地铁车辆段上盖建筑环境振动影响及控制研究概述

宋瑞祥，张斌，2，邬玉斌*

（1.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，北京 100054；2.中国环境保护产业协会噪声与振动控制专业委员会，北京 100045）

党的十九大报告提出建设交通强国，极大地推动了我国城市轨道交通高质量发展。中国城市轨道交通协会发布的数据显示，截至2022年年底，中国大陆地区55 个城市开通的运营城市轨道交通线路总长度超过1 万公里，在建和规划线路长度超过1.3 万公里。城市轨道交通建设和运营需要巨大的财政资金投入，2022年建设投资为5443 亿元，在建项目可研批复投资累计达4.6 万亿元，而全国城市轨道交通平均运营收支比仅为53.38%，处于亏损状态[1]。为拓宽筹资渠道，“反哺”轨道交通建设与运营，各地纷纷大力推动地铁车辆段上盖综合物业开发模式。

地铁车辆段上盖综合物业开发（见图1）是指在列车运用库、检修库、咽喉区等车辆段/停车场局部或整体区域上方加盖平台，进而在平台上方建设住宅、商业、办公、学校等，实现车辆段区域土地集约利用，提升土地开发价值，并能改善车辆段区域景观环境。目前全国投运车辆段/停车场489 座，通常一个车辆段/停车场占地面积为20—30 公顷，将巨大的车辆段市政交通服务功能用地进行综合商业开发，具有显著的经济、环境和社会效益。

图1 地铁车辆段及上盖开发

1 车辆段上盖开发现状及模式

建于1999年的北京四惠地铁车辆段是我国内地首个上盖项目，2010年前后，北京先后开发郭公庄、平西府、五路居等地铁车辆段/停车场上盖项目。与此同时，深圳、上海等一线城市也进行了上盖开发探索。至2015年左右，随着多个车辆段上盖项目成功运用，全国各地掀起了地铁车辆段上盖开发热潮，目前北京建成、在建和规划的地铁车辆段上盖项目已有10 余个。

经过最近十几年的快速发展，车辆段上盖开发项目不断升级换代，开发规模和深度发展迅速，主要体现在：

（1）开发区域不断扩展，由早期的运用库局部上盖开发，逐渐向运用库、检修库、咽喉区、试车线、出入线全区域上盖发展。不同时期车辆段开发对比见图2。

图2 不同时期车辆段开发对比

（2）车辆段开发规模不断增大，随着车辆段开发区域扩大和上盖建筑不断向高层甚至超高层发展，地铁车辆段上盖开发建筑面积由早期20—30 万m2增至百万m2以上，建筑开发面积增加数倍。

（3）车辆段开发形式多样化，不断出现地面、地下、高架、双层等不同车辆段结构形式的上盖项目。同时，上盖建筑基础形式也更加多样，为上盖建筑方案布局和结构形式灵活设计提供条件，常见基础形式包括梁柱全转换、半转换、基础全落地等。另外，车辆段上盖同周边市政交通更为融合，出现市政交通下穿、上跨车辆段等衔接模式。车辆段上盖开发模式见图3。

图3 车辆段上盖开发模式

2 振动影响源

由于地铁车辆段特殊的上盖建筑结构形式和不同功能线路列车运行特点，地铁车辆段上盖建筑受列车运行引起的环境振动影响有别于地铁正线临近建筑，主要表现在：

（1）车辆段上盖建筑直接位于地铁线路正上方，振源与建筑“零距离”接触，列车运行时产生的轮轨相互作用振动经由道床、立柱、盖板等混凝土刚性介质传播至上方建筑结构，振动传播路径短，由于缺少岩土介质阻尼衰减，增加了地铁对上盖建筑的影响强度和范围。

（2）车辆段内列车早晨出车、晚上回库，高峰运行时间为早上5:00—7:30 和晚上22:00—24:00，正处于人们休息的最敏感时间段，而且高峰小时运行频次最大可超15。

（3）地铁车辆段由运用库、检修库、咽喉区、出入段线、试车线等不同功能区域组成（见图4），不同区域列车运行状态、轨道结构差异明显，因此振源特性各不相同。表1 给出了各区域振动影响源特点。

表1 车辆段振动影响源

图4 典型地铁车辆段区域划分

3 振动标准

振动标准限值是地铁车辆段上盖开发环境影响评价和控制设计的基本依据，表2 为现行主要振动标准。由表2 可知，目前我国现行振动标准较多，但振动限值尚未协调统一。

表2 适用地铁振动的标准限值比较

《城市区域环境振动标准》（GB 10070—1988）为国家强制性标准，该标准以1—80Hz 最大加速度z 振级作为建筑室外环境振动限值，同时也作为建筑室内振动限值，该标准应用最为广泛；《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）采用4—200Hz 分频最大Z 振级作为评价量，该标准没明确分频最大Z 振级的计算时长，采用列车运行全时段加速度和振级最大1 秒时段加速度求解的分频最大Z 振级相差较大（可差5dB以上），当采用列车运行全时程加速度分析时，该标准限值严格程度与GB 10070—1988 相差不大，当采用最大1 秒的分频最大Z 振级时，该标准限值非常严格。

《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018）针对住宅建筑规定了分频加速度限值和Z 振级限值，并分为二级，一级为适宜限值，二级为不得超过限值，其中一级限值与GB 10070—1988 中的“居民文教区”限值基本相同，二级限值与GB 10070—1988 中的“混合商业区”限值基本相同，（这两部标准考虑了计权曲线差异，限值量差3dB）；《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）针对交通振动，规定采用竖向四次方振动剂量值（VDVZ）作为评价量，该评价量对振动峰值更为敏感，而且考虑了暴露时间对人体舒适性的影响，但该标准限值较为宽松；《建筑环境通用规范》（GB 55016—2021）是最新发布实施的全文强制性国家标准，该标准限值较为宽松，由于颁布时间晚，尚未广泛应用。

目前我国地铁车辆段上盖开发振动影响评价和控制主要执行GB 10070—1988 和JGJ/T 170—2009，这两部标准均根据功能区分类别给出不同等级的振动限值，但目前我国还没有振动功能区划分标准，应用时通常参考声功能区划执行。由于车辆段上盖开发用地功能属性的特殊性，各地在划分车辆段用地声功能区划时也存在较大争议。

我国不同城市对地铁车辆段上盖项目的声功能区划细则主要分为以下几种情况：（1）明确地铁车辆段上盖住宅建筑按1 类区执行，如北京通州区、大兴区等；（2）明确地铁车辆段属于4a 类区，如郑州、广州等；（3）没有对地铁车辆段声功能区进行规定说明，该情况下通常按车辆段所在地的声功能区执行，如西安、武汉等。统计数据表明，我国大部分车辆段上盖开发项目按2 类和4a 类执行，部分项目考虑建筑功能属性按1 类执行。

综上，目前我国地铁环境振动限值相关标准较多，各标准振动评价量、频率范围及限值都存在较大差异，由于缺少振动功能区划分标准，不同城市车辆段功能区划较为混乱，给地铁车辆段上盖开发环境振动影响评价、控制设计和环保验收等工作带来不便。

4 环境振动影响

国内外学者对车辆段内地铁振动源强特性、传播规律及上盖建筑振动响应开展了大量测试，积累了较为丰富的实测数据。

车辆段库区（检修库、运用库）采用无砟道床，列车在库内运行速度底，振动荷载小，库区立柱底部位置加速度最大Z 振级一般不大于65dB，但持续时间长，可达60 秒以上。地铁振动随车速增大而增大[2]，列车在运用库门口位置车速可增至10km/h 以上，受车速影响，靠近车库门口位置的振源及上盖建筑室内振动相对较大，由于库内地铁振动激励荷载小，库区线路采用适当的轨道减振措施即可满足上盖建筑环境振动控制的需求。

检修库除地铁列车振动影响外，还存在检修作业等振动源，其中天车振动值得关注，天车行驶时产生的轮轨振动经由立柱上端牛腿传至上盖平台，振动传播路径短，振动能量衰减小，立柱位置处天车竖向、振动频率集中在12.5—50Hz，振动响应时间可达30s，天车上方楼板实测最大Z 振级可超过70dB，但盖板伸缩缝对振动能量有极大衰减，振动随天车运行速度增大而增大，但天车吊装重量对振动影响不显著[3，4]。

车辆段咽喉区采用有砟道床，由于存在大量钢轨接头、道岔和小半径曲线，列车运行产生明显的轮轨冲击作用，振动荷载大[5，6]，距离轨道线路中心线30 米以外的场地土竖向振动最大加速度Z 振级可超70dB，其中道岔、交叉渡线附近断面振动增加明显，《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》（HJ 453—2018）和《地铁噪声与振动控制规范》（DB11/T 838—2019）给出的道岔和交叉渡线振动修正量为0—10dB，由于地铁线路振动源强、控制难度大，咽喉区上盖开发受到极大限制，目前单一轨道减振措施无法满足上盖敏感建筑物的减振降噪需求。

试车线与出入段线列车运行速度较快，振动荷载强度大，场地土垂向加速度振级随着距离线路中心距离增加而减小，其中63Hz 以上高频分量振动能量衰减明显[7]，试车线和出入段线适用扣件、轨枕和道床各类轨道减振措施，新建线路可根据上盖建筑开发减振需求采用相应等级的减振措施。

车辆段内各区域振动源特性除与轨道减振措施类型相关外，还与车轮与钢轨磨耗等因素相关，轨道不平顺与车轮不圆顺等引起的随机激励离散性较大[8]，导致不同股道的相同列车、同一股道的不同列车、不同运行里程状态下的同一列车在相同股道行驶的振动响应具有一定的离散性，因此车辆段地铁振动源强特性及传播衰减的规律性不强。

上盖建筑室内楼板最大加速度Z 振级随楼层的变化呈波动性变化[9，10]，甚至存在建筑顶层放大作用，不同建筑以及相同建筑不同房间的振动随楼层的变化规律均不相同，从分频振级看，低频段振动在不同楼层体现出整体振动特点，振动量级变化较小，峰值频率以上的高频振动随楼层呈衰减趋势[11]，一些实测数据表明：某些低频段的振动随楼层增高可能出现增大的现象[12，13]。结构楼板自振特性对地铁振动响应的影响作用明显，室内振动峰值频率取决于楼板自振频率与地铁振源激励频率，而楼板自振频率受跨度和板厚影响，通常楼板跨度越大、板厚越小，楼板地铁振动越大。对一栋建筑而言，楼板自振特性比线路与房间的距离对振动响应的影响更为敏感，因此尽量避免楼板与地铁激励源强产生共振作用。另外，建设阶段与实际入住阶段的建筑结构本身存在较大差异，通常结构建设过程中的室内振动测试值偏大，因此结构建设过程中的室内测试结果不能完全反映最终入住阶段的振动状况。

5 振动控制措施

地铁车辆段上盖开发环境振动控制应兼顾线路安全、运营、功能、工艺的需求，遵循振源减振、传播路径隔振、建筑自身防护的设计顺序原则，基于源强特性和建筑超标量进行控制措施深化设计，并可采用限速管理、建筑布局与功能优化调整等辅助措施。

5.1 振源减振

通过在钢轨、扣件、轨枕、道床等轨道部位采用减振产品，降低轮轨相互作用振动及其向外传播，该措施经济有效，是目前车辆段上盖开发最主要的振动控制措施。

（1）钢轨减振措施（见图5）。钢轨接头和道岔有害空间是引起轮轨振动的主要来源之一，如具备实施条件，应尽量铺设无缝线路，对确实无法实施无缝线路的特殊区段（如咽喉区小半径曲线段）可采用减振接头夹板，增加车轮通过钢轨接头的平顺性，从而降低轮轨冲击振动。针对道岔有害空间，目前已有适用地铁线路的小号码可动心轨道岔技术产品，55km/h车速下实测减振效果可达3.9dB，但尚未大规模推广应用。阻尼钢轨具有降低轮轨噪声和抑制钢轨波磨的作用，在车辆段上盖开发项目中有所应用。加强轮轨养护维修，改善轮轨接触关系可有效降低振源强度。例如，对钢轨定期涂油、打磨，及时消除轨道不平顺，定期璇轮消除车轮扁疤。

图5 钢轨减振措施

（2）扣件减振（见图6）。减振扣件施工维修方便、性价比高，适用于地铁车辆段内所有功能线路，而且可对运营线路进行轨道减振升级改造，目前市场上减振扣件种类较多，能够满足中等和高等减振需求，车辆段内常用减振扣件包括双层非线性扣件、浮轨扣件、ZK 扣件等，但列车低速运行下的隔振效果实测数据较少。

图6 减振扣件

（3）轨枕减振措施（见图7）。对于减振要求较高的咽喉区、出入段、试车线可以采用轨枕减振措施，常用减振产品包括弹性轨枕和梯形轨枕，车辆段内列车低速运行状态下的轨枕减振措施效果仍需实测数据验证。

图7 轨枕减振措施

（4）道床减振措施（见图8）。车辆段库外线通常为有砟道床，相比库内整体道床，道砟具有更好的振动能量衰减耗能作用，因此增加道砟厚度具有一定的减振效果。通过在道床下面铺设橡胶或聚氨酯弹性垫可进一步降低地铁振动，某车辆段试验测试效果可达6.4—14.6dB[14]，道砟弹性垫在振动影响严重的咽喉区应用较为广泛。对于减振要求特别高的区段，可进一步采用钢弹簧浮筑板道床等特殊减振措施。

图8 道床减振措施

（5）组合减振措施。对于车辆段上盖开发环境振动控制要求比较极端的工程，单一轨道减振措施无法满足控制需求，可通过特殊轨道减振设计，采用多种轨道减振措施组合的方式，如北京北安河车辆段咽喉区实施了“弹性垫+有砟道床+减振扣件”组合控制措施；北京马泉营车辆试车线横穿建筑采用了“钢弹簧+U 型槽+有砟道床”的特殊轨道减振设计。采用多种轨道减振组合措施时，需进行刚度匹配性、行车安全性等详细的计算分析。

5.2 传播路径隔振

传播路径隔振（见图9）是指在振源和保护目标之间的振动传播介质中设置一定尺度的异性材料（或空沟），利用弹性波的反射、散射和衍射作用，隔断或削弱振动的传播，通常的隔振方式包括空沟、填充沟、波阻块、排桩、空心管桩等，该传播路径隔振措施的隔振效果与深度密切相关，设计深度除需满足场地土弹性波设计频率波长要求外，还应大于振源及建筑基础埋深，因此该措施较适用于地面线或浅埋地下线。研究表明屏障布设位置对建筑室内隔振效果同样有较大的影响，应用时需进行屏障位置优化分析设计[15]。

图9 传播路径隔振示意图

在车辆段上盖开发项目中，该措施可应用于咽喉区临近落地建筑的振动控制，通常可结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桩隔振方式。

目前传播路径隔振措施的应用案例非常少，一方面是由于屏障实施和维护难度大，在地铁线路和保护建筑之间有限的场地范围内，很难实施满足设计参数要求的隔振屏障；另一方面，该措施的实际隔振效果有待商榷，当屏障参数设计不合理时，其隔振效果非常有限，甚至可能出现建筑室内个别位置振动放大的现象。总之，该措施性价比较低，通常作为最后考虑的控制措施。

5.3 建筑自身防护措施

建筑自身防护措施主要包括基础弹性垫整体隔振、钢弹簧/三维支座层间隔振和浮筑地板或房中房局部隔振几种方式（见图10）。

图10 建筑隔振技术

建筑基础弹性垫隔振措施在地铁正线周边建设项目中已有了大量应用，该措施适用于筏板基础的任何建筑结构，设计施工简单且具有较好的隔振效果，地铁车辆段上盖建筑大部分坐落在平台上方，不具备实施基础弹性垫的条件，直接落地的筏板基础建筑可以采用该措施，如临近咽喉线路的基础落地建筑。

在建筑结构层间设置钢弹簧隔振支座，可使整个建筑浮筑于钢弹簧之上，设计固有频率可达3—5Hz。该措施具有显著的隔振效果，可用于咽喉区上盖的敏感建筑物开发，但由于钢弹簧为点支撑且竖向刚度低，在高地震烈度区存在抗水平地震的问题，而且该措施不适用于高层建筑结构，这极大降低了该措施的应用性。为此，近年来出现了多种形式的三维隔振支座产品，但仍处于理论研发和试验阶段，实际应用很少，其对地铁竖向振动的控制效果还不明确。当建筑整体隔振措施仍无法满足振动控制要求时，可以进一步考虑浮筑地板的控制措施，但该技术无法解决二次结构噪声问题，而且存在影响室内空间等问题，因此实际应用也不多。房中房措施多用于有特殊需求的房间，较难在住宅建筑中进行推广应用。

5.4 其他措施

当技术控制措施无法满足上盖项目开发减振需求时，可进一步通过降低列车速度、建筑方案布局优化、功能调整以及结构构件优化设计的方法，尽可能降低地铁列车运行对上盖建筑的振动影响。

6 结语

（1）目前，我国各地进入地铁车辆段上盖综合物业开发建设热潮，地铁车辆段开发规模和深度不断发展，但地铁列车运行引起的环境振动和结构噪声仍是制约上盖开发的关键因素之一。复杂的振动影响源特性、敏感的列车运行时段和不利的振动传播路径给上盖建筑带来不可忽略的环境振动噪声影响和控制难度。

（2）目前我国存在多部关于地铁振动限值的标准规范，由于各标准的评价量、频率范围及其限值大小尚未协调统一，而且差异较大，缺少配套的振动功能区划标准，导致地铁车辆段上盖开发项目所属功能区类别划分不明确。给环境影响评价、控制设计和验收等工作带来不便。因此，有必要进一步完善适用于地铁车辆段上盖开发的振动标准规范。

（3）地铁车辆段不同功能线路具有自身振动源强的特性，其中咽喉区是车辆段振动影响的“重灾区”。受轨道结构形式、列车运行状态、减振措施类型、车轮不圆顺性、轨道不平顺性、建筑结构与基础形式、楼板自振特性等众多因素影响，地铁振源特性、传播衰减及建筑振动响应测试数据离散性大、规律性差。

（4）地铁车辆段上盖开发环境振动控制仍以轨道减振措施为主，对于振动影响严重的区域或不具备轨道减振措施的工况，可以进一步采用建筑自身防护和传播路径隔振综合控制措施，目前咽喉区仍存在较大的振动控制难度，由于缺少成熟有效的轨道减振技术，咽喉区上盖敏感建筑开发受到一定程度的限制。