，m；ξ0为与振源半径等有关的几何衰减系数；α0为土的能量吸收系数；f0为地面振动频率，Hz.r0，ξ0，α0取值参考《古建筑防工业振动技术规范》。r0与地铁隧道宽度b、牵引机车车身长l、隧道底深度h有关，b取值5 m，l取值22.8 m；ξ0与振源类型、土的性质、振源半径r0有关；α0根据振源类型及土类性质，地铁类型振源，评价区域双塔西街至大南门区段土类属于硬塑土质黏土，故α0取值为0.000 2 s/m.

(9)

式中：vmax为结构最大速度相应，mm/s；vr为基础处水平向地面振动速度，mm/s；n为振型叠加数，取值为3；γj第j阶振型参与系数；βj第j阶振型动力放大系数。γj与βj取值均从《古建筑防工业振动技术规范》可查得。

3 预测结果及评价分析

敏感目标Z1-Z9的Z振级预测结果详见表2，Z1-Z4室内二次结构噪声预测结果详见表3，Z9-Z11文物振动速度预测结果详见表4.评价标准分别采用《城市区域环境振动标准》(GB 10070-1988)[7]、《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限制及其测量方法标准》(JGJ/T 170-2009)[8]、《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452-2008)[4].

3.1 Z振级预测分析

工程建成后，地铁列车运行对双塔西街至大南门站区间的环境敏感目标会产生一定的影响，列车振动在9个敏感目标建筑室外0.5 m处过车期间振级如下：LV,z10近轨介于66.3～77.4 dB、远轨介于63.7～72.5 dB；LV,zmax近轨介于69.3～80.4 dB、远轨介于66.7～75.5 dB；针对近轨LV,z10预测值，3处昼间超标1.4～2.4 dB，5处夜间超标0.2～5.4 dB；针对近轨LV,zmax预测值，7处昼间超标0.2～5.4 dB，7处夜间超标1.9～8.4 dB.

表2 Z振级预测结果Table 2 Prediction results of Z-weighted vibration dB

3.2 二次结构噪声预测分析

Z1-Z4处的二次结构噪声预测值介于38.3～45.5 dB，1处预测值昼间结构噪声超过参考标准0.5 dB，3处预测值夜间结构噪声超过参考标准0.5～3.5，可能受到二次结构噪声影响。

表3 室内二次结构噪声预测表Table 3 Prediction results of secondary air-brone noise in door

3.3 文物及历史建筑物振动预测

经预测，环境敏感目标Z11与Z12两处文物受地铁运营振动影响，振动速度预测值分别为0.455，0.614 mm/s，超标0.005，0.344 mm/s.其中Z12太原清真古寺受振动影响最为显著，预测值达标准值的2倍。

表4 文物振动速度预测结果Table 4 Prediction results of vibration velocity of the cultural relics

4 环境振动控制对策

根据《城市轨道交通轨道减振措施效果研究分析报告》，结合对北京、上海、广州、西安等城市轨道交通实测结果，分析对比减振措施的减振效果及经济性，分析结果如表5所示。

表5 减振措施综合比较Table 5 Comprehensive comparison of vibration reducing measures

依据敏感点的振动预测结果及表5中减振措施综合比较，选取减振措施在保证减振效果、适当留有余量、可行且经济合理性的同时，尽量选取少种类的减振措施。在“双塔西街—大南门”路段内振动敏感点可采取的控制措施见表6.

表6 敏感目标振动防治措施Table 6 Vibration control measures of sensitive objectives

5 结束语

目前针对太原轨道交通环境振动预测方面的研究仍为空白，故选择国家现行标准中规定或推荐的适用性较广、兼用性较强的预测模型。但在振源类比、参数选取方面存在较多不确定性因素，如不同的地质情况、车型、轨道材料、敏感点建筑物类型等。针对特定城市，需通过轨道交通拟建前振动预测、运营中现场实测、预测值与实测值的分析对比、校正预测模型等研究工作来建立特定城市的振动预测模型，更有助于提高轨道交通环境振动影响评价的准确性。本研究中的环境振动影响预测为将来建立适合太原市的轨道交通环境振动影响预测模型做前期预测工作。

振动预测结果显示，在未采取减振措施的情况下，地铁运营期间对沿线环境敏感点造成的环境振动影响较为显著。环境振动现状监测值较低，均低于标准限值，但地铁运营引起的环境振动贡献值使沿线敏感点环境振动值明显增加，并超过标准限值。故在除了选取减振材料外，还需合理规划走向、选择车辆、避免刚性搭接、加强振动监测。

对已运行地铁的振动建立长期监控机制，监测不同车辆、不同轨道材料、不同时间段地铁运行对不同敏感点的振动影响，并建立城市轨道交通环境振动监测数据库，以便于同一城市其他线路建设前的振动预测与评价。各城市建立并完善轨道交通振动监测数据库，有利于振动预测与评价的准确性，推动轨道交通与环境保护协同发展。