段玉振，段海濱，劉鵬輝，劉玉濤，王 豪

（1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2.北京市軌道結構工程技術研究中心，北京 100037；3.城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室，北京 100037；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；5.鐵科院（深圳）設計研究院有限公司，廣東深圳 518034；6.煙臺業(yè)達實業(yè)有限公司，山東煙臺 264000）

1 引言

地鐵大多位于市區(qū)，具有方便、快捷、準時、運量大等優(yōu)點，它極大地緩解了城市交通擁擠的現(xiàn)狀。隨著地鐵運營線路和里程的逐步增多，線網逐漸加密，地鐵線路走向或埋深設計愈加難以繞避一些環(huán)境噪聲敏感點，此外，由于人們對生活質量的要求越來越高，沿線居民投訴地鐵噪聲擾民的數(shù)量與日俱增。特別是2022年6月《中華人民共和國污染防治法》實施后，地鐵列車運營誘發(fā)的振動和噪聲問題成為公眾廣泛關注的焦點。因此，地鐵運營引發(fā)的噪聲問題尤其是地下線產生的低頻二次結構噪聲問題已成為地鐵建設及運營面臨的主要疑難問題之一。如何分析地鐵運營產生的振動噪聲投訴的原因并采取有效措施降低對附近居民的影響，成為地鐵發(fā)展中的一個亟待解決的問題。本文針對某小區(qū)噪聲擾民投訴問題，通過系統(tǒng)調研、綜合測試等手段，分析振動噪聲產生的可能原因，針對性地提出地鐵既有線振動噪聲整治的綜合技術方案，解決了既有線運營產生的振動噪聲投訴問題，可為類似地鐵振動噪聲擾民問題提供借鑒與參考。

2 地鐵振動噪聲擾民投訴原因分析及規(guī)律研究

2.1 擾民投訴敏感點調研

浙江某地鐵線路自2019年開通以來，某2016年左右建成的小區(qū)居民投訴能明顯聽見列車通過時的“隆隆聲”，普遍反映線路開通運營后產生的振動噪聲影響了小區(qū)居民的休息和生活，尤其是晚上22 : 00 以后和早晨7 : 00 以前噪聲更加明顯。地鐵公司組織相關人員對該小區(qū)進行入戶調研。該投訴敏感點為15 層高層建筑，地下一層為機動車停車場和設備用房，周圍安靜時，現(xiàn)場能清晰感受到列車通過時的二次結構噪聲。據小區(qū)業(yè)主反映，噪聲有逐漸增大的趨勢，嚴重影響小區(qū)居民的休息和生活。該地鐵為單洞單線圓形盾構隧道，線路半徑為1 000 m，距離小區(qū)最近樓房水平距離約53 m，列車運行速度約70 km/h。對應地質條件為碎塊石混黏性土、粉質黏土、淤泥質黏土，現(xiàn)場軌道為普通扣件長枕式整體道床，軌面埋深約22 m，無縫線路。該線路自運營開始就有居民投訴，說明振動噪聲不是扣件減振性能衰減產生。通過對敏感點鄰近的軌行區(qū)軌道幾何狀態(tài)、軌道相關病害等進行詳細的調研發(fā)現(xiàn)鋼軌焊接接頭不平順、鋼軌存在剝離掉塊、扣件與混凝土板結，現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 軌道相關問題

2.2 振動及噪聲測試

根據GB 10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》標準，分析列車通過時段的1～80 Hz 的1/3 倍頻程中心頻率上的最大計權振動加速度級（VLzmax）；根據JGJ/T 170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》評估分析4～200 Hz 的VLzmax。對投訴敏感小區(qū)一層住宅的室內振動、二次結構噪聲及對應隧道內振動源進行現(xiàn)場監(jiān)測（圖2、圖3）。測得改造前隧道壁Z 振級VLzmax為72 dB，背景噪聲為21.1 dB（A），16～200 Hz 臥室二次結構噪聲（LAeq）為28.2 dB（A），16～200 Hz 客廳LAeq為27.5 dB（A）；1～80 Hz 室外Z 振級VLzmax為63 dB，4～200 Hz 臥室分頻振級（VLmax）為53 dB，4～200 Hz 客廳VLmax為61.1 dB。

圖2 隧道內振動測試照片

圖3 室內測試現(xiàn)場照片

根據測量結果，該敏感投訴點室內振動滿足GB 10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》“居民、文教區(qū)”標準（晝間70 dB、夜間67 dB）及JGJ/T 170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》中1 類區(qū)標準（晝間65 dB（A）、夜間62 dB（A））；室內二次結構噪聲滿足JGJ/T 170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》中1 類區(qū)（晝間38 dB（A）、夜間35 dB（A））標準限值的要求。

2.3 國內地鐵擾民投訴常見原因

通過調研上海、北京、南京等城市地鐵敏感點處振動噪聲投訴原因，將常見原因歸為如下幾類。

（1）鋼軌波磨加劇輪軌振動而導致振動噪聲異常增大,尤其是一些小半徑曲線區(qū)段（通常R≤500 m）的波磨是影響減振降噪效果的主要原因之一。

（2）軌道減振級別設置偏低、鋪設長度不夠等。主要是因為后建設的住宅未按環(huán)評要求退讓距離退讓或者規(guī)劃性質調整而軌道減振措施未相應調整。

（3）扣件減振性能衰減。隨著運營時間的增長，扣件墊板逐漸老化彈性變小導致扣件節(jié)點剛度增大，從而加大車輛和軌道結構的振動，使得沿線建筑物振動增大或振動頻率發(fā)生改變，進一步引發(fā)室內振動或二次結構噪聲問題。

（4）軌道不平順。道岔區(qū)接頭軌縫狀態(tài)不良，存在錯臺、大軌縫等情況，焊接接頭不平順等；減振軌道之間或減振軌道與非減振軌道之間過渡段引起的不平順等。

（5）地質條件。敏感點位于軟弱土層時振動衰減較大，位于堅硬土、巖石類中時振動衰減小；振動在傳遞過程中存在局部放大。

（6）建筑結構和房間尺寸、裝修等。體量小的房屋、輕質隔墻、尺寸較大或不規(guī)則的房間更容易產生共振而誘發(fā)低頻的結構噪聲。

（7）人的主觀因素和感知差異。一般情況下不能覺察到振動，但是在非常安靜的房間內可能聽見室內二次噪聲；不同年齡、性別、職業(yè)等的人對振動噪聲的感知不同。

（8）其他原因，比如車輛的車輪多邊形、輪軌不圓等。

振動噪聲大多是以上多個原因綜合影響的結果，在實際的投訴案例中，需在軌行區(qū)、投訴敏感點入戶調研和綜合測試評估的基礎上綜合考慮振動源-傳播路徑-接受體等因素的基礎上綜合分析。

2.4 擾民投訴原因具體分析

參照國內常見地鐵擾民投訴原因分析及敏感點自身情況，對本小區(qū)擾民投訴原因具體分析如下。

（1）軌行區(qū)相關問題分析。通過對軌道焊接接頭不平順、鋼軌剝離掉塊、扣件與混凝土板結等問題進行逐條整治后，小區(qū)居民反饋噪聲稍微減小，但仍明顯聽見室內二次結構噪聲，依然存在擾民問題。故軌行區(qū)相關問題為居民反映噪聲有逐漸增大趨勢的主要原因。

（2）小區(qū)環(huán)境情況分析。本小區(qū)周邊環(huán)境安靜，背景噪聲（16～200 Hz）為21.2 dB（A），列車通過時引起的結構噪聲（16～200 Hz）為27.5～28.2 dB（A），雖絕對綜合噪聲值較小，但列車通過時段比無車時段的噪聲增量較大，最大增加了7 dB（A）。因此，小區(qū)居民比較敏感及小區(qū)噪聲增量較大為本次擾民投訴的主要原因。

（3）投訴小區(qū)房屋為15 層鋼筋混凝土結構，非體量較小的低矮房屋，但從隧道-建筑物地下車庫底板-頂板-建筑物室內的傳遞來看（圖4），基礎、室內振動增加最顯著的頻率為50～63 Hz；地下車庫頂板-底板在此頻率處放大約3.6 dB，從建筑物室外-室內在此頻率范圍又有6.5～7.5 dB 的放大，客廳有15 dB 的放大?？梢耘袛噙@種帶地下車庫的多、高層建筑，由于振動傳遞過程中的局部振動放大尤其是50～63 Hz 輪軌振動的車庫底板-柱頂板結構空腔效應或打鼓效應、房屋共振可能是引起室內振動和二次結構噪聲增大的重要原因。

圖4 隧道-車庫底板-車庫頂板-室內振動傳遞

3 減振降噪整治技術方案

3.1 測試數(shù)據綜合分析和規(guī)律研究

隧道內振動、建筑物室內振動及二次結構噪聲50～63 Hz 為增加最顯著的頻率，振動噪聲在63 Hz 處出現(xiàn)峰值的原因分析如下。

簧下質量在軌道系統(tǒng)中的振動所引起的力（P2）頻率一般在30～100 Hz，為中低頻，且持續(xù)時間較長，能向上傳遞至車輛，向下傳遞到軌道，成為城市軌道交通環(huán)境振動和二次結構噪聲的主要激勵源。P2共振不取決于列車速度，只與簧下質量和軌道的綜合剛度有關。對于普通扣件整體道床，軌道綜合剛度取決于扣件剛度和間距，我國地鐵線路普通扣件垂向靜剛度為20～40 kN/mm，根據軌道力學計算理論，軌道剛度KG可由下式計算：

式（1）、式（2）中，KG為軌道剛度，kN/mm；f為共振頻率，Hz；K為扣件節(jié)點剛度，kN/mm；a為軌枕間距，mm；E為鋼軌彈性摸量，MPa；I為鋼軌慣性距，mm4；mw為簧下質量，kg。

對于普通整體道床，K= 40 kN/mm，a= 0.5.95 m，EI= 6.26×106N·m2，mw= 644.5 kg，可以計算P2共振頻率f約為63 Hz。

根據圖4可知，降低室內振動及二次噪聲必須降低50～63 Hz 的輪軌振動。限速能起到比較好的效果，但是本條線路繁忙，限速會影響線路整體的運行能力，故本工程不采用限速方案。浮置板道床類減振（如減振墊浮置板、鋼彈簧浮置板等）也可以起到更好的效果，但在不停運的狀態(tài)下改造非常困難且代價很高，目前國內尚沒有在地鐵正線不停運的情況下改造浮置板的成熟經驗。

綜上所述，根據隔振原理和減振措施的可操作性，建議更換成P2共振頻率f不大于40 Hz 的減振扣件。當P2共振頻率f0取40 Hz 時，根據式（1）、式（2）計算可得扣件的靜剛度為11.3 kN/mm。即若要降低隧道內振動、室內振動及二次噪聲在50～63 Hz 頻率范圍內的值，可更換靜剛度小于11.3 kN/mm 的減振扣件。

3.2 整治方案

根據本工程擾民投訴原因分析，該敏感點振動噪聲投訴的解決方案除整治軌行區(qū)軌道狀態(tài)外，還需提高軌道的減振等級，減小相對于背景噪聲的噪聲增加量。減振降噪改造技術方案應在盡可能滿足減振降噪需求的同時，降低既有線改造難度，并確保方案安全可靠。基于此，本次整治技術方案如下。

（1）提高軌道平順性。包括鋼軌打磨、鋼軌焊接接頭狀態(tài)不良地段的整治等。

（2）提升振動敏感點地段軌道減振效果。目前廣泛應用在改造地段的扣件主要有嵌套式減振扣件（靜剛度為11～15 kN/mm）、ZK-1B 扣件（靜剛度為5～10 kN/mm）、雙層非線性壓縮型減振扣件（靜剛度11～18 kN/mm）、浮軌式扣件（靜剛度為5～10 kN/mm）。其中雙層非線性減振扣件比普通扣件高18 mm，需前后順坡、接觸網調整支架高度，在運營線路上利用天窗點進行改造任務較重；浮軌式扣件軌道易出現(xiàn)鋼軌異常波磨現(xiàn)象，不利于后續(xù)養(yǎng)護維修，且可能進一步造成振動噪聲投訴；嵌套式減振扣件可直接替換普通扣件，無需調整線路標高及幾何狀態(tài)、造價便宜且減振效果不小于5 dB。ZK-1B 型減振扣件，可直接替換普通扣件，減振效果不小于8 dB，造價較高。

本次投訴敏感點結構噪聲比背景噪聲（16～200 Hz）增大7 dB（A）左右，居民感受明顯。綜合考慮經濟性、減振效果、可實施性以及對運營的影響等多方面因素，為確保降噪效果，對于近敏感點一側線路，建議采用高等減振扣件，即ZK-1B 型減振扣件（圖5）；對于遠敏感點一側線路，推薦采用中等減振扣件，即嵌套式減振扣件（圖6）。

圖5 ZK-1B 型減振扣件

圖6 嵌套式減振扣件

3.3 整治情況及實測效果

該地鐵線路目前已完成減振整治改造。對改造前后進行了隧道內振動、室內振動和二次結構噪聲進行對比測試，改造前后現(xiàn)場如圖7、圖8所示。

圖7 扣件改造前

圖8 扣件改造后

改造后振動測試數(shù)據：隧道內隧道壁Z 振級VLzmax為60.7 dB；1～80 Hz 室外Z 振級VLzmax為60.5 dB；4～200 Hz 臥室VLmax為48.8 dB；4～200 Hz 客廳VLmax為53.8 dB。

改造后噪聲測試數(shù)據：16～200 Hz 臥室LAeq為26.1 dB（A）；16～200 Hz 客廳LAeq為25.1 dB（A）。改造前后臥室內振動及噪聲對比見圖9～圖10。

圖9 改造前后臥室內振動對比

圖10 改造前后臥室內二次結構噪聲對比

從測試數(shù)據可得到如下結論：改造后的隧道壁Z振級VLzmax減振效果不小于10 dB；減振扣件改造后相對于改造前的室內垂向分頻振動VLmax值減小4.2～7.3 dB，室外Z 振級VLzmax值減小3.5 dB，室內二次結構噪聲減少2.1～2.4 dB（A）；改造后室內二次結構噪聲降至比背景噪聲增加3.9～4.9 dB（A）。

改造完成后，對該小區(qū)進行二次入戶調研，根據居民反饋改造后小區(qū)振動噪聲問題得到明顯改善，振動噪聲基本在居民可接受范圍。從改造后效果可知，二次結構噪聲相對于背景增量控制在5 dB（A）內，基本在居民可接受范圍內。HJ 453-2008《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》的室內二次結構噪聲的評價范圍為10 m，修訂后HJ 453-2018《環(huán)境影響評價技術導則城市軌道交通》室內二次結構噪聲的影響范圍擴大到了50～60 m，此規(guī)范的修訂也使振動噪聲評價時采用相對背景值增量為評價標準，具有可操作性。

4 結語及建議

通過現(xiàn)場調研和測試，找出振動噪聲擾民原因，并采取了針對性的改造措施，即將普通減振扣件更換為減振扣件。改造后小區(qū)振動噪聲問題得到明顯改善，改造效果得到居民的高度認可。對于今后減振降噪設計中，除按照環(huán)評報告中預測的振動噪聲超標量考慮減振降噪措施外，建議根據小區(qū)的類別及環(huán)境適當考慮二次結構噪聲相對于背景噪聲的增量。即雖然振動噪聲預測不超標，但二次結構噪聲值相對于背景噪聲增加量不大于5 dB（A）。本案例采用“現(xiàn)場調研-綜合測試及分析原因-綜合整治措施-調研及后評估”的成功改造模式，可為國內軌道交通沿線振動噪聲投訴類問題的處理提供借鑒。