地铁振动与噪声对建筑物的影响及控制策略 祝培生

地铁振动与噪声对建筑物的影响及控制策略 祝培生 地铁振动与噪声对建筑物的影响及控制策略 祝培生 王季卿 (同济大学建筑城规学院 上海 200092) The effects and abatements of metro noise and vibration impacts on buildings ZHU Peisheng WANG Ji-qing (School of Architecture and Urban Planning. Tonji University, Shanghai 200092) 1 引言 快速、便捷对大气无污染的地铁在大型城市交通中的地位日益显著。我国起步虽晚，但发展迅速。地铁都要驶经城市中心的建筑密集地区，因此在运行中带来的振动和噪声干扰，已引发为另一类环境污染问题。它是以振动和噪声两种形式干扰人们，对一些声敏感建筑物(如居住区、医院、音乐厅、剧院、博物馆、录音室等)的影响更不可忽视。这里要考虑到两类不同的技术处理方法:一种是地铁建造时上部建筑已经存在，重点考虑降低地铁振动源和传递至上部房屋途径上的措施;二是新的建筑物在已建地铁线路之上，则应考虑在房屋结构上可采取哪些有效控制措施。当然理想的条件是两者都处在设计规划阶段，则可按最合理的技术措施进行，收效最佳。上海即将新建一座离规划建设地铁线很近的歌剧厅，双方规划设计已定，而所在地块又十分紧凑，均无转换余地，这就引起我们对此问题的兴趣。本文拟就国内外对地铁噪声与振动控制的经验，作一评述，对今后工作或有所裨益。 2 振源及地下传播途径的分析 地铁的振动和噪声主要来自轮轨(包括滚动、冲击、啸叫等等)和车辆，通过隧道壁传至周围土壤，又传向地表及建筑物的基础和结构。在这些传递过程中，空气噪声衰减很大，因此不会有太多问题。即使把隧道壁体加厚一倍，提高隔声量5,8dB，对于以米计的土壤距离也无足轻重。在隧道内表面作适当声学喷涂，也会有几个分贝的降噪效果。至于隧道壁体向周 围土壤所传递的振动，不仅衰减很少，而且会出现多种 声波，在不同土层(如岩石层和黏土层、沙质土壤等)中 四向传递时，还会出现折射、反射等现象(图1)，它随距 离的衰减非常重要也很复杂，往往也难以确切估算。例 如同样土壤因含水率不同，传播的衰减量就不同，因此 在不同的季节地铁振动的干扰程度也会有差别，因此这 里只能依靠一些现场调查、实测资料的积累，结合理论 作些半经验性估测。例如有人对伦敦15处地铁1200个 [1]点上的低层住宅内的振动和噪声作了调查，大致上了 解到了该土壤条件下振动随径向距离(7,90m范围)衰 减的情况 (车速约65km/hr)。 [2]许多调查资料表明，引起室内干扰的地铁振动主 图1 地铁振源的传播途 要是200,250Hz的低频，峰值常在60,150Hz范围。 径 隧道深度对建筑物的振动也有影响。深度越深，对建筑物的影响越小，但带来造价、施工、结构、站台的垂直运输等问题，而且不是对所有地方都是可行的。 3 振源的控制 控制振源当然是最根本的措施。原则上讲，能把轨道和路基作最有效的振动隔绝，其它方面就好办得多。常用的“科隆蛋”(国内又称D7-88型轨道隔振器)一般可有10 dB(随条件而异，实际效果大致在5,15 dB范围)，而浮筑轨道基板则可有20dB以上的隔振效果，隔振达到30dB的浮筑基板构造亦已常见。但现在的问题往往不一定属于技术性的，浮筑结构比之科隆蛋隔振的造价会增加2,5倍(前者每公里约150 [3]万元至400万元，后者每公里约80万元)。这在地铁每公里总造价中所占比例应该说不算大，但对于地 面上的建筑及众多使用者来说，受益面却很大，而且从所省去或至少可大大减轻的地面建筑种种隔振措施费用来说，是划得来的。有些问题是必须从全局来考虑和衡量其得失的。 轻型车厢和先进的车架悬挂系统也是降低振动源的一项措施，也许未来的地铁在舒适感方面会提出较高要求，车厢内的振动和噪声降低必然给地面建筑带来好处。 4 振动在建筑结构中的传递与辐射 地铁振动通过房屋基础(包括各种地下层结构)向上部建筑物传递时，以固体声形式向整幢房屋传播，引起干扰范围很大(图1)。我们都有这样的经验，在住宅楼内相隔数层邻居家装修敲打结构带来的干扰，好象就发生在隔壁住户。这种固体声传递即使在高层房屋内亦不少见，它们在建筑构件中的衰减一般不及在各节点处的大，且与所传递的波种类有关。 对不太大房间内空气噪声的测定，一般取空间3-5点的平均值已足够，但是对表面振动测量的选点就不那么简单，亦无相应标准可作参考，往往只能凭经验行事，所得误差会很大，这也是应注意的。 问题的复杂性还在于测得的振动大小，未必与辐射的噪声密切关联。因为不同材质、尺寸和表面的构件辐射效率不同，所产生的噪声就会有很大差异。例如，同样在楼板上各处测得的振动随波节位置变化而 [4]异，更不要说墙壁上测得的振动了。减少辐射是另一项措施。例如巴黎有一座1930年代建造的小电影院，观众厅内长期受地铁带来高达60dBA的噪声于扰，后来将整个顶棚改为弹性吊装，结果使噪声降至35dBA。 有些资料提到在欲保护的建筑四周挖沟、槽沟填沙和排桩等“隔振屏障”措施，从图1可看出对地铁是无补于事的，它们对地面轨道交通也许会有些隔振效果。 5 实例经验的借鉴 上海音乐厅(始建于1931年的南京大戏院，属历史保护建筑)在2000年移位65m后，靠近地铁1号线。在观众厅整体结构下安装了24个隔振器浮筑起来，才使地铁振动干扰得以解决。 北京地铁行经西直门时从两居民塔楼中间地下穿过，隧道壁距塔楼基础只有1.7m左右，属于隔振要求很高的路段，也是采用了钢弹簧浮置板隔振技术才解决了噪声与振动问题。深圳地铁四号线距建筑桩基最近仅1.8m，为减少振动，在此区间的253m双线安装了660个弹簧隔振器后满足了使用要求。 国外在地铁浮筑基板方面已有较成熟经验，在轨道与隔振基板两处同步测量，获得了不少有实用参考价值的资料。对于某些对声音非常敏感的建筑物，如音乐厅、歌剧厅、录音棚等大型房间，也有一些会不惜成本采用“房中房”双套结构型式。成功的例子之一是不久前完工的西雅图Benaroya音乐厅(2500座， [5]1998年)。它地处市中心区，基地之下有两条地铁线经过，地下车库离隧道壁仅7.5m，要求厅内关掉空调系统时也听不到地铁噪声，以满足数码录音的安静标准(约相当于NR-10以下的水平)。整个大厅建筑用双套分离结构来隔绝振动和噪声。所用支承基础钢筋混凝土底板厚达2m，并不完全出于结构需要，而是达到加重质量块的目的。20多米高的大厅内壳，要保持与外壳结构有23cm的空隙，如完全脱开对结构稳定有问题，于是采用了新发明的隔振支撑系统，同时利用这个高高的“缝隙”作为大厅消防排烟通道。所有穿越双套结构的各种管道的隔振措施也是良好效果的保证。在实施这项措施中，除了建筑、结构、声学、环保、施工和设备等专业密切配合外，还要依靠特殊专业顾问，这也是现代工程技术发展的特点。 参考文献: [1] Grear R J, AEL methodlogy for the prediction of re-radiated noise in residential buildings from trains traveling in tunnels. Proc. Inter Noise 93, 483-486. rd[2] Harris C M Ed., Handbook of Acoustical Measurements and Noise Control (3 Edition 1998, ASA),Ch. 46, Rail transportation noise and vibration, by Hanson C E, Saurenman H J, Towers D A. [3] 董霜,朱元清.地铁振动环境及对建筑影响的研究概况[J].噪声振动与控制.2004,(2)1-4.. th[4].Asseliueau M, Train and rail transit noise in cinemas and theatres:case studies.Proc. 16 ICA ,Seattle, 20-26 June,1998,1401-1402. th[5]. Wilson G P,Vibration Isolation Design for Benaroya Hall.Proc. 16 ICA,Seattle, 20-26 June,1998, 1395-1396. 祝培生,1969-,～男～博士～讲师～同济大学建筑城规学院～研究方向:建筑声学。