杭州地铁运营振动与噪音控制关键问题与对策研究
摘 要 本文阐释了城市地铁运营后振动与噪音产生的原因以及其造成的危害，同时选取了几个代表性区间，对杭州地铁运营后将会产生的振动与噪音的危害程度及影响范围进行了实测分析。最后，对杭州地铁运营后的减噪降振工作提出了几点合理的措施。
关键词 杭州地铁 振动 噪音 危害 实测分析 减噪降振 控制标准
中图分类号：X820.3 文献标识码：A
1引言
地铁作为当今社会的新型力量，在有效提高城市空间利用率和方便人们出行等方面发挥着巨大的作用。地铁的主要优点为快速，安全，运载能力强。但纵观国内外的地铁，或多或少都存在着因地铁振动及噪音所对人们及地铁本身造成的危害。杭州作为一个正在高速发展地铁的城市，必须对杭州地铁运营后的减噪降振工作具有一定的远瞻性，在全线开通前提出适当的措施，提出切实可行的控制标准，使地铁更好的造福人民，将其不利影响降到最低。
2地铁运营的噪音与振动成因以及危害
地铁等城市轨道交通的主要振动源为：机车车辆动力系统的振动，通过车轮与轨道结构的动态相互作用，引起轨道结构的振动，这些振动通过地基又传给周围的建筑物；车轮和钢轨长期相互作用都会产生磨耗，轮子可能失圆或产生扁疤，钢轨可能会产生波浪形磨耗，状态不良的轮轨相互作用会使振动加剧。
城市轨道交通振动的危害可能造成的不利影响主要有：机车和客车的平稳性降低，影响舒适度，直接影响列车内的驾驶人员和乘客；过大的振动加速度会造成轨道部件，尤其是钢轨和道床的提前损伤，甚至破坏；钢轨的高频振动将会产生地铁噪声；过大的振动会影响贴近地铁隧道或直接建在地铁隧道上面的建筑物的使用；在某些地段，振动可能使隧道周围的软弱地层（如饱和砂土或粉土）产生液化，严重的地方可能威胁到地铁列车的运行安全，乃至人们的生命安全；振动将会对建筑物产生影响，轻微的会出现墙皮剥落，墙壁龟裂，地板裂缝，严重则导致基础变形或下沉，地铁的运行是一个长期的，每天均持续很长时间的过程，即使不足以在短时间内对建筑物产生明显的影响，长期积累之后，对建筑物的疲劳损伤，安全性能下降等方面的结果如何，都需要进行较为准确的评估。
地铁等城市轨道交通噪声主要有以下三方面的成因：（1）轮轨引起的噪音。轮轨噪声可分为车轮和轨道振动辐射噪声，车轮与钢轨的摩擦声与撞击声以及制动时的尖叫声等，究其产生的原因，是由车辆和轨道的相互作用引起的，产生振动，并向外传送声波，因此可归结为机车本身的动力作用。（2）车辆设备引起的噪声。此类噪声包括牵引电动机，压缩机，发电机和齿轮箱等装置的运行噪声，当列车装有空调装置时，还存在空调噪声。（3）列车运行时的气流噪音。地铁列车在封闭狭长的隧道内高速行驶，会产生强大的气流噪声。车体振动辐射噪声是由车体与空气摩擦而产生的，列车的运行速度愈高，空气动力噪声所占比例愈大，并将以速度的6次方比率增大，另外，列车种类，线路结构等均会对车体的振动辐射噪声产生影响。当列车速度达到200km/h时，才需考虑此气流噪声。
地铁噪声是由空气振动推动粒子以波的形式被耳朵接受的，波的压力转换成离子和电子形式被耳蜗细胞接受，制造刺激，从而被大脑感知为声音。噪声对人的影响是一个复杂的问题，不仅与噪声性质有关，而且还与每个人的生理状态及社会生活等多方面因素有关，噪声级越高，对人的危害性越大，即使噪声级较低，不能直接危害人的健康，但也会影响和干扰人们的正常活动。地铁噪声将会造成人的听觉疲劳或听力损伤，影响人的身体健康，干扰谈话和扰乱睡眠，同时对儿童学习亦会造成危害。
3杭州地铁运营之噪音与振动的危害程度实测分析
3.1对地铁穿过的居民房屋进行振动和噪声测试
运用加速度传感器、拾振器、隧道内列车运行对地面及建筑物的振动影响采用AWA6290A 型环境振动分析仪进行测试，噪声影响采用AWA6270A 噪声分析仪进行测试。
振动测试时间为晚上，噪声测试时间为上午地铁运行高峰阶段，测试时门窗均关闭，减少外界其它干扰；测试的位置为地铁旁某居民楼一楼房间。
而国外大量振动试验表明，振动加速度达65dB 时，对睡觉有轻微影响；振动加速度达69dB 时，所有处于Ⅰ级睡眠状态（轻睡）的人将被惊醒。振动加速度达74dB 时，除Ⅲ级睡眠状态的人，一般情况下，Ⅰ级和Ⅱ级睡眠状态（熟睡）的人将被惊醒。
表1 一楼某室地面振动测试结果
表2 地震烈度与人体感觉对照表
表3 城市各类区域振级控制标准
根据测量数据，列车运行时该居民楼底层地面振动振级VL10 小于65 dB，达到城市区域环境振动标准中对住宅区的环境要求，但振动振级VLmax 大于65dB，对睡觉有轻微影响。
4杭州地铁运营的减噪降振措施
4.1地铁振动控制措施
地铁列车运行时引起车辆对轨道产生冲击，传递到轨道结构，再通过隧道结构传递到周围土层，进而激发临近建筑物或构筑物（地面和地下）产生振动，这种振动可能诱发室内结构的振动。根据地铁振动的产生，传播和作用特点，其对周围环境的影响可以分为三个阶段：（1）振动产生阶段，即列车车轮对轨道的冲击产生激励；（2）振动传播阶段，即振动通过轨道基础和衬砌结构向周围土介质和地面传播；（3）振动作用阶段，即振动作用在沿线地面建筑上，进而诱发建筑结构的振动和噪声。
地铁运行产生的振动主要是以波的形式通过隧道结构和周围地层传播。因此，根据上述建筑物对地铁振动的响应分析，针对地铁减振措施的研究主要从三方面出发：降低振源的激振强度，切断或削弱传播途径上的振动，对需要减振的对象进行被动隔振等。
4.1.1振源的控制
针对振源的减振措施是最直接的方法，这是治本治源的措施。由于地铁列车的振源强度一般主要由列车和钢轨以及两者之间的接触关系确定，因此采取的措施有：（1）列车方面：车辆轻型化，车轴配置合理变更，车轮平滑化。实验证明，车辆载重的减小可使得受影响建筑振动幅度有所降低；径向转向架的使用则使轮轴始终处于曲线的径向位置，使车轮能够顺利通过曲线，从而减少轮轨的磨耗并且减小噪声；而采用弹性车轮，阻尼车轮和车轮踏面打磨等车轮平滑措施，可有效降低车辆振动强度。（2）钢轨方面：选择合理的轨道结构类型，采用阻尼钢轨，重型钢轨和无缝焊接长钢轨，钢轨表面定期打磨，钢轨接缝处加强保养。
4.1.2对振动传播途径的控制
地铁振动是通过轨道结构-道床-隧道结构-地层传递到建筑结构上，导致楼板，墙体门窗，家具等的振动，因此在振动传播的途径上加以控制是一项非常有效的减振隔振措施。
（1）采用合适的道床和轨道结构型式，增加轨道的弹性。根据日本铁路的研究经验，轨道结构（包括基础）所产生的振动能量占全部振动的35%左右。轨道结构既作为振源，又是传播途径中的一个重要环节，直接影响最终的振动效应，地铁一般都采用整体道床，其中有包套式短枕整体道床，塑料短枕整体道床，浮置板式整体道床等。这几种道床型式都可以有效改善轨道的不平顺状况，减轻列车的振动，降低线路的噪声。一般来说，从减振效果来说，碎石道床优于整体道床，但碎石道床稳定性差，养护工作量大，自重大，轨道建筑高度较大且道床易污染，因此宜采用整体道床。其弹性不足的问题可以利用减振效果好的弹性扣件或其它减振措施弥补。整体道床中浮置板式整体道床减振效果显著，尤其是低频减振效果更好。值得指出的是，无论是碎石道床还是整体道床，都可在碎石或凝土板底面设置橡胶减振垫，减振效果可达10-15dB。
（2）采用合理的隧道结构形式，适当增加隧道埋深和隧道厚度。隧道结构型式，断面大小，埋深和质量都会影响到振动的强弱。研究表明矩形隧道由于边角折射，振动比马蹄形和圆形略大；隧道断面越大，振动越强；由于传播距离作用，隧道埋深越深减振效果越好；同理，隧道衬砌厚度越大，地面减振效果越好（同样条件下，隧道的厚度加倍时，隧道壁振动降低5-8dB）。
（3）屏障隔振。为阻止表面波的传播，可采取切断振动传播途径或在传播途径上削弱振动的措施。屏障隔振是一种常见的隔振方法，用来阻碍或改变振动波向屏蔽区域的传播。这些隔振方法具有造价低，不易损坏等优点，是地面轨道交通隔振的有效措施，目前有两种隔离模式：弹性基础，减振沟和减振墙。弹性基础对较高频段的振动隔振效果较好，但是由于弹性基础的存在，会放大轨道上的最大低频速度和加速度，所以并不是很理想的方法。一般来说，减振沟越深，其有效隔振频率的下限就越低，减振效果就越好，它们可以完全切断振动波的传播，只要沟的深度足够，就可以获得理想的隔振效果。减振墙，主要是在地层下打入柱桩，形成柱列和柱阵，减振效果显著。有试验表明，减振墙的板质，厚度和深度对减振效果均有影响。采用这种措施防止地铁振动对沿线建筑的干扰，在国外已有成功案例。
4.1.3对敏感建筑物减振隔震
地铁引发的振动和噪声一般主要是通过地基振动和空气噪声对周围建筑物产生影响。其中，建筑物基础振动导致地板墙体，梁柱，门窗和家具等振动而在建筑物内产生可听声，称为二次结构噪声。地铁引发的二次结构噪声频率范围一般在20-200Hz，峰值一般出现在20-80Hz，声级在35-45dB。因此，要减小敏感建筑物受地铁振动的影响，建筑物本身可采取的隔振措施如下。
（1）规划地面建筑到隧道的水平距离。从上述地铁振动的传播特性可见，地铁运行产生的振动在地面水平传递时在不同方向上均存在一个振级的放大区域，例如（下转第160页）（上接第158页）垂直于轨道的地面水平方向约在轨外60m左右。因此，可以根据振动传播的这一特点，在地铁两侧的建筑布局上，应注意避让振动放大区，对保护敏感建筑将非常有利。
（2）采用合理的基础和结构型式。地铁振动的影响与建筑物基础和结构形式有很大关系。地基弹性很大程度上影响着建筑物对振动的感应程度，地基刚性越强，建筑物的振动响应越低。合适的结构型式对减振也是非常有帮助的。通常，轻型框架结构的振动衰减很小，而重型框架结构的振动衰减较大。此外，对于有地下室的建筑而言，地下室受振动的影响最大，而对其他楼层的影响则要相对较小。
（3）加装屏障隔振装置。除了前述的隔振措施以外，还可以在建筑结构上安装隔振装置。房中房是隔振要求较高的建筑常采用的方法。房中房是在房间内建造一个与外房间结构没有任何刚性连接的房间，振动将被彻底隔开，因此室内几乎不受外界影响，但造价较高。
4.2地铁噪音控制措施
降低噪声一般应从两个方面考虑，即控制噪声源和噪声的传播途径。
（1）控制噪声源。降低噪声源是控制噪声污染根本的有效的方法。降低轮轨噪声源强度可以从以下方面着手：车辆轻型化，车轮平滑化，采取轨道结构减震措施，适当控制地铁列车运行速度。另外，降低车辆设备噪声源的主要途径是：应降低转速，减小功率，改善平衡，减少峰值加速度，避免结构共振限制或减小撞击，改进润滑情况，选用低噪声部件，改变工艺和操作方式等。此外，通过车站广播用扬声器的位置与朝向的调整可以对声音的指向性进行控制，以达到低音量而语言清晰的作用，从而降低广播噪声。
（2）控制噪声的传播途径。对噪声的传播途径的控制一方面可采取吸声的方式，如通过在墙壁布置吸声材料（如超细玻璃棉毡等耐火且500Hz中高频吸声性能好的材料），以降低隧道内的混响声；通过使墙面粗糙以减少声音反射来削弱回声等。另一方面，可采用隔声的方式，如设置声屏障是降低城市轨道交通噪声的一种有效措施。目前使用的屏蔽门不仅能起到一定的隔声降噪作用，还可以降低地铁空调环控系统的能耗。一般的屏蔽门可降低18dBA的列车噪声，而于轨道交通的全封闭隔声屏隔声量一般可达30dBA以上。
5结语
（1）杭州地铁运营后将会产生的振动与噪音的危害程度及影响范围虽然不是十分显著，但在一定程度上仍干扰了人们的日常生活。使人感到不适和心烦，甚至还会影响到人们的睡眠、休息和学习。故加强对振动及噪音对人们的危害的认识，寻找改进的措施是十分必要的。
（2）在今后地铁的建造中，要求勘察、设计、施工人员不但要从安全方面考虑，也要考虑振动及噪音对人们的生活的影响，对杭州地铁进行近一步的完善。
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