轨道交通地下线振动环境影响及减振措施分析

王梓阳

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

轨道交通工程投入运营后，列车运行产生的振动会对沿线居民的生活造成一定困扰，长期暴露在振动环境中的居民舒适感、正常工作能力及生理健康都会受到振动影响。轨道交通虽然给人们带来了出行的便捷、快速，但伴随产生的扰民振动也成为亟待解决的问题[1-2]。

曹宇静通过系统对比分析国家环境保护标准《环境影响评价技术导则城市轨道交通》(HJ 453—2008)和北京市地方标准《地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2011)中推荐的环境振动预测模型，分析了两种振动预测模型中振动修正项的优缺点[3]。鱼红霞结合北京市轨道交通工程实况及其环境影响技术评估实践分析研究轨道交通振动程度与线路埋深、距离及车速等工程因素的关系[4]。

本工程取得环评批复后，随着设计和施工的深入，部分区间线位发生了不同程度的偏移，振动环境保护目标的埋深和与线路距离也有不同程度的调整。同时根据工程环评批复后更新发布的相关导则、规范对原评价结果进行校核，对未能满足现行环保要求的工程提出了技术可行、经济合理的减振措施。

2 工程概况

本文以地铁27号线为工程背景，线路起自西二旗站，沿13号线西侧走行至清河火车站，出站后由西向东沿小营西路敷设，至学清路后向南沿学院路到达线路终点。线路全长12.67 km，其中高架段0.204 km，路基、U型槽及地下线约12.466 km。本文仅对地下线区间的振动环境影响进行预测与评价。

3 振动环境影响预测与评价

3.1 评价范围

本工程振动敏感目标均位于地下线区间，振动影响预测范围为轨道中心两侧各60 m以内区域。

3.2 预测模型

环评报告书振动影响预测采用《地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2011)中的预测模型，修订稿《地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2019)[5]已于2019年7月1日实施，本次振动影响预测采用修订稿中的预测模型。依据《地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2019)，振动预测模型如下:

(1)预测点处的振动值VLzmax

式中:VLzmax，0为列车振动源强，列车通过时段参考点的Z计权振动级；C为振动修正项，dB。

(2)振动修正项C

式中:C车速为车速修正，dB；C轴重和簧下质量为轴重和簧下质量修正，dB；C曲线为曲线修正，dB；C钢轨条件为钢轨修正，dB；C距离为距离修正，dB；C建筑物为建筑物类型修正，dB。

3.3 预测条件

本工程预测技术条件见表1。

表1 预测技术条件

设计最高运行速度为100 km/h，本次评价中，列车经过敏感目标处的速度根据列车牵引计算图确定(见图1)。

3.4 预测结果分析

受篇幅限制，表2仅对环评阶段与工程实施阶段环境敏感建筑物距线路的距离和高差作对比，预测结果同时还受到建筑物类型、车速、曲线半径等因素影响。

工程沿线预测点中，建筑物室外0.5 m内或线路中心线地面处VLzmax近轨预测值在62.1～83.2 dB之间。以近轨VLzmax值计，昼间有35个环境保护目标超标0.1～12.7 dB，夜间有30个环境保护目标超标，超标量为0.9～11.2 dB。环境保护目标振动超标原因主要是其位于列车速度较快区间，建筑物本体距离线路较近，由列车运行产生的振动影响较大。

对照原环评报告，振动预测值(以近轨VLzmax计)增加的有34个(其中20个预测值的增量为0.1～3.0 dB，14个预测值的增量大于3.0 dB)，究其原因主要为:(1)工程变更后，部分敏感建筑与线路的距离和埋深变小；(2)部分敏感建筑对应路段的车速增加；(3)预测模型及修正量的变化。

需要说明的是，环评阶段采用《地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2011)提供的预测模式中关于建筑物修正量及距离修正量与修订稿(DB11/T 838—2019)有较大变化。

4 二次结构噪声影响预测

4.1 评价范围

根据2019年3月1日实施的《环境影响评价技术导则城市轨道交通》(HJ 453—2018)，室内二次结构噪声评价范围为地下线线路中心线两侧50 m以内区域(圆曲线半径≤500 m时评价范围扩大到线路中心线两侧60 m)，因此，本次工作对位于评价范围内的51处环境保护目标的二次结构噪声进行预测分析。

4.2 预测模型

列车通过时段建筑物室内二次结构噪声空间最大的1/3倍频程的声压级LP，i(16～200 Hz)预测公式:

式中:LP，i为单列车通过时段建筑物室内空间最大的1/3 倍频程声压级(16～200 Hz)，dB；LVmid，i为单列车通过时段建筑物室内楼板中央垂向1/3倍频程振动速度级(16～200 Hz)。

式(3)适用于高度约2.8 m、混响时间约0.8 s的房间。若屋内空间偏离该条件[6]，则LP，i的计算式为:

式中:i为第i个1/3倍频程，i＝1～12。

《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)规定建筑二次结构噪声以连续等效A声级作为评价指标，关注频段为16～200 Hz[7]。单列车通过时段建筑物室内空间最大的等效连续A声级LAeq，Tp(16～200 Hz)按式(5)计算:

式中:LAeq，Tp为单列车通过时段建筑物室内空间最大的等效连续 A 声级(16～200 Hz)，dB(A)；Lp，i为单列车通过时段建筑物室内空间最大的1/3倍频程声压级(16～200 Hz)，dB(A)；Cf，i为第i个频带的 A计权修正值，dB；i为第i个1/3 倍频程，i＝1～12；n为1/3倍频程带数。

4.3 预测结果分析

结果表明，工程地下段正上方至外轨中心线50 m范围内的51处敏感目标室内二次结构噪声为21.2～45.1 dB(A)，其中3处超出《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/T 170—2009)要求，昼间有1处超标，超标量为0.1 dB(A)，夜间超标2.3～3.1 dB(A)，超标建筑物为砌体(砖混)结构。根据房屋建筑结构特性，建(构)筑物的建造方式不同，对振动的承受能力就会不同，传递振动能量的能力也有所不同[8]。

因此，在夜间特别是特殊住宅区范围内，需要适当降低列车车速或采取一定减振降噪措施来降低列车振动影响[9]。

5 环境振动控制对策

5.1 减振措施选取原则

为减轻列车运行振动对沿线敏感建筑物的干扰，结合本次预测评价结果，对轨道采取减振措施原则基本与原环评一致。对VLzmax值超标量小于10 dB的敏感点采用高等减振，超标量大于10 dB的敏感点采用特殊减振措施，减振措施两端的延长量按一列车长考虑。二次结构噪声超标的敏感点与振动超标敏感点统筹考虑减振措施。

5.2 本工程采取的减振措施

地铁经过产生的竖向振动加速度，在竖直方向随着楼层的增加逐渐减小，在水平方向上随着距离轨道的距离增加，加速度缓慢衰减[10]。

本工程原环评阶段对地下线未明确具体措施，只提出了减振等级和控制目标。实施阶段，设计单位经过分析、对比，综合考虑安全性等因素，结合线路自身特点认真筛选，采取了液体阻尼钢弹簧浮置板道床、固体阻尼钢弹簧浮置板道床、梯形轨枕3种不同类型的减振措施。

(1)液体阻尼钢弹簧浮置板道床

道床板通过液体阻尼钢弹簧隔振器进行支撑，属于道床下减振形式，因此对轨道的平顺性以及列车运行平稳性几乎无影响，在车内不会产生异常噪声，其固有频率为5～7 Hz。通过对已使用该减振措施的地铁工程进行测试，减振效果一般可以达到15.5 dB以上。

(2)固体阻尼钢弹簧浮置板道床

固体阻尼浮置板道床实质是将钢弹簧隔振器应用于道床中，通过隔振器中钢弹簧的三维弹性增加道床-钢轨系统的稳定性，达到抑制和吸收固体声的效果。通过对已使用该减振措施的地铁工程进行测试，减振效果一般可达到13.1 dB以上[11]。

(3)梯形轨枕

梯形轨枕是将板式轨道的双向预应力结构改进成由预制的纵梁和钢管横向连接杆构成，其消除了枕中负弯矩，取消了横向预应力，形成了“纵向预应力梁+横向钢连杆”框架结构，简化了结构和制造工艺，具有主体结构耐久性好、高度及减振刚度可调整、施工便捷快速的特点，已在多条地铁工程中应用，减振效果一般可以达到10 dB以上。

6 建议与结论

列车振动源强水平会随着钢轨磨耗发展而提高，因此，远期进行环境振动预测时还应考虑钢轨表面磨耗发展的影响[12]。

本线作为轨道交通骨干线，具有显著的社会效益、经济效益。由于工程沿线学校、医院、居民区等环境保护目标较为集中，运营期列车运行将产生一定程度和范围的振动污染。实施阶段根据预测结果分析，在采取相应的减振措施后，地铁运营产生的振动负面影响可以得到有效控制。