爆破振动影响下人体舒适度振动台试验及其评价体系构建

张继奎，蒋楠✉，周传波，朱斌，蔡忠伟，周文斌

1) 中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074 2) 中国水利电力对外有限公司，北京 100120 3) 武汉地铁集团有限公司，武汉 430070

爆破技术是我国基础设施建设中不可或缺的重要手段，常有爆破施工作业邻近人员密集区域的情况发生.随着人类社会经济的快速发展，人们对坏境舒适度的追求越来越高，工程爆破施工产生的爆破振动极易引起人体的烦恼，从而导致工程受到人们的投诉甚至阻扰[1].控制爆破振动对人体舒适度的影响已成为现阶段爆破工程高效进行的关键技术问题.然而，我国现有的爆破安全规程[2]中，仅仅只考虑了爆破振动对建（构）筑物的影响，而忽略了爆破振动对人体的危害效应，因此合理地建立爆破振动影响下人体舒适度评价体系尤为重要.

目前，国内外学者在爆破振动影响下人体舒适度评价体系的研究上有了一定的进展.Fidell等[3]通过对采矿区附近的长期监测和问卷调查，分析评估了人们对爆破的反应程度.Bullen等[4]在Fidell 等得到的数据基础上进一步分析了振动水平与人体烦恼程度的关系.宋志刚[5]针对以往的振动舒适性评价体系的不确定性，通过大量的工程案例分析，建立了烦恼率评价模型.Kuzu等[6]搜集了隧道爆破时人们对爆破振动的反应，并根据反应程度优化了爆破方案，使得工程能够高效顺利地进行.Faramarzi等[7]对铜矿开采产生的爆破振动进行了长期的监测，并结合社会问卷调查，得到了可能引起人体抱怨的地面振动水平阈值，指出当地面的振动速度大于2.5 mm·s−1时可能造成人体的烦恼.Chen等[8]结合与机械振动相关的振动舒适标准，提出了一种新的振动舒适评价方法和指标−能量法.Klæboe等[9]对七个受爆破影响的区域进行了一项社会调查，并通过分析调查结果评估了居民对爆破的反应程度.Yan等[10]利用现场监测数据，结合比例距离对爆破影响区域进行了分区，评估了爆破的影响程度.姚强等[11−13]先后从能量吸收原理、烦恼率模型以及层次分析的角度建立了三种爆破振动舒适度的评价方法，极大地推进了爆破振动舒适度的定量评价过程.Ongen等[14]通过采集石灰场爆破时男性和女性志愿者的反应情况，分析了性别对爆破振动感知的差异性，并给出不同爆破振动水平下人体的烦恼程度.

上述的研究中多是通过长期的现场爆破振动监测结合后期人体主观反应调查的方法进行爆破振动人体舒适性评价.但此类方法的耗时长、成本高，且人体的主观感受具有模糊性和随机性，对于同一爆破振动，反应差异极大，无法准确地衡量爆破振动参数与人体舒适度之间的关系.而已有相关研究表明人体心电的变化与人体舒适度之间存在较强的联系[15−16].基于此，本文通过开展基于振动台的爆破振动模拟试验，深入研究振动参数、人体心电指标的变化以及人体舒适度之间的关系，将人体的主观感受定量化，建立了一种考虑人体生理指标的爆破振动影响下人体舒适度定量评价体系，为近邻人员密集区域的爆破工程提供更精确的指导.

1 基于振动台的人体爆破振动反应试验

1.1 基于振动台的爆破振动模拟

人体受爆破振动环境的影响程度与爆破振动波传到地表的振动参数直接相关，为了更好地研究人体舒适度与地表振动参数的关系，需要精确控制爆破振动波传到地表的振动参数，而爆破振动波受爆源特性、传播介质、传播距离等多因素影响，具有一定的复杂性[17]，实际爆破时很难做到对地表振动参数的精确控制，此外考虑到实际工程中常采用质点峰值振速和其主振频率作为爆破作业的控制指标，因此本次试验采用振动台模拟地表爆破振动环境，并选取振动速度和振动频率作为振动台输入的振动参数变量.现有的爆破振动影响下的人体舒适度评价体系中常采用烦恼程度描述人体的舒适程度，而烦恼程度的确定往往是根据人体主观感受的调查结果结合隶属度模糊统计方法确定，这就导致需要大量的调查数据支撑，才能在一定程度上保证数据的真实性.本试验则是通过人体的心电指标量化其主观感受确定烦恼程度，相对于调查统计结果，更具有真实性.

根据本试验的研究目的，其关键在于人体心电的采集以及振动参数的控制和选取，为方便采集人体心电和精确控制振动参数，本次实验采用乐普心安宝ER2 心电记录仪采集人体心电，采用型号为ZD/AB-ATP 的振动台来模拟地表爆破振动环境.

大量文献调研[3−14]发现，实际爆破工程中，人群密集区域的爆破振动速度与频率测试数据分布归纳如表1 所示.根据表1 数据可知，使人体感到烦恼的振动水平范围较广，试验时选取振动速度的最小值应低于0.08 cm·s−1.此外，人体各部位的固有频率不同，对振动频率敏感程度也不同，研究表明[18]人体对振动频率最敏感的范围在水平方向上为1～2 Hz，竖直方向为6～8 Hz，试验时应充分考虑低频振动.基于上述分析，结合相关研究表明[19−20]，同一爆破工况下，爆破振动速度和振动频率一般具有正相关性，即质点峰值振速越大或越小，其主振频率也越大或越小.同时参考标准GB/T 13441.1—2007 以及标准ISO 2361—1972 中考虑振动人体健康、舒适与感知的频率范围，选定本次实验的工况如表2 所示.

表1 人群密集区域地表爆破振动水平的调查结果Table 1 Survey results of surface blasting vibration level in densely populated areas

表2 试验工况Table 2 Test conditions

1.2 人体样本的确立及试验过程

人体作为振动的靶体和舒适度评价体系的对象，其样本的选取至关重要.人体对振动的感知受人体年龄、身体素质以及受振时的姿势等多因素影响.根据我国第七次人口普查数据[21]，年龄在15～59 岁的人口占比，达到总人口的63.35%，同时为防止振动试验对试验人员的身体造成损伤，试验者的年龄不宜过大.结合心理测量学的相关研究表明[22]当测试人数为8～12 人时，其实验结果的置信度为95%，误差为0.5%.本次试验征集了16 名身体健康、无心血管疾病，年龄在20～30 岁的志愿者作为试验人体样本，采用爆破施工时人体常见姿势—站立作为测试体位.试验人员的身体参数见表3.

表3 试验人员身体参数Table 3 Body parameters of test personnel

试验时将各工况下的振动参数依次输入振动台控制器中，试验人员整理状态后站立在振动台上，利用心电记录仪采集试验测试人员受振前后的心电图，并记录试验人员受振时的主观感受.试验具体过程可大致分为以下5 个步骤：（1）测试人体静息状态下的心电图；（2）启动振动台，输入振动参数，测试工况1 下人体受振时的心电图；（3）关闭振动台，记录人体受振时的主观感受；（4）试验人员休息5 min后，测试下一工况人体的心电图和主观感受；（5）重复上述步骤，直至16 个工况全部测试完毕.试验过程如图1 所示.

图1 试验过程.(a)试验准备;(b)振动测试;(c)测试结果统计与分析Fig.1 Experimental process: (a)equipment preparation;(b)vibration test;(c)statistics and analysis of test results

2 振动台试验人体舒适度评价

2.1 试验过程人体结构主观感受

通过振动台试验，得到16 名测试人员在各试验工况下的主观感受，为方便展示统计结果，做以下说明：N表示测试人员的序号；F 表示脚部；L 表示腿部；W 表示腰部；C 表示胸部；H 表示头部；S 表示全身；BF 表示几乎感觉不到；DC 表示呼吸困难；CD 表示胸闷；BV 表示视线模糊；DY 表示头晕；NT 表示恶心；NS 表示焦虑；PC 表示恐慌；TS 表示耳鸣.试验过程人体的主观感受统计结果如表4 所示.由表4 分析可知，振动方向不同，振动对人体的影响程度也不同.竖直方向上振动频率为80 Hz 是振动对人体影响发生变化的分界频率，振动频率在80 Hz 以下时，随着频率和振速的增大，人体震感部位呈现出上移的趋势，且振动对人体的影响越大；振动频率超过80 Hz时，随着频率和振速的继续增加，震感部位呈现出下移的趋势，且振动对人体的影响开始减小.水平方向上的振动对人体影响有限，震感部位均在人体下半身，无头晕、耳鸣等影响严重的情况发生.基于以上结论，进一步分析可知，竖直方向是影响人体舒适度的主要振动方向，且振动对人体的影响与人体震感部位有关，震感部位从脚部到头部上移时，影响也越来越大，其中头部震感明显时，振动对人体的影响程度最大.

表4 试验人员主观感受Table 4 Subjective feelings of test personnel

为了更详细地研究振动对人体的影响，根据竖向振动试验的人体主观感受，结合隶属度模糊统计方法，利用烦恼程度描述人体的不舒适程度，可将试验记录的主观感受分为5 个等级：没有感觉、感受明显、轻微烦恼、一般烦恼和非常烦恼.进一步将试验结果归纳、统计，可以得到不同工况下人体的舒适程度，如图2 所示.由图2 分析可知，随着频率和振速的增加，竖直方向的振动下人体的烦恼程度整体上呈现出先增强后减弱的趋势，其中工况6(频率为80 Hz、振动速度为2.5 cm·s−1)条件下振动对人体的影响程度最大，有93.75%的试验人员感到非常烦恼，而随着频率的继续增加，即使振动速度也同时增加，但感到非常烦恼的人员比例却从97.35%降到了56.25%，人体的烦恼程度开始减弱.上述试验结果表明人体舒适程度和竖向振动的频率范围有关，结合结构动力学分析其原因可知，当振动频率与人体各部位固有频率的差值达到某一界限时，即便振动强度增加人体受到振动影响也将减小.根据试验结果80 Hz 的振动频率是人体对振动感知敏感的阈值.

图2 不同工况下试验人员的烦恼程度及占比Fig.2 Annoyance degree and proportion of test personnel under different test conditions

2.2 振动对人体心电的影响

心电图（ECG）是一种应用广泛、可靠、无创的心血管疾病诊断方法[23]，心电图中包含诸多波段（图3），其中P 波代表左右心房除极的电位变化，PR 间期代表心房开始除极至心室开始除极的时间，QRS 波群代表心室除极电位的变化，Q 波指QRS 波群第一个向下的波，R 波指ORS 波群向上的波，S 波指R 波之后第一个向下的波，ST 段代表左右心室缓慢复极过程，T 波代表左右心室快速复极过程，U 波是指位于T 波之后的小波，RR 间期是指相邻R 波之间的时限.各个波段均有正常的波动范围，当这些波形出现异常时，往往伴随着人体疾病和不舒适的产生.

图3 心电图组成Fig.3 Composition of ECG

通过对比分析试验前后人体的心电图，发现受竖向振动时各试验人员心电图的波形在S 波终末和T 波起始之间的等电位线（ST 段）变化明显，且绝大部分都呈现出下降的规律（正常状态下人体心电ST 段应保持水平，如图3 所示），受水平振动时试验人员的心电无明显变化.其中静息状态（v=0,f=0）与工况3、6 下编号分别为2、3、8、12 的四名志愿者的心电图如图4 所示.根据相关研究[24−25]，结合心电分析软件对图4 分析可知，试验人员心电图中ST 段变化的类型可分为连续下降和间隔下降两种.当试验人员心电图中ST 段出现这两类异常时，均有不舒适情况的发生，并且出现前者的不舒适程度大于出现后者的不舒适程度.结合已有研究表明人体心电图ST 段下降，会导致人体心肌缺血、增加患心脏病的机率等影响[26]，可知人体心电图ST 段的变化与人体舒适程度之间存在联系，ST 段下降程度越大、持续时间越长，人体的舒适程度越差，这也体现了振动对人体的危害效应.

图4 试验过程人体心电变化Fig.4 Human ECG changes during the test

根据人体主观感受和心电变化可知，尽管心电图中ST 段与人体舒适度之间存在联系，但无法做到将人体的舒适度定量化，因此需进一步寻求可以定量描述人体的舒适度的指标.心率变异性（HRV）是心电图中常用于描述人体舒适程度的心电指标[27]，其值的大小能够反映人体交感神经和副交感神经的活跃程度，从而进一步得到人体的舒适状况.根据相关研究，本实验选取HRV 的时域指标：相邻RR 间期（R-R Interval）差值的均方根（RMSSD）对人体的舒适程度进行研究[28]，其计算公式如下：

其中，N为RR 间期的个数.

RMSSD 的大小与人体舒适度之间存在较强的联系，RMSSD 降低，人体的焦虑、抑郁发病率风险和心血管疾病死亡率增加，人体舒适程度降低；RMSSD 增加，人体的心血管功能和抗压能力增加，人体舒适程度增加.利用心电分析软件对试验采集到的心电图进行分析，统计得到各试验工况下16 名试验人员的RMSSD值，统计结果如图5所示.

由图5 分析可知，竖直方向上振动频率在80 Hz以下时，各试验人员的RMSSD 值整体上呈现出随振速和频率的增大而减小的趋势，这表明人体的不舒适程度即烦恼程度在逐渐增加，工况6 下RMSSD 达到最小，此时人体烦恼程度最高；当频率超过80 Hz时，随着频率的继续增加，RMSSD 呈现上升的趋势，表明人体的烦恼程度开始降低.水平方向上随着振动频率和振动速度的增加，RMSSD整体上满足下降的规律，但下降的幅度较小，表明随着人体的烦恼程度逐渐增强，但其增强幅度不大.

图5 不同振动方向上RMSSD 的变化规律.(a)竖直方向；(b)水平方向Fig.5 Variation of RMSSD in different vibration directions: (a) vertical direction;(b) horizontal direction

3 爆破振动影响下人体舒适度评价体系构建

根据振动前后人体的主观反应和心电变化分析可知，人体静息状态以及各工况下RMSSD 存在较大的差异，但受到爆破振动影响后RMSSD 的下降程度与人体主观感受之间存在较强的联系.各工况下相比静息状态RMSSD 的平均下降比例的统计结果如表5 所示.

表5 试验人员各工况下相比静息状态RMSSD 的平均下降比例Table 5 Average decreased ratio of RMSSD under different testing conditions compared with that under resting state

由表中数据分析可知，振动参数与RMSSD 的下降比例存在定量关系.竖向振动下，人体RMSSD的下降比例随振动频率和振动速度的增大，呈现出先增大后减小的趋势，其中频率为80 Hz 时下降比例最大，频率超过80 Hz时，RMSSD 的下降比例开始减小；水平振动下，人体RMSSD 的下降比例呈现出随振动频率和振动速度的增大而不断增大的趋势，其中频率为120 Hz 时下降比例最大.进一步将表中数据整理得到图6，从图6 可以看出，低频振动时频率和振速的改变微小，RMSSD 下降比例却变化显著，而随着频率的增大，振速相同变化下RMSSD 下降比例的变化却相对平缓，进一步证明了人体对低频振动更为敏感.

图6 不同振动方向上RMSSD 的平均下降比例Fig.6 Average decline ratio of RMSSD in different vibration directions

基于以上分析，结合各工况下RMSSD 的下降比例与人体主观感受，可建立RMSSD 与人体主观感受之间的定量关系，即建立RMSSD 下降比例与人体舒适度之间的定量关系，如表6 所示.

由表6 分析可知RMSSD 下降比例的范围不同，人体的舒适程度也不同，整体上满足RMSSD的下降比例增加，人体的不舒适程度即烦恼程度增加的规律.根据上述结果，结合表5 中振动参数与RMSSD 下降比例之间的定量关系，可将振动参数与人体舒适度之间建立联系，结果如表7 所示.

表6 RMSSD 下降比例与人体舒适度的关系Table 6 Relationship between RMSSD decline ratio and human comfort

表7 地表振动水平与人体舒适度的关系Table 7 Relationship between the surface vibration level and human comfort

根据表6 和表7 数据可知，本次试验条件下，竖向振动下振动频率在60～100 Hz 区间，振动速度在1.00～3.50 cm·s−1区间时，人体感到严重 烦恼；水平振动下人体无严重烦恼情况发生.竖向振动对人体的危害效应要远大于水平方向振动的危害效应，工程爆破施工时，应控制传到地表竖向振动的振动参数使人体烦恼程度处于严重烦恼以下的状态，即控制振动速度和频率分别在1.00 cm·s−1和80 Hz 以下.考虑到本次试验人体样本身心状态选取的特殊性，将一般烦恼作为人体舒适度的控制界限更为严苛，即控制地表竖直方向的振动速度和频率不宜超过0.7 cm·s−1和80 Hz.实际工程中，由于人群年龄组成、身体素质等具有复杂性，需要根据工程背景选择不同的烦恼程度作为控制界限，如：敬老院、幼儿园等要求严格的区域，应做到避免人体的烦恼程度达到一般烦恼甚至轻微烦恼的情况发生，再结合现场试验、数值模拟等研究方法，预先确定地表振动参数，最后参照表7，判断人体是否处于烦恼区域，以及其处于烦恼区域时感到烦恼的等级，进而评估其振动参数的合理性，实现爆破振动影响下人体舒适度的评价.

4 结论

本文通过开展振动台试验，研究了试验过程中人体的心电变化和主观感受与振动参数的关系，并利用心电指标RMSSD 将人体的主观感受定量化，建立了爆破振动影响下人体舒适度定量评价体系，得到了以下结论：

（1）竖直方向是影响人体舒适度的主要振动方向，且振动对人体的影响与人体主要震感部位有关，主要震感部位从脚部到头部上移时，影响也逐渐增大.不同振动工况下，随着振动频率和振动速度的增加，竖直方向振动对人体的影响先增大后减小，人体的烦恼程度整体上也呈现出先增强后减弱的趋势，80 Hz 的振动频率是人体对振动感知敏感的阈值；水平方向振动对人体的影响一直增加，但影响的程度有限.

（2）爆破振动作用下，人体心电图中ST 段出现了连续下降和间隔下降两种变化类型，且ST 段的下降程度越大、持续时间越长，人体的舒适程度越差.不同振动工况下，随振速和频率的增加，人体心电指标RMSSD 在竖直方向振动下呈现出先减小后增大的趋势，在水平方向振动下则一直减小.

（3）心电指标RMSSD 的下降比例与爆破振动参数之间存在定量关系，人体RMSSD 的下降比例随振动频率和振动速度的增大，竖直方向振动下呈现出先增大后减小的趋势，水平方向振动下则一直增大.

（4）心电指标RMSSD 的下降比例与人体主观感受之间存在定量关系，不同下降比例的范围，对应不同的烦恼等级，可根据RMSSD 下降比例的范围确定人体的烦恼程度.

（5）爆破施工时，可将烦恼程度中的一般烦恼作为人体舒适度的控制界限，即控制人群密集区域地表竖直方向的振动速度和频率不宜超过0.7 cm·s−1和80 Hz.