5.1.2 振动评价及振动控制方式
1.城市轨道交通振动的评价指标
首先进行振动测试。城市轨道交通振动评价指标主要有振动频谱、振动的1/3倍频程、振级和减振量等，见图5.2。
图5.2 振动测试
（1）振动频谱。
振动频谱是指复杂振动可以分解为许多不同频率和不同振幅的谐振，这些谐振的幅值按频率排列的图形。频谱分析是指利用傅立叶变换，将振动信号分解，按频率顺序展开，建立振动响应与频率的函数关系，以对信号进行研究和处理的一种过程。通过现场实测或由结构动力学分析中的有限元方法，获得各频率对应的最大振动响应值，再以频率为横坐标，振动响应为纵坐标，绘制出相应的曲线，即得到振动的频谱图。
（2）振动的1/3倍频程。
对包含多种频率成分的复杂环境振动而言，常以1/3倍频程进行评价。1/3倍频程是指评价振动时各频率段的范围，即相邻的两个1/3倍频程中心频率之比为21/3，并且每一个1/3倍频程的上下两端截止频率之比也为21/3。
（3）振级。
各个国家的研究人员多采用振动加速度和振动加速度级作为振动评价的指标，在研究振动对建筑物和设备等的影响时，常以位移和振动速度等物理量作为评价指标。我国的《城市区域环境振动标准》（GB 10070—1988）和《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453—2018）等采用振动加速度和振动加速度级作为评价指标。
①振动加速度级。
振动加速度级按式（5.1）定义，记为VAL，单位为分贝（dB），是加速度与基准加速度之比的以10为底的对数乘以20。
式中：a——振动加速度有效值，m/s2；a0——基准加速度，a0=10-6 m/s2。
②振级。
按国际标准《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》（ISO 2631-1：1997）规定的全身振动不同频率计权因子修正后得到的振动加速度级，简称振级，单位为分贝（d B），记为VL，如式（5.2）。
③Z计权振动加速度级VLZ。
按《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》（GB/T 13441.1—2007）规定的全身振动Z计权因子修正后得到的振动加速度级，简称Z振级，记为VLZ，单位为分贝（d B）。
④最大Z振级VLZmax。
在规定的测量时间T内，Z振级最大值，记为VLZmax，单位为分贝（dB）。
⑤分频最大振级VLmax。
分频最大振级即为1/3倍频程中心频率上的最大振动加速度级。
（4）减振评价量。
减振评价量参照《浮置板轨道技术规范》（CJJ/T 191—2012）要求，频率考虑范围为1～200 Hz，测量的量为垂向振动加速度，评价计算的量应为减振措施地段与普通整体道床地段隧道壁比较时分频振级均方根的差值ΔLa、分频振级的最大差值ΔLmax和最小差值ΔLmin。其中减振效果的评价指标应为ΔLa，ΔLmax应为参考量，在减振结构固有频率附近的某个频程出现ΔLmin，并为正值时，ΔLa和ΔLmax应减去该数值或分析原因后重新测量。
按式（5.3）～式（5.5）计算。
式中：VLq（i）——选择没有采取减振措施的地段为参照系，其轨旁测点铅垂向振动加速度在1/3倍频程第i个中心频率的分频振级（dB）；VLh（i）——采取减振措施的地段，其轨旁测点铅垂向振动加速度在1/3倍频程第i个中心频率的分频振级（dB）。
2.国内城市轨道交通振动的评价标准规范
由于我国对城市轨道交通减振方面的研究较晚于其他发达国家，同时因为不同城市的差异性较大，国内没有编制统一的城市轨道交通减振指导标准。目前可供参考的标准主要有《城市区域环境振动标准》（GB 10070—1988）、《城市区域环境振动测量方法》（GB 10071—1988）、《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453—2018）、《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）、《环境噪声与振动控制工程技术导则》（HJ 2034—2013）、《地铁噪声与振动控制规范》（DB11/T 838—2019）和《浮置板轨道技术规范》（CJJ/T 191—2012）等。
对于环境影响评价中的隔振轨道减振效果，应按照《城市区域环境振动标准》（GB 10070—1988）、《城市区域环境振动测量方法》（GB 10071—1988）和《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453—2018）的规定，采用1～80 Hz频率范围内的铅垂方向人体全身振动计权后振动加速度级的插入损失值作为减振效果评价量。《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ 453—2018）中确定的地铁、轻轨的振级环境评价范围为：地下线和地面线为距线路中心线两侧50 m，高架线为距线路中心线两侧10 m。
当评价降低室内二次结构噪声效果时，应符合《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）的要求，测量16～200 Hz频率范围内的铅垂方向振动速度进行对比分析。地下线测点应布置在高于轨顶面1.25±0.25 m的隧道壁处，高架线测点应置于距桥梁中心线水平距离7.5 m的地面，地面线测点应布置在距线路中心线7.5 m处。
当评价隔振轨道产品的减振效果时，应符合现行行业标准《浮置板轨道技术规范》（CJJ/T 191—2012）的规定，采用1～200 Hz频率范围内的铅垂方向人体全身振动计权后分频振级均方根的差值ΔLa、分频振级的最大差值ΔLmax和最小差值ΔLmin作为产品减振效果评价量。地下线测点应布置在高于轨顶面（1.25±0.25）m的隧道壁处，高架线测点应在紧邻隔振轨道一侧的桥面，距离线路中心线（1.5±0.25）m，地面线测点应布置在距线路中心线1.5 m路基处。
《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）中也给出了有关评价轨道减振降噪的方法，提出为了减少轨道沿线复杂的环境因素对减振降噪效果评价的影响，应在邻近减振降噪措施的地点进行振动测量，据此可以直观地评价轨道减振降噪的效果。例如，在圆形的盾构隧道内，其埋深、周围地质条件和线路情况相似，列车匀速经过两个在隧道壁上高度相同而里程不同的测点，其中一个测点对应的地段采用普通轨道结构，另一个测点的轨道采用减振降噪措施（减振扣件、弹性轨枕或浮置板道床）。两个测点铅垂方向振动加速度级的差值就是轨道减振降噪措施在该地段取得的效果。
3.城市轨道交通振动的控制方式
为降低城市轨道交通引发的环境振动或控制振动的不利影响，可以在振动的产生阶段降低振源的激振强度、振动的传播阶段切断传播路径或在传播过程中削弱振动，同时做到合理规划城市轨道交通线路以避让敏感区。如图5.3所示，振动控制方式有三种：振源减振、路径减振和建筑减振。
（1）规划控制措施。
图5.3 振动控制方式分类
有研究表明，城市轨道交通列车运行引发的环境振动在地表传播时各方向上均存在一个振动放大区，其中水平方向的振动放大区在轨道外侧30 m左右，铅垂方向上为轨道外侧60 m左右。根据这一特点，已有城市轨道交通线路两侧新规划的建筑物其位置应远离振动放大区域，城市轨道交通线路在居民聚集区下穿越时应注意振动放大区对敏感建筑的避让。新规划的城市轨道交通线路沿线建筑物应以基础结构牢固的框架结构建筑物为主，避免通过基础较差的老旧房屋；已有城市轨道交通线路两侧避免规划建造轻质结构或基础较浅的房屋，且为防止新建建筑物的固有振动频率与城市轨道交通振动频率一致，应对建筑物的振动特性进行合理设计，以免发生共振。
另外，当无法避免在敏感建筑物附近修建城市轨道交通时，可以通过加大城市轨道交通隧道的埋深和隧道壁厚度，利用传播过程的衰减来降低振动；在轨道交通的规划布局中，还可利用高大非敏感建筑物和河流等来隔绝振动，充分考虑利用振动波的天然屏障。
（2）车辆振动控制措施。
由于城市轨道交通的车辆系统直接影响其运行引发的环境振动的大小，对城市轨道交通车辆系统的组成部分进行减振设计可达到控制振动的显著效果。
①弹性车轮。
有研究表明，采用弹性车轮可使40～50 Hz的隧道壁低频振动减少4～10 dB。因此，从源头主动减振可使用弹性车轮、阻尼车轮等特性车轮，并定期修整轮轨踏面，经常润滑轮轨踏面。
②轻型化车辆。
城市轨道交通车辆的总重量是影响城市轨道交通振动尤其是低频振动的重要因素，空载车辆和重载车辆对沿线地表环境的振动影响有很大差异。有研究表明，城市轨道交通车辆轻型化可使沿线受影响建筑的振动幅度降低，另外，减轻车辆的簧下重量，避免车辆与轨道发生共振，可降低振动强度5～10 dB。
③非悬挂质量。
非悬挂质量包括城市轨道交通车辆的车轮、车轴、牵引马达和变速器。有研究表明，非悬挂质量减少一半，由城市轨道交通车辆引发的环境振动可降低6 dB。
④直线电机。
直线电机的特点是不产生齿轮转动的振动和噪声，还具有低成本、节能和便于维护等优点。目前全球有多个国家的城市轨道交通线路采用了直线电机运载系统，其中广州地铁四号线是我国第一条率先使用直线电机的城市轨道交通线路。
⑤运行速度。
有资料表明，城市轨道交通列车运行的速度直接影响振动传播速度，当列车以接近或超过瑞利波速的速度运行时，建筑物地基振动强度会比低速运行时高很多。因此，应根据城市轨道交通线路所处的地质条件，合理确定城市轨道交通列车的运行速度。
（3）轨道系统振动控制措施。
轨道系统的振动控制措施主要从道床结构、钢轨及扣件等方面着手。
①道床结构振动控制。
城市轨道交通道床可分为整体道床和碎石道床两种。从减振效果看，碎石道床比整体道床可降低振动2～3 dB。但是由于碎石道床具有施工工程量大、稳定性差、维护及养护工作量大且易污染等缺点，综合工程各方面的实际考虑，城市轨道交通线路一般采用整体道床，其弹性不足的问题可通过弹性扣件或其他减振措施进行弥补。
整体道床可分为轨枕式整体道床和无轨枕式整体道床两种。有研究表明，无轨枕式整体道床要比轨枕式整体道床的振动源强大。另外，为提高道床的减振性能，在减振要求较高的地段可以采用弹性整体道床，即在轨枕与道床间铺设橡胶减振套来吸收和隔绝振动。从上海地铁、广州地铁多年的实际运营情况看，弹性整体道床的减振效果比一般整体道床好。
除了弹性整体道床，对特殊减振要求的敏感地段可采用浮置板式道床。浮置板式道床大体可分为钢弹簧浮置板道床和橡胶浮置板道床两种。钢弹簧浮置板道床是通过将整体道床块放置于由柔性弹簧构成的隔振器上，组成质量弹簧隔振系统，提供足够的惯性质量以抵消城市轨道交通车辆运行产生的动荷载来达到减振效果。有研究表明，钢弹簧浮置板道床可减轻振动20～30 dB，只有少量残余的动荷载和静荷载能够通过该隔振系统传递到隧道基础，尤其对低频振动，减振效果明显。
橡胶浮置板道床的减振原理是通过在道床下面及两侧设置橡胶支座来吸收城市轨道交通车辆运行产生的动荷载，以达到减振目的。根据板下橡胶支承方式的不同，可将橡胶浮置板道床细分为整体支承、线性支承和分布式支承三种。广州地铁1号线体育中心站—体育西路站区间段就采用了橡胶浮置板道床。运行期间实测结果显示，橡胶浮置板道床的减振效果要比普通整体道床高出13～15 dB，但对频率小于50 Hz的振动，隔振效果不理想。
②钢轨振动控制。
城市轨道交通车辆产生的振动源强大小与轨道平顺与否有密切关系，因此，轨道转向时应尽量避免小半径曲线，采用灵活转向架，无法避免时应在小半径转向曲线轨道的侧轨面涂润滑油，在有效减轻钢轨磨损的同时还可以降低摩擦噪声的影响。另外，为保持钢轨表面的平顺度，应定期对其进行打磨，同时镟圆车轮，提高圆顺度。
有研究表明，当城市轨道交通车辆通过轨道交接处或道岔等特殊轨道接触点时，振动将增加10～15 dB，另有研究表明，城市轨道交通车辆在钢轨交接处产生的振动是非交接处的3倍，由此可见，减少线路上的钢轨接头，铺设无缝线路，可大幅度降低城市轨道交通振动的源强。
有研究发现，重型钢轨相比轻型钢轨受到的城市轨道交通冲击振动要小，另外，重型钢轨还具有稳定性强，维护、养护工作量小，可降低车辆能耗等优点。
除了钢轨自身的振动控制措施，在减振要求较高的敏感线路段还可配置钢轨吸振器，其原理是根据减振要求配置相应的阻尼弹簧振动系统，使之把某一频率范围内的振动能转化为热能耗散到周围空气中去，达到减振效果。
③扣件振动控制。
扣件是轨道系统的重要组成部分，其在防止钢轨横、纵向位移和倾翻的同时，还可增加整体道床的弹性，起到一定的减振作用。目前，对于一般减振要求的线段国内通常采用的扣件类型有DTⅠ～DTⅦ型、WJ-2型、弹条Ⅱ型分开式、潘德罗尔-先锋和单趾弹簧扣件等；对于减振要求较高的地段常用的扣件类型有科隆蛋减振器（可减少3～5 dB）、改进型科隆蛋减振器（可减少7～8 d B）和新型减振弹性扣件等。
根据我国生态环境部环境工程评估中心及中国铁道科学研究院等相关单位的研究成果，各种轨道系统减振措施综合应用效果见表5.4。
表5.4 轨道系统减振措施综合应用效果
（4）隧道结构振动控制措施。
城市轨道交通隧道的结构形式及隧道质量影响隧道振动的大小，有研究表明，在隧道材料相同的情况下，隧道厚度增加一倍，隧道壁振动降低5～8 d B。另外，隧道的埋深对沿线地表振动也有较大影响，深度越浅，传至地面的振动越大；埋深越大，传至地面的振动对建筑物影响越小。
（5）受保护建筑振动控制措施。
对于城市轨道交通沿线的建筑物，可以通过隔振和改变建筑结构自振频率以避免共振两个方法来减轻振动污染。
①隔振措施。
为阻止城市轨道交通车辆运行引发的振动向沿线敏感建筑传播，而将城市轨道交通振动源与建筑物隔离开来的方法即为隔振。目前常用的隔振措施有隔振沟和隔振墙。在敏感建筑靠近城市轨道交通一侧或城市轨道交通线路的两侧挖出一条一定深度和宽度的沟槽，灌注水或填充粗砂等颗粒状材料，当振动向隔振沟传播时，会引发隔振沟内填充物质振动，使填充物质之间相互摩擦生热，进而将振动的动能转化为热能辐射到周围环境中，从而达到隔离城市轨道交通振动、减轻对沿线建筑物的影响的目的。另外，还可以在以水为填充物的隔振沟内设置格栅，起到增大阻尼、强化减振效果的作用。
隔振沟深度越大，能够有效隔绝的振动频率就会越低，隔振效果越明显，甚至完全隔断振动的传播。但不是所有的建筑物和城市轨道交通线路周边都适合挖隔振沟，隔振沟的设置有时会受到一些条件的限制，因此，可以考虑利用市政管线的沟渠兼作隔振沟。
隔振墙的效用与隔振沟类似，也是常用的隔振措施。研究表明，隔振墙的减振效果与其材质、厚度和深度均有影响。
②避振措施。
有研究表明，城市轨道交通沿线敏感建筑受振动影响的程度与其自振频率有关，城市轨道交通引发的环境振动频率与建筑物自振频率相差越大，引起该建筑物共振的可能性就越小，建筑物对振动的响应也就越小。因此，通过调整建筑物的质量分布或局部构件的刚度来改变建筑物的自振频率，避开由城市轨道交通车辆引发的环境振动频率，可以减轻对沿线建筑物的振动影响。但是，由于城市轨道交通沿线的敏感建筑均已建成，调整楼板厚度和改变楼板质量分布以调整建筑自振频率的方式并不十分可行，只有在既有建筑进行加固维修时，安装阻尼器等来改变建筑结构的质量和刚度分布，与抵抗地震作用结合起来。