分析城市轨道交通（地下段）对房屋结构振动与结构噪声的影响及减震方法
朱东利+江畅兴
摘要：轨道交通作为一种绿色、高效、节能、环保的交通工具，在全国各大城市进行推广，但由此带来的结构振动与结构噪声的控制问题日益受到关注。本文通过对实际案例的监测分析，对建筑物进行改造，提出了一种行之有效的防振方法。
关键词：轨道交通；结构振动；结构噪声
中图分类号：TB533+.4 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0254-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.141
Abstract：As a green， efficient traffic tool， subway has been widely constructed in domestic. This means taking structural vibration and structural noise under control is vital. In this paper， by monitoring a real case above the subway， a method which can decrease structural vibration was proposed.
Key words： subway；structural vibration； structural noise
在城市化建设的过程中，轨道交通正在被世界各大城市所推。在我国也不例外，全国各大城市都在新建或延伸自己的轨交线路。然而随着轨交线路的增加，轨道交通地下段的建设在设计规划以及建设时，往往会穿过人口，建筑密集的区域，如医疗、文教科研或者居民住宅，致使周边居民或其他敏感群体常年受到地下轨交运行产生的结构振动和噪声污染。
轨道交通在运行的途中产生的噪声和结构振动，会通过枕木、隧道和轨道的结构传递至地面，并激发周边建筑的结构振动，在室内产生结构传声和结构振动，空气噪声则会通过风井传播到地面风亭，直接影响附近的居民，导致城市的噪声污染。因此，解决好振动和噪声污染问题对改善沿线居民的居住环境至关重要。
本文以轨道交通地下段引起的结构振动和结构噪声为研究对象，对受影响的敏感建筑物屋内的结构振动和结构噪声分别在昼间和夜间进行监测，通过简单有效的改善方案，通过实验数据的对比，发现受影响的建筑经过结构改造可以有效降低轨道交通地下段对地面上方建筑物的结构振动，并为今后减少地下轨道交通的结构振动作参考。
1 方法依据、监测方法、评价标准
1.1 轨道交通（地下段）结构振动与结构噪声的特征与限值
根据JGJ/T 170-2009中建筑物的振动定义是“运行列车引起沿线固体介质的往复运动而导致地面、建筑物基础或结构的振动，这种由轨道路基扩散的振动在岩土体中以压缩波和剪切波或地面瑞利波的形式激励建筑物基础”（1）。根据《中华人民共和国环境噪声污染防治法》和《上海市环境保护条例》中的规定，城市轨道交通（地下段）沿线，位于《上海市环境声标准适用区划》中的1类、2类、3类和4类声功能区内的住宅建筑，城市轨道交通（地下段）列车运行时引起的住宅建筑室内的结构振动在频率范围为1～80Hz时的限值如表1所示。
结构噪声实质上是建筑物结构经过外因振动作用后在结构上如地面、墙体等随之发生振动而在室内辐射噪声的现象，其频率组成主要由20～200Hz的低频部分为主（2）。根据城市轨道交通（地下段）沿线，位于《上海市环境声标准适用区划》中的1类、2类、3类和4类声功能区内的住宅建筑，其对噪音的要求限制如表2所示，并且城市轨道交通（地下段）应该同时满足时段等效声级与最大声级的控制要求。
1.2 轨道交通（地下段）结构振动与结构噪声的监测方法
测量结构振动，按照DB31/T-2009标准规定测量位置设定在城市轨道交通（地下段）沿线的住宅建筑室内地面敏感处，尽量距离任一墙面0.5 m以上，测量铅锤向Z振级VLzmax，每个测量点连续测量对测点影响较大一侧不少于5列轨道交通通过的列车，并求出测量值的算数平均值（3）。
对于结构噪声，DB31/T470-2009中规定，对于相应噪声源结构传声排放监测应该在噪声敏感建筑物室内测量，测量点应距离任一反射面至少0.5 m以上、距离地面1.2 m、距离外窗1 m以上，窗户关闭状态下测量，被测房间内的其他可能干扰测量的声源应关闭，测量频率规定为16-200 Hz，测量结果以1 h等效A声级评价。
2 点位布设及实际测量方案
2.1 测点布置
根据现场情况，小区有两幢五层房屋，房屋类型为一室户小房型，房屋位于地铁线路两站中间，地铁X号线底部穿越房屋（地铁穿越房屋的平面图如图1），轨道交通距地面垂直距离约为13米左右。选择底层卧室中央作为测点（测点见图1），测点距任一墙面0.5米以上，距地面1.2米高度处，噪声监测距外窗1米以上，门窗关闭状态下测量。该小区声功能类别属2类区。
2.2 测量时段
测量时段：昼间和夜间（昼间6：00至22：00；夜间22：00至次日6：00），测量时结构噪声和结构振动应同步进行。
2.3 测量仪器与方法
振动采用AWA6258B型环境振动仪，测量铅垂直向振动拾振器安装于平坦、坚实地面上。每个测点测量不少于5列轨道交通列车的算术平均作为评价量。当城市轨道交通（地下段）列车运行之外，其它振动源对振动测量产生干扰时，本次测量应视为无效。
噪声采用AWA6228B型多功声级计，测量列车运行时段的等效声级LAeq，测量时间不少于20min。同时测量背景值，无城市轨道交通（地下段）列车进行时，其它声环境与测量时的声环境保持一致。夜间最大声级值，测量不少于5列轨道交通列车的算術平均作为评价量。
3 测量结果与讨论
如测点地图图1所示，轨道交通的地下段经过1号监测点，由于轨道交通地下段距离地面仅有13 m深，是上方建筑物引起结构振动的主要因素，监测点1的结构振动测量结果如图2所示：
从图2中可以看到在昼间5次对上行方向和下行方向的振动测量值的平均值分别为72dB和68dB，夜间上行方向和下行方向的振动测量的平均值分别为64dB和70dB，这些测量平均值与标准的上限相比均十分接近，部分单次测量值和均值都高于标准的上限，因此轨道交通地下段的运行对地面居民的生活的确造成不少困扰。从同向通过5列列车的单次数据比较，当车速越快时，其引起的振动也越大。此外，还发现列车速度每提高一倍，隧道和地面的振动增加4～6dB 。
建筑物结构振动的控制的技术有基地隔震，吸震隔震和耗能隔震三类。基地隔震在建筑物的基地设置柔性装置，减弱震源对结构的动力作用；吸震隔震在主体结构上附加吸振器子系统，用以减小主结构的振动；耗能隔震是利用各种阻尼元件、吸能部件或摩擦支撑产生的阻尼力，塑性变形或者摩擦力来衰减结构在外界干扰（4）。本次针对轨道交通地下段对地面建筑的结构振动，采用吸震隔震方式。因此，对于监测点1上的建筑物的外墙用外包框架加固条这种方式进行改造，并对其改造后的结构振动进行测量，其结果如图3所示。
从图三中可以看到，采用吸震隔震的改造方法，可以有效降低轨道交通地下段对地面上方建筑的结构振动。外墙进行外包框架加固条加固后，在昼间5次对上行方向和下行方向的振动测量值的平均值分别为56dB和57dB，夜间上行方向和下行方向的振动测量的平均值分别为58dB和54dB，平均降低大约18%的结构振动。通过这两种方法可以有效降低轨道交通对地面建筑结构振动的影响。
住宅建筑结构噪声昼间限值标准45dB（A），夜间限值标准35dB（A），夜间最大值限值标准45dB（A）。对于住宅建筑的结构噪声的监测结果以及改造后的结果如表3所示。
从表中可以看到，无论改造前后，监测点LAeq实测值与背景值之差小于0.5dB（A），结构噪声视为不影响，但无论改造前后，监测点1的结构噪声夜间最大值均超过排放限值，但监测点在上下行方向上的等效声级都达到排放噪声的标准，并且改造后，结构噪声仍然在标准范围以内。造成结构噪声最大值超标的因素有很多，即使测量时严格按照标准将门窗关闭，但房间并未完全封闭，外界高频声音仍然可以通过空气进行传播，具有一定的不可控性。建筑物经过一定的改造，会增加一定的结构噪声，但噪声的等效声级仍然在标准范圍内。
4 总结与展望
通过对地下轨道交通的结构振动与结构噪声监测发现，当轨道交通地下段埋层较浅时，容易对地面上方的建筑产生结构振动影响，并且列车的车速越快，其引起的结构振动也越大。在监测中还发现，对地面上方的建筑墙体进行外包框架加固条可以有效降低轨道交通引起的结构振动，但是这些加装的设施并不能降低轨道交通引起的结构噪声。随着城市轨道交通网络建设的加快，轨道交通穿过人口敏感区域也会日益增加，地下段对上方建筑引起的结构振动和结构噪声势必会对居民造成困扰，在工作中我们提出简单有效的改善方案，为将来更好地解决轨道交通扰民问题做了铺垫。
参考文献
[1] JGJ/T170-2009 城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及监测方法标准.
[2]尹志刚，丁浩民，申跃奎，地铁引起的建筑物结构振动及噪声分析[J].噪声与振动控制，2008（5）：147-150.
[3].DB31/T470-2009 城市轨道交通（地下段）列车运行引起的住宅室内振动与结构噪声限值及测量方法.
[4]田晓磊，乔枫.建筑工程结构振动控制方法综述[J].中国技术投资，2012 （30）： 95-95.
收稿日期：2017-04-29
作者简介：朱东利（1968-），男，助理工程师，大专，研究方向为噪声监测及现场环境监测。 技术文
摘要：轨道交通作为一种绿色、高效、节能、环保的交通工具，在全国各大城市进行推广，但由此带来的结构振动与结构噪声的控制问题日益受到关注。本文通过对实际案例的监测分析，对建筑物进行改造，提出了一种行之有效的防振方法。
关键词：轨道交通；结构振动；结构噪声
中图分类号：TB533+.4 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0254-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.141
Abstract：As a green， efficient traffic tool， subway has been widely constructed in domestic. This means taking structural vibration and structural noise under control is vital. In this paper， by monitoring a real case above the subway， a method which can decrease structural vibration was proposed.
Key words： subway；structural vibration； structural noise
在城市化建设的过程中，轨道交通正在被世界各大城市所推。在我国也不例外，全国各大城市都在新建或延伸自己的轨交线路。然而随着轨交线路的增加，轨道交通地下段的建设在设计规划以及建设时，往往会穿过人口，建筑密集的区域，如医疗、文教科研或者居民住宅，致使周边居民或其他敏感群体常年受到地下轨交运行产生的结构振动和噪声污染。
轨道交通在运行的途中产生的噪声和结构振动，会通过枕木、隧道和轨道的结构传递至地面，并激发周边建筑的结构振动，在室内产生结构传声和结构振动，空气噪声则会通过风井传播到地面风亭，直接影响附近的居民，导致城市的噪声污染。因此，解决好振动和噪声污染问题对改善沿线居民的居住环境至关重要。
本文以轨道交通地下段引起的结构振动和结构噪声为研究对象，对受影响的敏感建筑物屋内的结构振动和结构噪声分别在昼间和夜间进行监测，通过简单有效的改善方案，通过实验数据的对比，发现受影响的建筑经过结构改造可以有效降低轨道交通地下段对地面上方建筑物的结构振动，并为今后减少地下轨道交通的结构振动作参考。
1 方法依据、监测方法、评价标准
1.1 轨道交通（地下段）结构振动与结构噪声的特征与限值
根据JGJ/T 170-2009中建筑物的振动定义是“运行列车引起沿线固体介质的往复运动而导致地面、建筑物基础或结构的振动，这种由轨道路基扩散的振动在岩土体中以压缩波和剪切波或地面瑞利波的形式激励建筑物基础”（1）。根据《中华人民共和国环境噪声污染防治法》和《上海市环境保护条例》中的规定，城市轨道交通（地下段）沿线，位于《上海市环境声标准适用区划》中的1类、2类、3类和4类声功能区内的住宅建筑，城市轨道交通（地下段）列车运行时引起的住宅建筑室内的结构振动在频率范围为1～80Hz时的限值如表1所示。
结构噪声实质上是建筑物结构经过外因振动作用后在结构上如地面、墙体等随之发生振动而在室内辐射噪声的现象，其频率组成主要由20～200Hz的低频部分为主（2）。根据城市轨道交通（地下段）沿线，位于《上海市环境声标准适用区划》中的1类、2类、3类和4类声功能区内的住宅建筑，其对噪音的要求限制如表2所示，并且城市轨道交通（地下段）应该同时满足时段等效声级与最大声级的控制要求。
1.2 轨道交通（地下段）结构振动与结构噪声的监测方法
测量结构振动，按照DB31/T-2009标准规定测量位置设定在城市轨道交通（地下段）沿线的住宅建筑室内地面敏感处，尽量距离任一墙面0.5 m以上，测量铅锤向Z振级VLzmax，每个测量点连续测量对测点影响较大一侧不少于5列轨道交通通过的列车，并求出测量值的算数平均值（3）。
对于结构噪声，DB31/T470-2009中规定，对于相应噪声源结构传声排放监测应该在噪声敏感建筑物室内测量，测量点应距离任一反射面至少0.5 m以上、距离地面1.2 m、距离外窗1 m以上，窗户关闭状态下测量，被测房间内的其他可能干扰测量的声源应关闭，测量频率规定为16-200 Hz，测量结果以1 h等效A声级评价。
2 点位布设及实际测量方案
2.1 测点布置
根据现场情况，小区有两幢五层房屋，房屋类型为一室户小房型，房屋位于地铁线路两站中间，地铁X号线底部穿越房屋（地铁穿越房屋的平面图如图1），轨道交通距地面垂直距离约为13米左右。选择底层卧室中央作为测点（测点见图1），测点距任一墙面0.5米以上，距地面1.2米高度处，噪声监测距外窗1米以上，门窗关闭状态下测量。该小区声功能类别属2类区。
2.2 测量时段
测量时段：昼间和夜间（昼间6：00至22：00；夜间22：00至次日6：00），测量时结构噪声和结构振动应同步进行。
2.3 测量仪器与方法
振动采用AWA6258B型环境振动仪，测量铅垂直向振动拾振器安装于平坦、坚实地面上。每个测点测量不少于5列轨道交通列车的算术平均作为评价量。当城市轨道交通（地下段）列车运行之外，其它振动源对振动测量产生干扰时，本次测量应视为无效。
噪声采用AWA6228B型多功声级计，测量列车运行时段的等效声级LAeq，测量时间不少于20min。同时测量背景值，无城市轨道交通（地下段）列车进行时，其它声环境与测量时的声环境保持一致。夜间最大声级值，测量不少于5列轨道交通列车的算術平均作为评价量。
3 测量结果与讨论
如测点地图图1所示，轨道交通的地下段经过1号监测点，由于轨道交通地下段距离地面仅有13 m深，是上方建筑物引起结构振动的主要因素，监测点1的结构振动测量结果如图2所示：
从图2中可以看到在昼间5次对上行方向和下行方向的振动测量值的平均值分别为72dB和68dB，夜间上行方向和下行方向的振动测量的平均值分别为64dB和70dB，这些测量平均值与标准的上限相比均十分接近，部分单次测量值和均值都高于标准的上限，因此轨道交通地下段的运行对地面居民的生活的确造成不少困扰。从同向通过5列列车的单次数据比较，当车速越快时，其引起的振动也越大。此外，还发现列车速度每提高一倍，隧道和地面的振动增加4～6dB 。
建筑物结构振动的控制的技术有基地隔震，吸震隔震和耗能隔震三类。基地隔震在建筑物的基地设置柔性装置，减弱震源对结构的动力作用；吸震隔震在主体结构上附加吸振器子系统，用以减小主结构的振动；耗能隔震是利用各种阻尼元件、吸能部件或摩擦支撑产生的阻尼力，塑性变形或者摩擦力来衰减结构在外界干扰（4）。本次针对轨道交通地下段对地面建筑的结构振动，采用吸震隔震方式。因此，对于监测点1上的建筑物的外墙用外包框架加固条这种方式进行改造，并对其改造后的结构振动进行测量，其结果如图3所示。
从图三中可以看到，采用吸震隔震的改造方法，可以有效降低轨道交通地下段对地面上方建筑的结构振动。外墙进行外包框架加固条加固后，在昼间5次对上行方向和下行方向的振动测量值的平均值分别为56dB和57dB，夜间上行方向和下行方向的振动测量的平均值分别为58dB和54dB，平均降低大约18%的结构振动。通过这两种方法可以有效降低轨道交通对地面建筑结构振动的影响。
住宅建筑结构噪声昼间限值标准45dB（A），夜间限值标准35dB（A），夜间最大值限值标准45dB（A）。对于住宅建筑的结构噪声的监测结果以及改造后的结果如表3所示。
从表中可以看到，无论改造前后，监测点LAeq实测值与背景值之差小于0.5dB（A），结构噪声视为不影响，但无论改造前后，监测点1的结构噪声夜间最大值均超过排放限值，但监测点在上下行方向上的等效声级都达到排放噪声的标准，并且改造后，结构噪声仍然在标准范围以内。造成结构噪声最大值超标的因素有很多，即使测量时严格按照标准将门窗关闭，但房间并未完全封闭，外界高频声音仍然可以通过空气进行传播，具有一定的不可控性。建筑物经过一定的改造，会增加一定的结构噪声，但噪声的等效声级仍然在标准范圍内。
4 总结与展望
通过对地下轨道交通的结构振动与结构噪声监测发现，当轨道交通地下段埋层较浅时，容易对地面上方的建筑产生结构振动影响，并且列车的车速越快，其引起的结构振动也越大。在监测中还发现，对地面上方的建筑墙体进行外包框架加固条可以有效降低轨道交通引起的结构振动，但是这些加装的设施并不能降低轨道交通引起的结构噪声。随着城市轨道交通网络建设的加快，轨道交通穿过人口敏感区域也会日益增加，地下段对上方建筑引起的结构振动和结构噪声势必会对居民造成困扰，在工作中我们提出简单有效的改善方案，为将来更好地解决轨道交通扰民问题做了铺垫。
参考文献
[1] JGJ/T170-2009 城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及监测方法标准.
[2]尹志刚，丁浩民，申跃奎，地铁引起的建筑物结构振动及噪声分析[J].噪声与振动控制，2008（5）：147-150.
[3].DB31/T470-2009 城市轨道交通（地下段）列车运行引起的住宅室内振动与结构噪声限值及测量方法.
[4]田晓磊，乔枫.建筑工程结构振动控制方法综述[J].中国技术投资，2012 （30）： 95-95.
收稿日期：2017-04-29
作者简介：朱东利（1968-），男，助理工程师，大专，研究方向为噪声监测及现场环境监测。 技术文
