馮青松，廖春明，張 凌，周 豪，陳艷明

（華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013）

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市人口變得越來越密集，路面車輛的不斷增多容易造成交通堵塞、噪聲過大及空氣污染等問題，由于地鐵具有快速、便捷、載客量大和環(huán)境友好等特點(diǎn)，在我國各大城市已興建一條或多條地鐵線路。然而，地鐵在緩解日益嚴(yán)重的城市擁擠和減少空氣污染等問題的同時(shí)，也給人們帶來相應(yīng)的困擾。近些年來，地下盤根錯(cuò)雜的地鐵線路夜以繼日運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)影響沿線鄰近居民的工作與睡眠，長期暴露在振動(dòng)中的人的舒適感、正常工作能力及生理健康都會(huì)受到振動(dòng)影響，評(píng)價(jià)地鐵振動(dòng)引起的鄰近建筑物室內(nèi)振動(dòng)是否會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響具有至關(guān)重要的作用。因此，亟需開展地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)對(duì)人體舒適度影響的研究。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于地鐵振動(dòng)對(duì)人體舒適度影響進(jìn)行了研究[1]。Koczwara[2－3]分析了測試點(diǎn)位置、多振源對(duì)人體感知振動(dòng)舒適度的影響；杜林林等[4]采用最大Z 振級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)建議使用ISO2631－1:1997 中的頻率計(jì)權(quán)曲線，認(rèn)為其更能綜合考慮軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)對(duì)人體健康、舒適度及工作效率的影響；孫可[5]建立了聯(lián)合煩惱度評(píng)價(jià)模型，對(duì)地鐵站鄰近地下空間的振動(dòng)環(huán)境中人群的舒適度做出了定量評(píng)價(jià)；丁潔民等[6]將基于煩惱率模型的建筑物振動(dòng)舒適度分析方法與基于振動(dòng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者分析結(jié)論基本一致。謝偉平等[7]基于ISO10137和BS6472－1中的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行地鐵上蓋物業(yè)振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)，對(duì)不滿足舒適度情況提出減振方法，并進(jìn)行減振后評(píng)價(jià)。馬蒙等[8]綜合振動(dòng)幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間3 因素提出了暴露振級(jí)的概念及計(jì)算方法，能更好反映不同列車對(duì)人體影響的真實(shí)情況。現(xiàn)有研究尚無標(biāo)準(zhǔn)專用于評(píng)價(jià)地鐵列車運(yùn)行所引起的振動(dòng)對(duì)全身暴露于振動(dòng)中的人體舒適度的影響，且基于各標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)均有差異，適用范圍不同，無法較全面評(píng)價(jià)地鐵振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物內(nèi)人體舒適度的影響。因此，本文基于廣州地鐵某號(hào)線某鄰近地鐵建筑物室內(nèi)現(xiàn)場實(shí)測，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)城市軌道交通振動(dòng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)比分析不同標(biāo)準(zhǔn)，得出適用于評(píng)價(jià)地鐵振動(dòng)所引起建筑物內(nèi)人體振動(dòng)舒適度的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行人體暴露于全身振動(dòng)的舒適度評(píng)價(jià)。

1 實(shí)測結(jié)果

現(xiàn)場實(shí)測地點(diǎn)位于與廣州地鐵某號(hào)線鄰近的建筑物內(nèi)商業(yè)店鋪，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙獲得店鋪與地鐵某號(hào)線的空間距離如圖1所示。

圖1 商業(yè)店鋪

商業(yè)店鋪距離地鐵線路正上方水平距離為15 m，隧道垂直埋深為14 m，為突顯店鋪位置與隧道位置，忽略其它建筑物，測點(diǎn)位置在店鋪中心位置，如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)位置

對(duì)連續(xù)間歇20 趟地鐵列車通過時(shí)引起的建筑物振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中振動(dòng)加速度最大的一趟地鐵通過時(shí)建筑物振動(dòng)時(shí)程圖如圖3 所示。由圖可知，一趟地鐵列車經(jīng)過所需時(shí)間為16 s，加速度最大值為0.066 m/s2。

圖3 加速度時(shí)程圖

2 振動(dòng)規(guī)范限制標(biāo)準(zhǔn)

總結(jié)各國的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范見表1。介紹了國內(nèi)外關(guān)于人體暴露于全身振動(dòng)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。由于不同國家文化、種族和生活習(xí)慣的差異，對(duì)振動(dòng)的敏感性也不一樣，振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)限值和評(píng)價(jià)指標(biāo)各不相同，因此，在對(duì)人體暴露于全身振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，為符合國內(nèi)人民對(duì)舒適度的敏感度，振動(dòng)限值以國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)為主。采用國內(nèi)外較典型常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。

表1 不同國家振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本節(jié)主要介紹地鐵列車所引起的振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法，介紹了RMS（均方根值）、WODL（人體振動(dòng)感知比）、VDVz（豎向四次方振動(dòng)劑量值）和CF（峰值因數(shù)）評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義、公式表達(dá)式及所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)限值，同時(shí)介紹煩惱率的概念、原理、公式和式中各參數(shù)的取值方法。

3.1 建筑物內(nèi)振級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

將振動(dòng)加速級(jí)記為La，單位為分貝（dB）。

其中：a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；

a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

測試數(shù)據(jù)的場所屬于辦公室區(qū)域，主要測試Z軸方向的振動(dòng)加速度，采用ISO2631/1—1997[9]所規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)曲線Wk修正。Z振級(jí)為Z軸方向的振動(dòng)加速度經(jīng)過Wk計(jì)權(quán)得到的振級(jí)，記為VLz。

3.2 人體全身振動(dòng)暴露舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

按人體解剖學(xué)規(guī)定，相互垂直的3 根軸為人體的背-胸軸（X軸），右側(cè)-左側(cè)軸（Y軸），腳-頭軸（Z軸）。人體承受振動(dòng)時(shí)，將沿著X軸向的加速度表示為ax，將沿著Y軸向的加速度表示為ay，將沿著Z軸向的加速度表示為az。圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)稱為角振動(dòng)，繞X軸的角振動(dòng)稱為滾轉(zhuǎn)，繞Y軸的角振動(dòng)稱為俯仰，繞Z軸的角振動(dòng)稱為偏轉(zhuǎn)。

振動(dòng)的量值大小以計(jì)權(quán)均方根值(RMS)表示。

式中：a(t)為某時(shí)刻t的加速度值，m/s2；

T為測試持續(xù)時(shí)間，s。

人體振動(dòng)感知比指超過振動(dòng)感知閾值的百分比，用WODL[10]表示，這樣一個(gè)系數(shù)優(yōu)勢(shì)在于根據(jù)頻帶分析所得的結(jié)果不是獨(dú)立的，WODL 顯示了已超出人體振動(dòng)閾值多少。

式中：aRMS為分析出的加速度均方根；

aZ為相同1/3 倍頻帶內(nèi)Z 方向振動(dòng)閾值。aZ的加速度界限采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631－2:1989[11]，如圖4所示。

圖4 az加速度界限

在地鐵運(yùn)行所引起鄰近建筑物振動(dòng)對(duì)人體舒適度影響評(píng)價(jià)中，人體暴露于振動(dòng)下持續(xù)一定時(shí)間，其舒適度應(yīng)采用豎向四次方振動(dòng)劑量值，用VDVz表示。

式中：VDVz為豎向四次方劑量值(m/s1.75)；azw(t)為按GB/T 13441.1 所規(guī)定基本頻率計(jì)權(quán)Wk進(jìn)行計(jì)權(quán)的瞬時(shí)豎向加速度(m/s2)；T為持續(xù)時(shí)間(s)。VDVz容許振動(dòng)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50868－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[12]，其如表2所示。

表2 交通振動(dòng)對(duì)建筑物內(nèi)人體舒適度影響的容許振動(dòng)值

為描述振動(dòng)信號(hào)的波形特征，需測定峰值因數(shù)。

當(dāng)峰值因數(shù)小于等于6時(shí)，用RMS評(píng)價(jià)；當(dāng)峰值因數(shù)大于6 且小于9 時(shí)，同時(shí)使用WODL 和VDVz 進(jìn)行評(píng)價(jià);當(dāng)峰值因數(shù)大于9 時(shí)，采用VDVz 進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

3.3 煩惱率

在同一振動(dòng)環(huán)境中、在同一振動(dòng)強(qiáng)度下出現(xiàn)煩惱或達(dá)到“不能接受”的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的百分比為煩惱率，通過量化容許煩惱率，將其作為評(píng)價(jià)舒適度的指標(biāo)，可為在滿足人一定的舒適感條件下確定煩惱閾限。因個(gè)體主觀性不同，所出現(xiàn)的煩惱反應(yīng)具有隨機(jī)性和模糊性，因此將實(shí)驗(yàn)心理學(xué)煩惱率和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合，建立煩惱率模型。

人對(duì)不同頻率范圍的振動(dòng)敏感性不一樣，國際上采用經(jīng)過頻率計(jì)權(quán)的均方根加速度（振動(dòng)強(qiáng)度）作為評(píng)價(jià)振動(dòng)舒適度的依據(jù)，垂直振動(dòng)的總體頻率計(jì)權(quán)函數(shù)可以表示為：

對(duì)于頻率為f的振動(dòng)信號(hào)，若其峰值加速度為amax,則振動(dòng)強(qiáng)度為aw=Wfj μ-1amax，其中μ為峰因子，通過對(duì)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程的統(tǒng)計(jì)，建議μ取2.5。

對(duì)于離散情況，煩惱率表達(dá)式為：

其中：A(awi)為第i個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度awi下的煩惱率；nij為第i個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度下第j種主觀反應(yīng)的人數(shù)；vj為第j種主觀反應(yīng)屬于“不可接受”范疇的概念隸屬度，vj=為主觀反應(yīng)的等級(jí)數(shù)，若采用“無振感”、“輕振感”、“中等振感”、“強(qiáng)振感”、“無法忍受”5個(gè)等級(jí)來描述人的主觀反應(yīng)，則m=5；為該振動(dòng)強(qiáng)度下的統(tǒng)計(jì)總?cè)藬?shù)；p(i,j)反映了人感受程度的差異。

對(duì)于連續(xù)分布情況，煩惱率計(jì)算公式為：

其中：aw為經(jīng)頻率計(jì)權(quán)的振動(dòng)強(qiáng)度；σ=δ為變異系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)所確定的δ變化范圍為0.1～0.5，v(u)為振動(dòng)強(qiáng)度的模糊隸屬度函數(shù)，表達(dá)式為：

其中：umin代表人體覺得振動(dòng)“感覺不到”的振動(dòng)強(qiáng)度上限；umax代表人體感覺得到振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度上限；umax代表人體覺得振動(dòng)“無法忍受”的振動(dòng)強(qiáng)度下限。待定系數(shù)a、b由式（10）得到。

對(duì)于不同建筑物振動(dòng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)的容許下限r(nóng)1不相同，而不可接受的振動(dòng)加速度值在4×r1處，根據(jù)ISO2631（1989）定義的倍數(shù)表[13]，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 分析所采用的加速度倍數(shù)

其中對(duì)于水平振動(dòng)r0=0.003 6 m/s2，豎向振動(dòng)r0=0.005 m/s2，將本文測試點(diǎn)所在商業(yè)店鋪?zhàn)鳛檗k公室考慮，因此，可得umin=0.02 m/s2和umax=0.08 m/s2，由式（9）可以得到a=0.721 3，b=2.821 9，變異系數(shù)δ有0.1、0.3和0.5共3種，由于無論取任何所得結(jié)果差異不明顯，一般取δ為0.3。

在δ=0.1、0.3和0.5時(shí)根據(jù)煩惱率模型得到的煩惱率曲線見圖5。

圖5 煩惱率曲線圖

綜上所述，可采用上述的評(píng)價(jià)指標(biāo)去評(píng)價(jià)地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)對(duì)建筑物室內(nèi)人體暴露于全身振動(dòng)舒適度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，綜合分析地鐵振動(dòng)對(duì)人體舒適度影響。

4 舒適度評(píng)價(jià)

采用上述標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)限值及評(píng)價(jià)指標(biāo)分析廣州地鐵某號(hào)線鄰近的商業(yè)店鋪的舒適度。20趟列車所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)域圖如圖3所示，1/3倍頻程分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 Z振級(jí)圖

由圖6 可知，20 趟地鐵列車運(yùn)行引起的建筑物室內(nèi)地面振動(dòng)加速度級(jí)的振動(dòng)規(guī)律基本相似，多數(shù)最大振級(jí)出現(xiàn)在頻率50 Hz 處，部分最大振級(jí)出現(xiàn)在頻率40 Hz 處，加速度級(jí)最大值基本在70 dB 左右。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170－2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]對(duì)不同區(qū)域建筑物給出建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值，測點(diǎn)位置屬于交通干線兩側(cè)，測試時(shí)段在晝間，晝間建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值為75 dB。每一趟最大加速度級(jí)如圖7所示。圖中每一個(gè)點(diǎn)表示這趟地鐵列車通過最大Z振級(jí)，紅線為建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值。從圖6可知振動(dòng)未超標(biāo)，符合規(guī)范要求。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631－2－1989 和標(biāo)準(zhǔn)GB 50868－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的建筑物內(nèi)人體振動(dòng)舒適度的容許振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)，測點(diǎn)位置位于辦公室區(qū)域內(nèi)，地鐵列車引起振動(dòng)具有連續(xù)、間歇和重復(fù)性特點(diǎn)，無論白天晝夜，室內(nèi)豎向振動(dòng)限值均為86 dB，從圖7 中可知，每一趟的振動(dòng)加速度級(jí)峰值都在70 dB 左右，符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑物內(nèi)人體振動(dòng)舒適度的容許振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)的要求。

圖7 垂向加速度級(jí)

除建筑物室內(nèi)振動(dòng)不超標(biāo)準(zhǔn)限值外，建筑物內(nèi)人體暴露于振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度也會(huì)影響人體舒適度，人體全身振動(dòng)暴露舒適度評(píng)價(jià)主要采用加速度均方根（RMS）、人體振動(dòng)感知比（WODL）和豎向4次方振動(dòng)劑量值（VDVz）進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)地鐵列車通過時(shí)所引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)中最大的一趟的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程轉(zhuǎn)換，結(jié)果如圖8所示。

圖8 室內(nèi)振動(dòng)加速度均方根分析

從圖中可知，振動(dòng)主頻集中在25 Hz～63 Hz，豎向振動(dòng)加速度峰值出現(xiàn)在中心頻率40 Hz 處，最大值為0.012 m/s2，根據(jù)WODL 的公式定義，其結(jié)果未超出人體感知振動(dòng)閾值，滿足人體暴露振動(dòng)舒適度的需要。

對(duì)20 趟地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將測得的豎向振動(dòng)加速度計(jì)權(quán)后分別進(jìn)行RMS、VDVz與煩惱率計(jì)算，考慮到每一趟列車通過時(shí)持續(xù)時(shí)間從14 秒到20 秒不等，將VDVz 分析結(jié)果、根據(jù)RMS分析計(jì)算中所得的WODL系數(shù)及每一趟地鐵列車通過時(shí)的煩惱率匯總?cè)绫?所示。

表4 各指標(biāo)評(píng)價(jià)

由表所4 知，基于VDVz 分析，采用標(biāo)準(zhǔn)GB 50868－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中的交通振動(dòng)對(duì)建筑物內(nèi)人體舒適度影響的容許振動(dòng)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，辦公建筑內(nèi)的容許豎向四次方振動(dòng)劑量值不得超過0.4 m/s1.75，可知第7 趟與第19 趟的VDVz 為0.423 和0.484，超過振動(dòng)容許值。表中WODL 值均小于1建筑物室內(nèi)振動(dòng)豎向加速度均未超過人體振動(dòng)感知閾值，可知室內(nèi)振動(dòng)加速度未超出標(biāo)準(zhǔn)限值。在工程中人體可接受的振動(dòng)舒適度對(duì)應(yīng)的容許煩惱率為0.07，表4 中煩惱率均小于0.07，表明未使室內(nèi)人體產(chǎn)生煩惱反應(yīng)。

為進(jìn)一步確認(rèn)能更精準(zhǔn)評(píng)價(jià)人體暴露于全身振動(dòng)舒適度的指標(biāo)，對(duì)3種指標(biāo)進(jìn)行敏感度分析，根據(jù)各指標(biāo)限值進(jìn)行歸一化操作，對(duì)比結(jié)果如圖9所示。從圖9 中可知，WODL 值未超過閾值且敏感度處于相對(duì)中等水平；煩惱率可能量化舒適度大小，但其評(píng)價(jià)對(duì)象為經(jīng)頻率計(jì)權(quán)的某一時(shí)刻最大振動(dòng)加速度，評(píng)價(jià)沒有考慮人體持續(xù)暴露于振動(dòng)下舒適度的影響，其敏感度偏低且波動(dòng)變化明顯；VDVz 值敏感度高，能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人體暴露于持續(xù)振動(dòng)下的舒適度。

圖9 各指標(biāo)敏感性對(duì)比

總之，采用Z 振級(jí)對(duì)建筑物室內(nèi)豎向振動(dòng)加速度進(jìn)行分析，室內(nèi)振動(dòng)加速度級(jí)未超過建筑物室內(nèi)人體振動(dòng)舒適度的容許振動(dòng)限值。采用WODL與煩惱率分析可知地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)并未引發(fā)人體不適，ISO 標(biāo)準(zhǔn)中辦公室的振動(dòng)加速度限值為0.02 m/s2，同樣未超過舒適度要求，煩惱率可以量化加速度振動(dòng)舒適度，并且煩惱率可以進(jìn)一步評(píng)估振動(dòng)引起煩惱反應(yīng)的人數(shù)，而通過VDVz 分析可知其敏感度高，能更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地鐵持續(xù)振動(dòng)引起的人體暴露于全身振動(dòng)的舒適度。

5 結(jié)語

本文基于廣州某地鐵線路旁的建筑物現(xiàn)場實(shí)測，采用不同規(guī)范進(jìn)行限值對(duì)比，得出適用于評(píng)價(jià)地鐵振動(dòng)對(duì)人體暴露于全身振動(dòng)的舒適度，并分析了人體振動(dòng)感知比、豎向四次方振動(dòng)劑量值和煩惱率3種評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)人體暴露于全身振動(dòng)的舒適度的影響，得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)特性及適用情況。主要結(jié)論如下：

(1)建議采用JGJ/T170－2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50868－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》以及ISO2631系列標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)地鐵振動(dòng)對(duì)建筑物內(nèi)振動(dòng)的影響。

(2)采用Z 振級(jí)對(duì)建筑物內(nèi)振動(dòng)加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)結(jié)合建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值和人體振動(dòng)舒適度的容許振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)共同評(píng)價(jià)。

(3)采用WODL、VDVz和煩惱率3種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行人體全身振動(dòng)暴露舒適度評(píng)價(jià)時(shí)，基于WODL 在峰值因數(shù)較小時(shí)能夠作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，VDVz 敏感度高，能更準(zhǔn)確反映地鐵豎向持續(xù)振動(dòng)對(duì)建筑物內(nèi)人體全身振動(dòng)暴露舒適度的影響，煩惱率可以量化振動(dòng)舒適度，適用于評(píng)價(jià)瞬時(shí)最大加速度對(duì)舒適度的影響，并能評(píng)估同一振動(dòng)場所中振動(dòng)引起煩惱反應(yīng)的人數(shù)。本文結(jié)論可為地鐵列車運(yùn)行所引起的鄰近建筑物內(nèi)振動(dòng)對(duì)人體暴露于全身振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)的影響提供參考。