Research on environmental impact assessment of urban rail transit track roughness on vibration source intensity
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摘要:
为研究城市轨道交通不平顺程度的振动环境影响，通过车辆-轨道空间耦合动力学模型和轨道-隧道-土体三维有限元-无限元耦合模型进行仿真，并用振动源强实测数据验证列车运行速度为100~120 km/h、不同轨道不平顺谱条件下的速度修正系数。结果表明：当轨道条件恶劣时，振动环境影响速度修正系数建议值为36.2；当轨道条件一般时，振动环境影响速度修正系数建议值为31.0；当轨道条件较好时，振动环境影响速度修正系数建议值为23.3。
Abstract:In order to study the vibration environmental impact of the unevenness of urban rail transit, by applying the vehicle-track space coupling dynamics model and the track-tunnel-soil three-dimensional finite element-infinite element coupling model, and verified with the measured data of vibration source intensity, the speed correction coefficients under the train speed of 100-120 km/h and different track irregularity spectrum conditions was obtained. When the track conditions were severe, the recommended value of correction coefficient of vibration environment influence speed was 36.2; when the track conditions were normal, the recommended value of correction coefficient of vibration environment influence speed was 31.0; when the track conditions were good, the recommended value of correction coefficient of vibration environment influence speed was 23.3. This research could provide a reference and basis for the evaluation of urban rail transit vibration environmental impact and vibration reduction design.
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近年来，城市水体污染问题虽有所改善，但仍是国家环境治理的重中之重。在各类污染源中，城市非点源已成为仅次于农业面源的第二大面源[1]。由降雨引发的地表径流污染是城市非点源污染的重要来源之一。目前，在我国运营的雨水管道存在不同程度的沉积物累积现象，为了减轻管道末端受纳水体的污染物负荷，必须从雨水管道系统的源头控制污染，降低后续处理工艺的负荷[2]。雨水口是城市排水系统的咽喉，也是城市非点源污染进入水环境的重要通道[3]。对于地表径流中的初期雨水，将其经截污装置去除污染物之后，再进行有效收集与利用，是减少地表径流污染、解决城市水资源短缺的有效措施之一[4]。城镇内雨水口的堵塞，会提高城市道路的积水风险，有可能导致被污染的积水汇入并污染城市水体[5]。因此，建造雨水口截污设施可以从管网源头控制污染并防止管路堵塞，从而有效缓解城市内涝。雨水口截污装置作为路面排水污染控制设施，其结构型式及功能对径流雨水的水质控制尤为重要[6]。
针对雨水口各种截污措施的截污效果，国内学者进行了一系列的研究。如陈莹等[7]结合西安市道路径流水质、水量特征及街道截口设置，设计了一种道路雨水口截污装置——截污挂篮，并研究了其透水性能、工作状态、截污效果及漏循环；陈望等[8]研究了以500、400、350、250、200 g/m2的土工布制成的截污装置对西安市屋面初期雨水的截污效果，发现在不发生溢流的情况下，土工布截污装置可有效减轻屋面初期径流污染负荷，改善屋面径流水质；柳健[9]采用尼龙网和土工布2种截污挂篮，发现其对径流固体污染物具有较好的去除效果。
笔者采用海绵型雨水口截污装置（与传统型雨水口不同的是，该雨水口增加了截污挂篮、导流板、过滤模块等模块化的活动式装置），研究在不同特性材料的过滤模块条件下，海绵型雨水口对悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH4 +-N）、总氮（TN）和总磷（TP）的去除效果，以期为城市地表径流的净化提供参考。
1. 材料与方法
1.1 海绵型雨水口截污装置
海绵型雨水口截污装置结构如图1所示。该装置包括井壁、雨水箅子、截污挂篮、导流板、过滤模块、集泥框、排水管等。雨水箅子对地表径流中的粗大污染物进行初步拦截，稍大的颗粒物被截留于箅子内；雨水及通过雨水箅子的较小颗粒物流至截污挂篮，小颗粒物被截留在挂篮内；而雨水和细颗粒物则通过截污挂篮的孔隙落至井底的集泥框，最后到达孔径很小的过滤模块。细小颗粒被截留于过滤模块一侧，逐渐积聚于集泥框中。当降水量很大，雨水来不及全部通过过滤模块时，过滤模块前的水位会持续上升，直至从过滤模块顶端溢流至另一侧。最终，经过雨水箅子、截污挂篮、集泥框和过滤模块的过滤后，较为清洁的地面雨水通过排水管排至雨水井。
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图 1 海绵型雨水口截污装置结构注：图中数字单位为mm。Figure 1. Sewage interception device of sponge-type rainwater inlet海绵型雨水口截污装置采用模块化设计，构造简单，拆装灵活，检修方便，日常维护工作量较小。海绵型雨水口截污装置的组装工艺如图2所示。
1.2 试验用初期雨水水质
试验用水样取自武汉市洪山区珞狮南路边雨水口和武汉理工大学校园内雨水口，雨水箅子尺寸均为750 mm×450 mm。于2021年6—8月下雨时打开雨水箅子，将雨水挂篮套好袋子放入，收集第5、10、15、20分钟的初期雨水。共采样6次，降水量（以24 h计）分别为15~24.9 mm（中雨）2次，25~49.5 mm（大雨）2次和50 mm（暴雨）以上2次。
2 h内检测雨水的SS、COD、NH4 +-N、TN、TP指标。综合6次采样数据，得到初期雨水水质。根据实际初期雨水的水质，配制人工模拟初期雨水用于后续试验。初期雨水水质和模拟雨水水质如表1所示。
表 1 实际初期雨水水质和模拟初期雨水水质Table 1. Actual initial rainwater quality and simulated initial rainwater qualitymg/L 雨水类型 水质指标 5 min 10 min 15 min 20 min 实际初期雨水 COD 160~200 180~220 150~190 120~160 NH4 +-N浓度 1~3 2~5 0~2 0~3 TN浓度 4~6 5~7 2~4 1~4 TP浓度 0.4~0.6 0.4~0.6 0.2~0.6 0.2~0.4 SS浓度 70~90 70~80 50~80 60~90 模拟初期雨水 COD 175 205 165 135 NH4 +-N浓度 2 4 1.2 2 TN浓度 4.5 6.5 3 3.5 TP浓度 0.6 0.6 0.4 0.4 SS浓度 80 80 75 85 1.3 试验方案及检测方法
土工布由合成纤维通过编织或针织而成，在实际生产中多用于防渗、过滤、排水等[10]。土工布具有良好的机械强度和化学性能，抗腐蚀能力强，在干燥或湿润环境中都能保持较好的强度和抗拉能力，孔隙大小稳定，透水性好，可作为良好的过滤材料[11]。分别采用土工布、不锈钢筛网以及不同材质的滤料过滤模块进行海绵型雨水口截污装置的截污效果研究，土工布和不锈钢筛网采用蒙在集泥框上的方法来探究截污效果，另外采用不锈钢筛网来承托过滤模块中的滤料。具体试验设计如表2所示。
表 2 具体截污试验方案设计Table 2. Specific design of pollution interception test scheme过滤模块 材料参数 土工布 规格分别为100、200、400、600、800 g/m2 不锈钢筛网 孔径分别为0.015、0.030、0.074、0.2、0.5、
1.0、1.5、2.0 mm高炉灰焦粒滤料 粒径为1.5~3.0 mm，密度为0.86 g/cm3 活化沸石滤料 粒径为1.5~3.0 mm，密度为2.0 g/cm3 椰壳生物炭滤料 粒径为1.5~3.0 mm，密度为0.42~0.55 g/cm3 陶粒滤料 粒径为1.5~3.0 mm，密度为2.25 g/cm3 生物炭滤料 粒径为1.5~3.0 mm，密度为0.55 g/cm3 分别将第5、10、15和20分钟的模拟初期雨水倒入海绵型雨水口截污装置中，并检测出水SS、COD、NH4 +-N、TN、TP浓度。用多普勒流量计测得实际初期雨水流速为1.1 m/s，实际初期雨水流量为1.5 L/s。用该数据进行模拟试验，在ϕ300的试验管段横截面积下的平均过流量为1.5 L/s。根据试验得知，雨水入流持续时间为1~5 min，对SS、COD、NH4 +-N、TN、TP的截留效果差别不大，即持续时间为1 min的初期径流雨水试验已经能够模拟实际径流雨水在该海绵型雨水口中的截污效果，故选择持续时间为1 min。根据持续时间和平均过流量，计算得到累计过流量为90 L。
试验中水质指标SS、COD、NH4 +-N、TN和TP的测定参照《水和废水监测分析方法》[12]。
2. 结果与讨论
2.1 土工布截污效果
用土工布作为过滤材料，污染物去除效果如表3所示。由表3可知，土工布的过滤作用使其对SS有较好的去除效果，去除率为58%~64%。其中，规格600和800 g/m2的土工布过滤模块对SS去除效果较好，而规格100、200和400 g/m2的土工布过滤模块对SS的去除率差别不大。可知土工布对SS的去除率与其本身单位面积质量并无太大相关性，原因可能是，当在集泥框表面蒙上土工布，土工布的单位面积质量越大（即厚度越大），其过流流量和流速会降低，在降水量大的时间段，会造成部分来不及过滤的雨水溢流，对截污效果造成影响。土工布过滤模块对COD仅有微弱的去除效果，去除率平均为13%左右，400和800 g/m2的土工布过滤模块去除COD的能力稍微优于其他单位面积质量的土工布，但差异并不显著。土工布过滤模块对NH4 +-N和TN的去除效果微乎其微，去除率仅为3%左右，对TP则基本没有去除效果。可见，土工布适用于拦截污水中溶解态氮、磷浓度不高的雨水，如果实际工程中的雨水径流中溶解态氮、磷浓度不高，则可在集泥框表面蒙上土工布进行截污。
表 3 不同规格土工布过滤模块对污染物的去除效果Table 3. Removal effect of geotextile filter module with different specifications on pollutants规格/(g/m2) 污染物去除率/% COD NH4 +-N TN TP SS 100 13 4 3 0 59 200 12 3 1 0 58 400 14 3 1 0 60 600 13 2 1 0 64 800 14 1 1 0 63 2.2 不锈钢筛网截污效果
用作雨水过滤模块的不锈钢筛网采用平纹、斜纹、密纹等方式编织而成，具有耐磨强度高、使用寿命长等优点，是较为传统的筛分和过滤材料。不锈钢筛网过滤模块的截污效果如表4所示。由表4可知，孔径为0.2、0.5、1.0、1.5和2.0 mm的不锈钢筛网过滤模块对SS、COD、TN、TP几乎都没有去除作用，对SS的最高去除率仅为3%。可见，不锈钢筛网作为过滤模块对污染物的去除效果较差。此外，通过降低不锈钢筛网的孔径至0.074 mm，能在一定程度上提高海绵型雨水口对SS的拦截能力，但对COD、NH4 +-N、TN、TP几乎都没有去除作用。
表 4 不同孔径不锈钢筛网过滤模块对污染物的去除效果Table 4. Removal effect of stainless steel screen filter module with different apertures on pollutants孔径/mm 污染物去除率/% COD NH4 +-N TN TP SS 2.0 0 0 0 0 2 1.5 1 0 0 0 2 1.0 1 3 1 0 2 0.5 0 0 0 0 2 0.2 0 1 0 0 3 0.074 7 1 0 0 22 0.030 8 1 0 0 39 0.015 11 2 1 0 49 将不锈钢筛网孔径降至0.074、0.030、0.015 mm，发现随着孔径的减小，海绵型雨水口对SS和COD的拦截能力也相应提高，0.015 mm的不锈钢筛网过滤模块对SS的去除率达49%，对COD的去除率为11%。较小孔径的不锈钢筛网过滤模块能产生一定的去污效果，但在过滤模块的选择上不仅需要考虑对污染物的降解能力是否满足工程需求，也要考虑其经济性和实用性是否符合工程预算。0.015 mm以上的不锈钢筛网孔隙率低，初期雨水透过所需时间过长，并且容易在雨水口中造成短流，降低截污效果[13]。在水流进入雨水口之后，由于流速缓慢，过滤模块前端的水流容易受到雨水口处垂直向下的水流的冲击，造成水流紊乱，部分断面一旦形成真空状态，就会形成一股上升的气流，带动部分淤泥与水作向上运动，从而降低去污效果[14]。另外，0.015 mm以上的不锈钢筛网成本过高，在实际工程运用中难以满足经济方面的要求。
2.3 滤料的截污效果
过滤模块中的滤料设计一般要满足以下几个基本条件：1）有较好的表面性质和较大的比表面积，以保持滤料的均一性；2）具备一定的孔隙率以保持滤料的透气性和透水性，以防滤料被污染物填充或因为气压升高而形成短流现象；3）有较强的机械强度和一定的防腐蚀能力，防止滤料因水流冲击而受到破坏[15]。本试验在过滤模块中填充高炉灰焦粒、活化沸石、椰壳生物炭、陶粒、活性炭作为滤料，研究其对初期雨水中污染物的去除效果。高炉灰焦粒一般来源于电厂锅炉、各种工业用锅炉和煤矿燃煤等，根据不同来源，含有钛、铝、镁等各种金属元素组分，比表面积较大，有较高的孔隙率，是较好的过滤材料[16]。活化沸石是将天然硅铝酸盐矿石经过多种工艺活化而成，在灼烧时会产生沸腾现象。活化沸石具有独特的物理化学特性，吸附性能强，有利于离子交换，对水中的有害重金属、SS、色度和臭味等都有去除效果，是一种较为理想的新型滤料[17]。活性炭一般分为粉末状和颗粒状，主要用于水的净化、脱氯、去除色度和异味等，具有良好的吸附能力[18]。椰壳生物炭是以优质椰子壳为原材料的一种滤料，具有吸附性能好、强度高等优点。捣碎的椰壳具有较大的极性，比表面积大，有利于SS的附着[19]。陶粒的原材料是黏土或页岩，内部结构呈细密蜂窝微孔状[20]，相较其他滤料最显著的优点是轻质性。
2.3.1 滤料的截污能力
试验采用的市售滤料粒径均为1.5~3.0 mm，厚度均为10 cm。5种滤料的过滤模块对初期雨水中污染物的去除效果如表5所示。
表 5 不同填充滤料的过滤模块对污染物的去除效果Table 5. Removal effects of filter modules filled with different filter materials on pollutants滤料种类 污染物去除率/% COD NH4 +-N TN TP SS 高炉灰焦粒 23 85 47 67 74 活化沸石 48 85 48 0 76 椰壳生物炭 28 14 10 66 77 陶粒 36 76 53 63 75 活性炭 41 86 64 68 82 由表5可见，5种滤料均能有效提高过滤模块的截污效果，尤其是提高了对COD、TN、TP和NH4 +-N的拦截效果。其中，高炉灰焦粒对各种污染物有均衡的去除效果，尤其对TP的去除率相对较高；活化沸石对COD的去除效果在5种滤料中表现最好，去除率达48%，但其对磷污染物几乎没有去除效果；椰壳生物炭对SS、COD、TP的去除效果与高炉灰焦粒接近，但其脱氨能力明显弱于其他4种滤料。陶粒或活性炭作为滤料，能获得比高炉灰焦粒、活化沸石和椰壳生物炭滤料更好的截污效果，且陶粒和活性炭对不同的污染物均有着较好的降解效果。陶粒滤料在达到理想的脱氮除磷效果的同时，也实现了较高的SS和COD去除效果。5种滤料有较高的表面能，具有不规则的多孔状结构，吸附容量较大，过滤周期长，并对初期雨水中污染物有一定的絮凝作用[21]。相对于土工布和不锈钢筛网来说，在初期降水量较少并保证雨水经过填充滤料过滤模块不会溢流的情况下，填充滤料对SS有更高的去除率。
相比普通砂滤料，活化沸石滤料更有利于微生物生长，易于微生物的附着，由于其比表面积大于普通滤料，因此有较高的COD去除率。活化沸石滤料的NH4 +交换容量较高，能够吸附水中的NH4 +，有适宜硝化菌进行硝化作用的条件，故活化沸石滤料对TN和NH4 +-N也有较好的去除效果。活化沸石由天然沸石活化而来，在灼烧过程中会因为表面络合吸附作用和羟基化作用的下降而影响沸石对PO4 3−的吸附作用，甚至导致对PO4 3−的吸附容量几乎降为0。如表5所示，活化沸石对TP没有去除效果。
椰壳生物炭的制备过程要经过热解，随着温度的升高，椰壳生物炭的阳离子交换量降低，NH4 +交换容量较低，因而对TN和NH4 +-N的去除效果不如活化沸石。但椰壳生物炭对PO4 3−保留了较好的吸附性能，对TP去除效果较好。此外，椰壳生物炭颗粒不规则，孔隙结构较发达，对COD也有一定的去除效果[22]。
陶粒具有极好的吸附性能，对COD去除效果较好，而且质地硬，耐冲刷，有良好的物理性状。由于陶粒有着丰富的孔状结构和较大的比表面积，因此截污能力较好。孔状表面有利于微生物挂膜，可有效去除水中COD、TP、TN和NH4 +-N等，截污效果较好[23]。
活性炭为黑色固体，一般由木炭制备，其吸附性能良好，多用于污水处理。一般活性炭表面会聚集微生物，微生物和有机物接触时间较长，对COD的去除效果高于除活化沸石外的其他滤料，对初期雨水脱氮除磷有着一定的作用，对氮磷元素去除效果较好[24]。在物理吸附和微生物降解的双重作用下，活性炭对各种污染物的去除效果均略优于陶粒。
2.3.2 滤料的经济性
土工布、不锈钢筛网和填充滤料对初期雨水中污染物都有一定的去除效果，但在实际工程中还需考虑经济性和耐用性。对本研究的几种海绵型过滤模块进行价格和使用年限分析（表6），结果表明：每m2土工布的市场售价约为不锈钢筛网的1/10，且在多种工程用途中都有着与不锈钢筛网相当的使用寿命；0.015~0.074 mm的不锈钢筛网价格较高，不适宜在实际工程中大量运用；从城市附近的钢材生产等厂家收购高炉灰焦粒，若是大批量采购且在国家推动去产能、以废治废的相关政策背景下，能达到较低的收购成本；活性炭作为目前给水深度处理中常用的吸附材料，有着较好的截污性能和较高的收购成本，但其市场售价较高。
表 6 过滤模块价格和基本性能分析Table 6. Price and basic performance analysis of filter modules过滤模块 单价 使用年限/a 土工布（规格100、200、400、600、800 g/m2） 1.5~4.0元/m2 2~5 不锈钢筛网（孔径为0.015、0.030、0.074、
0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 mm）25~200元/m2 2~5 高炉灰焦粒滤料（粒径为1.5~3.0 mm） 4~11元/kg 1.5~3.0 活化沸石滤料（粒径为1.5~3.0 mm） 4~14元/kg 1.5~2.0 椰壳生物炭滤料（粒径为1.5~3.0 mm） 6~18元/kg 1.5~2.0 陶粒滤料（粒径为1.5~3.0 mm） 5~13元/kg 2~4 活性炭滤料（粒径为1.5~3.0 mm） 10~22元/kg 2~3 2.3.3 滤料的选择
陶粒的原材料一般为黏土和页岩，制作工艺相对简单，外表坚硬，机械强度大，耐用性强，有着长远的经济效益，其实际采购价格与活化沸石相仿。当实际工程对脱氮除磷要求较高时，不宜选择活化沸石作为滤料。椰壳生物炭价格较高，脱氮效果一般，但对TP和SS的去除效果好，可用于经费充足且雨水中氮浓度低的场景。就去除效果而言，活性炭对各污染物均有较好的去除效果，但其采购成本较高，在实际工程中用于海绵型雨水口的性价比不高。高炉灰焦粒滤料价格最为经济，相较于其他4种滤料，对COD去除效果最差，但对COD之外的其他污染物去除效果较好，适用于对COD去除效果要求不高且预算低的场景。综上，可从污染物截留率、过滤模块耐用性、经费预算、地方污染物排放标准或雨水中污染物浓度等方面，根据实际情况来选择相应的海绵型雨水口过滤模块。
3. 结论
（1）多种海绵型雨水口过滤模块截污效果比较结果表明，土工布对SS有着一定的去除效果，对COD的去除效果微弱，对氮、磷污染物几乎没有去除作用。售价低廉的大孔径不锈钢筛网过滤模块（孔径＞0.074 mm）的截污性能较差，而截污性能较好的小孔径不锈钢筛网过滤模块（孔径≤0.074 mm）则因经济性不高、过流能力弱，难以运用到生产实际中。
（2）在考虑经济性的前提下，高炉灰焦粒、活化沸石、椰壳生物炭、陶粒、活性炭5种过滤材料的海绵型雨水口可灵活运用于不同径流雨水集流截污场景。可根据各地区不同季节的降水量、水质指标和污染物排放标准等，选用相应过滤模块的海绵型雨水口。其中活化沸石和椰壳生物炭适用于对脱氮除磷要求不高的场景或氮、磷浓度较低的雨水。活性炭去除效果好，但成本较高，适用于经济条件好，对污水处理预算较为充足的场景。陶粒具有良好的截污能力和经济实用性，适用于实际经费预算不高，又要求各项污染物去除效果好的场景。
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图 1 车辆-轨道耦合动力学模型示意
Figure 1. Schematic diagram of vehicle-track coupled dynamics model
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图 2 有限元-无限元三维仿真模型
Figure 2. Finite element-infinite element three-dimensional simulation model
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图 3 断面1不同运行速度列车引起基底和隧道壁振动加速度1/3倍频程谱均值
Figure 3. Mean value of 1/3 octave frequency spectrum of vibration acceleration of base and tunnel wall caused by trains with different operating speeds in section 1
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图 4 断面2不同运行速度列车引起基底和隧道壁振动加速度1/3倍频程谱均值
Figure 4. Mean value of 1/3 octave frequency spectrum of vibration acceleration of base and tunnel wall caused by trains with different operating speeds in section 2
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图 5 振动实测与有限元-无限元三维模型仿真源强时域预测结果
Figure 5. Measured vibration and simulated source intensity time domain prediction results of finite element-infinite element three-dimensional model
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图 6 测试断面1隧道壁和基底振动加速度1/3倍频程谱对比
Figure 6. Comparison of 1/3 octave frequency spectrum of vibration acceleration of the tunnel wall and the base of the test section 1
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图 7 隧道壁上的振动加速度信号时域和1/3倍频程谱结果对比
Figure 7. Comparison of vibration acceleration signal in time domain and 1/3 octave spectrum on tunnel wall
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图 8 隧道壁振动源强1/3倍频程谱（美国五级谱+铁科院短波谱）
Figure 8. 1/3 octave frequency spectrum of vibration source intensity of tunnel wall (U.S. fifth-order spectrum + short-wave spectrum of Academy of Iron Sciences)
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图 9 隧道壁振动源强1/3倍频程谱（美国五级谱+ISO粗糙度谱）
Figure 9. 1/3 octave frequency spectrum of tunnel wall vibration source intensity (U.S. fifth-order spectrum + ISO roughness spectrum)
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图 10 隧道壁振动源强1/3倍频程谱（美国五级谱）
Figure 10. 1/3 octave frequency spectrum of tunnel wall vibration source intensity (U.S. fifth-order spectrum)
表 1 不同轨道不平顺激励条件下速度与最大Z振级
Table 1 Velocity and maximum Z vibration level under different orbital irregularity excitation conditions
dB 项目 列车运行速度/（km/h） 80 90 100 110 120 美国五级谱+铁科院短波不平顺谱 75.39 75.93 76.10 77.52 79.00 美国五级谱+ISO粗糙度谱 70.06 71.04 71.65 73.02 73.21 美国五级谱 64.07 64.93 65.84 66.75 67.68 
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表 2 以不同速度为基准的速度修正系数
Table 2 Speed correction coefficients based on different speeds
v/（km/h） v0/
（km/h）CV 美国五级谱+
铁科院短波
不平顺谱美国五级
谱+ISO
粗糙度谱美国
五级谱HJ 453—
201890 80 16.81 16.41 11.80 20 100 80 19.16 18.26 17.33 20 110 100 34.31 27.10 21.98 20 120 100 36.16 30.70 23.26 20
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