城市轨道交通上盖物业振动及噪声影响研究进展

摘要：阐述了城市轨道交通上盖物业振动和噪声影响研究进展，为城市轨道交通上盖物业前期规划建设提供参考性依据。

关键词：城市轨道交通；上盖物业；振动与噪声

中图分类号：O241.82文献标识码：A文章编号：16749944（2014）11019104

1引言

在国内各大城市中，越来越多的城市轨道交通线路投入运营，带动了周边地块大规模的物业综合开发项目建设，形成了新的城市发展空间格局。人们也逐渐认识到，城市轨道交通对沿线周围环境的影响，特别是振动污染较其他交通方式更为显著。城市轨道交通对沿线、站点及车辆段上盖物业建筑和空间内群体振动环境影响已经成为当前人们所关注的焦点。因此，城市轨道交通上盖物业振动和噪声影响的研究既可为已建地铁上盖物业的振动与噪声污染防治提供参考，又可为在建或规划建设的地铁上盖物业前期规划设计提供依据。本文将主要阐述城市轨道交通上盖物业振动和噪声影响研究进展。

2研究路线

国内外大部分研究者都是从振动和噪声源、传播途径及影响受体3方面展开城市轨道交通振动和噪声影响研究工作。

对列车轨道系统理论的研究目的是将建立列车轨道系统模型与实际车辆轨道交通测试数据结合论证，寻找车辆轨道交通系统振动和噪声的主要影响因素，并获得轨道交通振动和噪声源特征。通过优化调整列车、轨道系统的相关模型参数提升车辆轨道交通减振降噪性能，从源头上控制地铁轨道交通诱发的建筑物振动和噪声影响活动。在列车轨道交通荷载系统理论基础上，从轨道基础-传播结构-外环境或建筑物受体系统的振动和噪声响应研究中，分析列车振动荷载和噪声传播规律，确定外建筑物对地铁列车振动和噪声响应机制，从传播路径上控制地铁轨道交通振动和结构噪声影响效果。最终通过对建筑物结构或隔振降噪设计优化，进一步减轻轨道交通对建筑物振动和噪声影响。

3城市轨道交通振动和噪声影响分析

根据国内外大量理论模型研究和实际测试验证，轨道交通振动和噪声产生及传播受轨道交通条件、线路状况、地质条件和建筑物特性等多种影响因素。

地面线路、地下线路和高架桥线路轨道交通列车引起的地面与建筑物振动也存在差异。研究结果表明[1]，在近场地面线路与高架桥线路列车引起的地面振动相差不大，都比地下线路列车引起的地面加速度峰值振级大20dB左右。列车时速增加，荷载量越大，列车对自由场地和建筑物的振动影响增大。增加轨道交通轨道结构的弹性，降低轨道振动，进而可以降低激发的噪声辐射。Heekel等[2]研究表明：振动在传播材料的特性等因素有关。一般的埋设在软土中的隧道振动水平比岩石中的高5～12dB[3]。建筑物室内振动和结构噪声响应主要与建筑物自身特性有关，包括建筑物整体质量刚度、空间结构、高度层数等因素。

城市轨道交通沿线特别是车辆段上盖物业振动影响传播与一般轨道交通振动和噪声传播有所区别。这些振动经由道床、立柱及平台这样的途径传播至平台上的建筑物（由于立柱和平台材料均为钢筋混凝土结构，其刚性连接有利于振动的传播，振动在其中受到的阻尼较小，振动衰减较慢），引起结构和构件的振动。如若没采取隔振措施，其振动影响最大。

4城市轨道交通振动影响研究

4.1轨道交通振动传播规律研究

轨道交通线实测结果表明[4、5]，轨道交通列车运营诱发的振动在0～80Hz范围内较高频率分量较大，传到建筑物振动以低频振动为主。潘昌实和谢正光[1，2]在北京地铁区间隧道内进行现场试验进行研究，结论表明高频振动分量随距离增加衰减快，而低频分量衰减较慢。这是因为对所有的土壤而言，因低频振动阻尼相对较小，在频率小于20Hz时振动衰减较低，导致地铁列车引起的振动峰值频率主要集中在低频区。Hung和Yang（2001）[6]认同上述研究结论，认为列车振动主要是由荷载移动及其自振造成的。从振源的频率分布上看，接近振源的地方，其振动频率以车辆自振频率为主，而较远的地方以地基的自振特性为主。列车引起的地面水平方向振动在传播过程中衰减要快于竖直方向，因此沿线建筑物内振动以竖向方向振动为主，振动峰值频率集中在低频区域[7]。Degrande等[8]针对伦敦地铁附近的两幢建筑试验结果也证实了上述结果。

不同轨道交通列车引起的地面振动和建筑物振动随距离的增加衰减变化趋势相同，但地面线路列车引起的地面振动与建筑物差值随距离衰减比其他两种线路快，在近距离时差值大于其他种线路，在远距离小于其他两种线路[9]。张继平[10]现状监测结果也表明车辆段地铁地面线路对其平台大盖上建筑物的振动影响较大，尤其是列车行驶来车至停或停车至开所引起的振动，沿立柱的传播明显。在整个传递系统中，地面衰减比建筑物立柱上明显地要大。一些现场实测数据也表明，距轨道交通相同距离处地面振动值小于建筑物振动值。

4.2建筑物振动响应规律研究

Nelson指出了建筑物振动是由低频声波和车轮力经过铁路产生的，建筑物响应是由地面传至建筑物基础的振动及振动在建筑物内的传播引起的[12]，以人体反应比较敏感的低频为主，其中50～60Hz的振动强度较大。而房屋自振频率要远低于地铁振动激振频率，建筑物在0～10Hz存在共振[13]。

楼梦麟和李守继[14]认为列车-轨道系统动力模型和土-结构相互作用模型较难真实模拟建筑物振动响应，通过建立上部框架结构的二维刚性地基模型结合实际测试，对上海地铁隧道正上方某拟建建筑物的振动问题研究。指出地铁级房屋振动响应主要为0～80Hz范围内高频振动（60～80Hz），且结构弹性振动响应较小。不同频率荷载下，低频荷载对建筑物振动影响较大，随着作用荷载高频率的增大，建筑物振动反应下降[15]。而李晓霖[16]对北京地铁八王坟车辆段大平台上建筑楼房模拟计算结果表示，在竖向振动方向上，楼房的振动加速度频率主要以0～10Hz的振动为主，车辆段上盖大平台的振动在竖向方向的衰减比水平方向上大。研究表明[17]，认为各幢楼房竖直方向的振动强度比水平方向的大，在竖直方向上，每幢楼各层端点的振动速度、加速度相差不明显，表明楼房各层在竖直方向上的运动状态一致。

不同的研究表明，城市轨道交通振动影响随楼层高度的增加而出现不同程度的变化。魏鹏勃[18]对三种轨道交通列车引起的建筑振动响应随楼层变化的模拟影响分析中得出，建筑物竖向振动随楼层的增加有小幅度增加，但变化不大。洪俊青[19]研究表明，在同一频率地铁振动荷载影响下，四层高度的同一建筑物楼层振动基本相同，上层楼层振动比下层振动仅有小幅度上升。王柏生研究认为[20]，建筑物层数较低时，结构振动振动响应随楼层单调增加；当建筑物层数较高时，结构的振动中，得到楼层的速度和加速度沿楼层高度上并不成线性变化。

而有的研究表明，轨道交通引起的建筑物结构振动随楼层的增加呈现相应的衰减趋势。楼梦麟和李守继对地铁附近建筑物现场测试结果表明[21]，房屋的振动响应沿高度呈衰减趋势，其中4层以下衰减稍快，4层以上衰减不明显。对于高层建筑物而言，对于重型结构建筑物楼层增加，振动减少，每层减少1～4dB，轻体结构振动不随楼层的增加而减少[22]，与王逢朝等[23]研究结论相符。

不同的研究存在着不同的结论，这是因为轨道交通列车引起的沿线地面建筑物振动，其振级的大小不仅与建筑物高度有关，还与建筑物的结构形式、基础类型以及距轨道交通的距离等有密切的联系。随建筑物与振源距离增加，建筑物振动响应在高层的衰减要大于在低层的衰减。尹志刚[24]研究通过实测结合模型分析研究了不同建筑结构下地铁引起的振动响应，多层建筑结构，随着楼层的增加，振级逐渐增大，但增幅不明显。高层建筑结构，1～5层随着楼层的增加，振级逐渐减小，6～10层随着楼层的增加加速度振级略有增加，但不明显。

建筑物框梁的质量、刚度对建筑物的振动响应影响较大，随质量、刚度增大，振动响应明显降低，框架柱质量和刚度的影响较小[25]。对于处于刚性土壤或硬度大土层上的建筑物，建筑物内振动响应较低[26]。混凝土结构建筑比刚性结构的建筑振动响应小[27]。也有研究表明，在低频振动下，特别是水平振动，建筑物内越高的地方振动等级越大。Johns发现整个建筑物在地基处的共振频率为4Hz，地面为20～30Hz，墙和窗户超过40Hz。

5轨道交通噪声影响研究

目前，国内外研究者不仅在轨道交通振动方面做了大量的有价值工作，在城市轨道交通噪声环境影响、传播规律及环境预测等研究方面也获得了不少成果。

5.1轮轨噪声影响研究

在轨道车轮声辐射研究方面，国内外研究者Remington、Thompson等人就提出了比较全面的滚动噪声的产生机理，在此基础上建立了预测滚动噪声的数学模型[28]。通过建立的噪声预测模型，研究者Thompson[29]、翟婉明[30]、雷晓燕、占智华等人[31]研究了不同轮轨噪声影响因素下声辐射影响。R E.Gautier等人[32]提出车轮的横截面形状对噪声福射具有重要的影响。占智华[33]分析改变福板倾斜角度对车轮的振动和声福射的影响显著；福板厚度的对车轮的振动和声福射有较大影响。

轨道轮轨噪声传播同样受到线路、列车及外环境等环境因素影响。声指向特性、距离衰减、空气衰减、地形因子和声屏障衰减等环境影响因子对噪声传播影响重要。

在轨道交通噪声降噪研究方面，通过对列车车轮几何形状、轨道结构等进行优化，或通过改变轨道结构参数，都可以降低轮轨滚动噪声，低噪车轮的研究开发已经成为一大研究热点。在车轮上安装消声阻尼器和在车轮福板表面敷设粘弹性阻尼材料[34]。测试表明[35]，采用弹性钢轨可降低噪声4～8dB（A）。荷兰研制了SA42型矮轨，并采用嵌入式轨道结构技术，与有碴轨道结构比较，可以减少噪声约5～7dB（A）[36]。声屏障的设计已有完善的理论和工程实践，隔声屏形状和吸声材料的新发展使噪声控制技术不断完善，声屏障也被广泛应用到实际工程中。

5.2结构噪声影响研究

地铁轨道上盖物业受振动产生的二次结构噪声是也是地铁上盖物业噪声影响主要内容之一。Anderson[37]通过对受地铁振动影响的两幢建筑的测试，研究了较大振动及室内二次噪声的频率范围，较大振动的频率一般出现在5～50Hz，而室内结构噪声以31.5Hz，63Hz和125Hz为中心的倍频带范围较为显著。Welker J G [38]认为地铁振动二次结构噪声频率范围一般在20～200Hz，峰值一般出现在50～80Hz，声级为35～45dB。国际标准化组织[39]提及到建筑物二次结构噪声峰值频率在16～250Hz。北京地铁复兴门-西单区间列车通过时，周围旧平房建筑内的二次结构噪声在f= 35～ 250 Hz 间的实测声级水平为42～48 dB （A）[40]。

一般而言，建筑物结构噪声与建筑物振动响应相关。可以基于地铁列车振动预测模型对建筑物室内结构噪声分析预测。根据英法两国地铁振动对沿线建筑物室内二次结构噪声影响预测值与测量值的验证结果[41]，建筑物底层室内二次噪声与地板振动存在良好的直线相关关系，但对于其他楼层不存在这样的关系。

康波[42]在建立地铁列车与结构振动噪声分析模型基础上分析了分析地铁上方建筑物振动响应和预测室内二次结构噪声，预测列车运行速度对建筑物室内二次结构噪声影响显著，随着列车速度提高，建筑物室内声压级显著增大。相对于整体道床轨道，采用弹性支承块式轨道时，建筑物声压级降低最大幅度可达20dB（A）。

2014年11月绿色科技第11期6结语

目前城市轨道交通对沿线建筑物振动和噪声影响，受轨道交通条件、线路状况、地质条件和建筑物特性等多种因素制约。从振动和噪声源、传播途径及影响受体三方面展开城市轨道交通振动和噪声影响研究是主要的途径。通过探求轨道交通列车运行建筑物振动和噪声影响规律，可以得到一些研究成果。建筑物内振动以竖向方向低频振动为主。不同的研究，城市轨道交通振动影响随楼层高度的增加而出现不同程度的变化。随着城市轨道交通路线特别是车辆段上盖物业快速发展，其列车运行对上部大平台上的建筑物振动和噪声影响成为关注热点，须进一步研究。

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