地铁振动噪声扰民投诉问题原因分析及整治技术研究

段玉振，段海滨，刘鹏辉，刘玉涛，王 豪

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；
2.北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；
3.城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037；
4.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；
5.铁科院（深圳）设计研究院有限公司，广东深圳 518034；
6.烟台业达实业有限公司，山东烟台 264000）

地铁大多位于市区，具有方便、快捷、准时、运量大等优点，它极大地缓解了城市交通拥挤的现状。随着地铁运营线路和里程的逐步增多，线网逐渐加密，地铁线路走向或埋深设计愈加难以绕避一些环境噪声敏感点，此外，由于人们对生活质量的要求越来越高，沿线居民投诉地铁噪声扰民的数量与日俱增。特别是2022年6月《中华人民共和国污染防治法》实施后，地铁列车运营诱发的振动和噪声问题成为公众广泛关注的焦点。因此，地铁运营引发的噪声问题尤其是地下线产生的低频二次结构噪声问题已成为地铁建设及运营面临的主要疑难问题之一。如何分析地铁运营产生的振动噪声投诉的原因并采取有效措施降低对附近居民的影响，成为地铁发展中的一个亟待解决的问题。本文针对某小区噪声扰民投诉问题，通过系统调研、综合测试等手段，分析振动噪声产生的可能原因，针对性地提出地铁既有线振动噪声整治的综合技术方案，解决了既有线运营产生的振动噪声投诉问题，可为类似地铁振动噪声扰民问题提供借鉴与参考。

2.1 扰民投诉敏感点调研

浙江某地铁线路自2019年开通以来，某2016年左右建成的小区居民投诉能明显听见列车通过时的“隆隆声”，普遍反映线路开通运营后产生的振动噪声影响了小区居民的休息和生活，尤其是晚上22 : 00 以后和早晨7 : 00 以前噪声更加明显。地铁公司组织相关人员对该小区进行入户调研。该投诉敏感点为15 层高层建筑，地下一层为机动车停车场和设备用房，周围安静时，现场能清晰感受到列车通过时的二次结构噪声。据小区业主反映，噪声有逐渐增大的趋势，严重影响小区居民的休息和生活。该地铁为单洞单线圆形盾构隧道，线路半径为1 000 m，距离小区最近楼房水平距离约53 m，列车运行速度约70 km/h。对应地质条件为碎块石混黏性土、粉质黏土、淤泥质黏土，现场轨道为普通扣件长枕式整体道床，轨面埋深约22 m，无缝线路。该线路自运营开始就有居民投诉，说明振动噪声不是扣件减振性能衰减产生。通过对敏感点邻近的轨行区轨道几何状态、轨道相关病害等进行详细的调研发现钢轨焊接接头不平顺、钢轨存在剥离掉块、扣件与混凝土板结，现场情况如图1所示。

图1 轨道相关问题

2.2 振动及噪声测试

根据GB 10071-88《城市区域环境振动测量方法》标准，分析列车通过时段的1～80 Hz 的1/3 倍频程中心频率上的最大计权振动加速度级（VLzmax）；
根据JGJ/T 170-2009《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》评估分析4～200 Hz 的VLzmax。对投诉敏感小区一层住宅的室内振动、二次结构噪声及对应隧道内振动源进行现场监测（图2、图3）。测得改造前隧道壁Z 振级VLzmax为72 dB，背景噪声为21.1 dB（A），16～200 Hz 卧室二次结构噪声（LAeq）为28.2 dB（A），16～200 Hz 客厅LAeq为27.5 dB（A）；
1～80 Hz 室外Z 振级VLzmax为63 dB，4～200 Hz 卧室分频振级（VLmax）为53 dB，4～200 Hz 客厅VLmax为61.1 dB。

图2 隧道内振动测试照片

图3 室内测试现场照片

根据测量结果，该敏感投诉点室内振动满足GB 10070-88《城市区域环境振动标准》“居民、文教区”标准（昼间70 dB、夜间67 dB）及JGJ/T 170-2009《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》中1 类区标准（昼间65 dB（A）、夜间62 dB（A））；
室内二次结构噪声满足JGJ/T 170-2009《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》中1 类区（昼间38 dB（A）、夜间35 dB（A））标准限值的要求。

2.3 国内地铁扰民投诉常见原因

通过调研上海、北京、南京等城市地铁敏感点处振动噪声投诉原因，将常见原因归为如下几类。

（1）钢轨波磨加剧轮轨振动而导致振动噪声异常增大,尤其是一些小半径曲线区段（通常R≤500 m）的波磨是影响减振降噪效果的主要原因之一。

（2）轨道减振级别设置偏低、铺设长度不够等。主要是因为后建设的住宅未按环评要求退让距离退让或者规划性质调整而轨道减振措施未相应调整。

（3）扣件减振性能衰减。随着运营时间的增长，扣件垫板逐渐老化弹性变小导致扣件节点刚度增大，从而加大车辆和轨道结构的振动，使得沿线建筑物振动增大或振动频率发生改变，进一步引发室内振动或二次结构噪声问题。

（4）轨道不平顺。道岔区接头轨缝状态不良，存在错台、大轨缝等情况，焊接接头不平顺等；
减振轨道之间或减振轨道与非减振轨道之间过渡段引起的不平顺等。

（5）地质条件。敏感点位于软弱土层时振动衰减较大，位于坚硬土、岩石类中时振动衰减小；
振动在传递过程中存在局部放大。

（6）建筑结构和房间尺寸、装修等。体量小的房屋、轻质隔墙、尺寸较大或不规则的房间更容易产生共振而诱发低频的结构噪声。

（7）人的主观因素和感知差异。一般情况下不能觉察到振动，但是在非常安静的房间内可能听见室内二次噪声；
不同年龄、性别、职业等的人对振动噪声的感知不同。

（8）其他原因，比如车辆的车轮多边形、轮轨不圆等。

振动噪声大多是以上多个原因综合影响的结果，在实际的投诉案例中，需在轨行区、投诉敏感点入户调研和综合测试评估的基础上综合考虑振动源-传播路径-接受体等因素的基础上综合分析。

2.4 扰民投诉原因具体分析

参照国内常见地铁扰民投诉原因分析及敏感点自身情况，对本小区扰民投诉原因具体分析如下。

（1）轨行区相关问题分析。通过对轨道焊接接头不平顺、钢轨剥离掉块、扣件与混凝土板结等问题进行逐条整治后，小区居民反馈噪声稍微减小，但仍明显听见室内二次结构噪声，依然存在扰民问题。故轨行区相关问题为居民反映噪声有逐渐增大趋势的主要原因。

（2）小区环境情况分析。本小区周边环境安静，背景噪声（16～200 Hz）为21.2 dB（A），列车通过时引起的结构噪声（16～200 Hz）为27.5～28.2 dB（A），虽绝对综合噪声值较小，但列车通过时段比无车时段的噪声增量较大，最大增加了7 dB（A）。因此，小区居民比较敏感及小区噪声增量较大为本次扰民投诉的主要原因。

（3）投诉小区房屋为15 层钢筋混凝土结构，非体量较小的低矮房屋，但从隧道-建筑物地下车库底板-顶板-建筑物室内的传递来看（图4），基础、室内振动增加最显著的频率为50～63 Hz；
地下车库顶板-底板在此频率处放大约3.6 dB，从建筑物室外-室内在此频率范围又有6.5～7.5 dB 的放大，客厅有15 dB 的放大。可以判断这种带地下车库的多、高层建筑，由于振动传递过程中的局部振动放大尤其是50～63 Hz 轮轨振动的车库底板-柱顶板结构空腔效应或打鼓效应、房屋共振可能是引起室内振动和二次结构噪声增大的重要原因。

图4 隧道-车库底板-车库顶板-室内振动传递

3.1 测试数据综合分析和规律研究

隧道内振动、建筑物室内振动及二次结构噪声50～63 Hz 为增加最显著的频率，振动噪声在63 Hz 处出现峰值的原因分析如下。

簧下质量在轨道系统中的振动所引起的力（P2）频率一般在30～100 Hz，为中低频，且持续时间较长，能向上传递至车辆，向下传递到轨道，成为城市轨道交通环境振动和二次结构噪声的主要激励源。P2共振不取决于列车速度，只与簧下质量和轨道的综合刚度有关。对于普通扣件整体道床，轨道综合刚度取决于扣件刚度和间距，我国地铁线路普通扣件垂向静刚度为20～40 kN/mm，根据轨道力学计算理论，轨道刚度KG可由下式计算：

式（1）、式（2）中，KG为轨道刚度，kN/mm；
f为共振频率，Hz；
K为扣件节点刚度，kN/mm；
a为轨枕间距，mm；
E为钢轨弹性摸量，MPa；
I为钢轨惯性距，mm4；
mw为簧下质量，kg。

对于普通整体道床，K= 40 kN/mm，a= 0.5.95 m，EI= 6.26×106N·m2，mw= 644.5 kg，可以计算P2共振频率f约为63 Hz。

根据图4可知，降低室内振动及二次噪声必须降低50～63 Hz 的轮轨振动。限速能起到比较好的效果，但是本条线路繁忙，限速会影响线路整体的运行能力，故本工程不采用限速方案。浮置板道床类减振（如减振垫浮置板、钢弹簧浮置板等）也可以起到更好的效果，但在不停运的状态下改造非常困难且代价很高，目前国内尚没有在地铁正线不停运的情况下改造浮置板的成熟经验。

综上所述，根据隔振原理和减振措施的可操作性，建议更换成P2共振频率f不大于40 Hz 的减振扣件。当P2共振频率f0取40 Hz 时，根据式（1）、式（2）计算可得扣件的静刚度为11.3 kN/mm。即若要降低隧道内振动、室内振动及二次噪声在50～63 Hz 频率范围内的值，可更换静刚度小于11.3 kN/mm 的减振扣件。

3.2 整治方案

根据本工程扰民投诉原因分析，该敏感点振动噪声投诉的解决方案除整治轨行区轨道状态外，还需提高轨道的减振等级，减小相对于背景噪声的噪声增加量。减振降噪改造技术方案应在尽可能满足减振降噪需求的同时，降低既有线改造难度，并确保方案安全可靠。基于此，本次整治技术方案如下。

（1）提高轨道平顺性。包括钢轨打磨、钢轨焊接接头状态不良地段的整治等。

（2）提升振动敏感点地段轨道减振效果。目前广泛应用在改造地段的扣件主要有嵌套式减振扣件（静刚度为11～15 kN/mm）、ZK-1B 扣件（静刚度为5～10 kN/mm）、双层非线性压缩型减振扣件（静刚度11～18 kN/mm）、浮轨式扣件（静刚度为5～10 kN/mm）。其中双层非线性减振扣件比普通扣件高18 mm，需前后顺坡、接触网调整支架高度，在运营线路上利用天窗点进行改造任务较重；
浮轨式扣件轨道易出现钢轨异常波磨现象，不利于后续养护维修，且可能进一步造成振动噪声投诉；
嵌套式减振扣件可直接替换普通扣件，无需调整线路标高及几何状态、造价便宜且减振效果不小于5 dB。ZK-1B 型减振扣件，可直接替换普通扣件，减振效果不小于8 dB，造价较高。

本次投诉敏感点结构噪声比背景噪声（16～200 Hz）增大7 dB（A）左右，居民感受明显。综合考虑经济性、减振效果、可实施性以及对运营的影响等多方面因素，为确保降噪效果，对于近敏感点一侧线路，建议采用高等减振扣件，即ZK-1B 型减振扣件（图5）；
对于远敏感点一侧线路，推荐采用中等减振扣件，即嵌套式减振扣件（图6）。

图5 ZK-1B 型减振扣件

图6 嵌套式减振扣件

3.3 整治情况及实测效果

该地铁线路目前已完成减振整治改造。对改造前后进行了隧道内振动、室内振动和二次结构噪声进行对比测试，改造前后现场如图7、图8所示。

图7 扣件改造前

图8 扣件改造后

改造后振动测试数据：隧道内隧道壁Z 振级VLzmax为60.7 dB；
1～80 Hz 室外Z 振级VLzmax为60.5 dB；
4～200 Hz 卧室VLmax为48.8 dB；
4～200 Hz 客厅VLmax为53.8 dB。

改造后噪声测试数据：16～200 Hz 卧室LAeq为26.1 dB（A）；
16～200 Hz 客厅LAeq为25.1 dB（A）。改造前后卧室内振动及噪声对比见图9～图10。

图9 改造前后卧室内振动对比

图10 改造前后卧室内二次结构噪声对比

从测试数据可得到如下结论：改造后的隧道壁Z振级VLzmax减振效果不小于10 dB；
减振扣件改造后相对于改造前的室内垂向分频振动VLmax值减小4.2～7.3 dB，室外Z 振级VLzmax值减小3.5 dB，室内二次结构噪声减少2.1～2.4 dB（A）；
改造后室内二次结构噪声降至比背景噪声增加3.9～4.9 dB（A）。

改造完成后，对该小区进行二次入户调研，根据居民反馈改造后小区振动噪声问题得到明显改善，振动噪声基本在居民可接受范围。从改造后效果可知，二次结构噪声相对于背景增量控制在5 dB（A）内，基本在居民可接受范围内。HJ 453-2008《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》的室内二次结构噪声的评价范围为10 m，修订后HJ 453-2018《环境影响评价技术导则城市轨道交通》室内二次结构噪声的影响范围扩大到了50～60 m，此规范的修订也使振动噪声评价时采用相对背景值增量为评价标准，具有可操作性。

通过现场调研和测试，找出振动噪声扰民原因，并采取了针对性的改造措施，即将普通减振扣件更换为减振扣件。改造后小区振动噪声问题得到明显改善，改造效果得到居民的高度认可。对于今后减振降噪设计中，除按照环评报告中预测的振动噪声超标量考虑减振降噪措施外，建议根据小区的类别及环境适当考虑二次结构噪声相对于背景噪声的增量。即虽然振动噪声预测不超标，但二次结构噪声值相对于背景噪声增加量不大于5 dB（A）。本案例采用“现场调研-综合测试及分析原因-综合整治措施-调研及后评估”的成功改造模式，可为国内轨道交通沿线振动噪声投诉类问题的处理提供借鉴。