地鐵沿線建筑環(huán)境振動(dòng)及減振措施效果研究

張婧，鄔玉斌，宋瑞祥，何蕾，劉必?zé)?，吳?/p>

（北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054）

1 引言

為緩解交通擁堵，國內(nèi)各大城市都在積極發(fā)展公共交通系統(tǒng)，其中地鐵交通以其方便、快捷、準(zhǔn)時(shí)、載客量大等優(yōu)點(diǎn)，成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ摺５罔F在給人們?nèi)粘３鲂袔肀憷耐瑫r(shí)，也會(huì)引起環(huán)境振動(dòng)及噪聲污染[1～4]。隨著城市軌道交通線網(wǎng)逐漸加密及城市用地日益緊缺，地鐵線路距離建筑物越來越近，如何采取有效措施，盡量減小地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)及噪聲影響，確保周邊建筑能夠滿足相應(yīng)的振動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求，在提高土地開發(fā)利用率的同時(shí)也能提升周邊建筑內(nèi)居民的舒適度，已成為地鐵周邊物業(yè)開發(fā)急需解決的問題。

為解決地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)噪聲污染問題，從根本上還是要對(duì)地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律以及受振體的響應(yīng)特點(diǎn)，減振降噪可以從振源[5、6]、振動(dòng)傳播路徑[7、8]和受振體[9、10]三方面采取對(duì)策。隨著城市用地逐漸緊缺，建筑物和軌道交通線路距離越來越近，甚至出現(xiàn)線路下穿建筑的案例。對(duì)于這種軌道交通線路附近的近距離建筑物而言，單一的振動(dòng)源強(qiáng)減振措施一般無法滿足需求，而傳播途徑減振措施又會(huì)受到城市地下管網(wǎng)的限制，這使得受振體自身防護(hù)成為治理軌道交通運(yùn)行所致近距離建筑振動(dòng)超標(biāo)量大時(shí)的重要途徑，并因此成為研究熱點(diǎn)。

本文以北京某地塊臨近地鐵線路的建筑物為例，采用類比測(cè)試和數(shù)值仿真相結(jié)合的研究方法，對(duì)地鐵運(yùn)行下建筑物室內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并對(duì)建筑物自身減振措施進(jìn)行效果預(yù)測(cè)。

2 項(xiàng)目概況

選取北京某地鐵線路周邊建筑為研究對(duì)象，該建筑的結(jié)構(gòu)邊線距軌道中心線7.2m，建筑物與線路平面位置關(guān)系見圖1。該建筑物為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，建筑層高2.9m，地上22層，地下部分2層，通過通道與地庫連接。地鐵線路目前尚未開通運(yùn)行，線路擬采用列車類型為A型車8輛編組，通過時(shí)速為89.4km/h。區(qū)間隧道為單線單洞馬蹄形隧道，地鐵軌面距地面約21m。地鐵線路擬采用特殊減振——液體阻尼鋼彈簧浮置板道床措施。

圖1 建筑與線路相對(duì)位置關(guān)系

3 地鐵振動(dòng)影響預(yù)測(cè)分析

由于線路尚未開通運(yùn)行，先選取與本項(xiàng)目地鐵線路條件相似的其他營運(yùn)地鐵線路進(jìn)行實(shí)測(cè)，采用類比實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)地鐵運(yùn)行引起該建筑的室內(nèi)振動(dòng)情況。

3.1 地鐵振動(dòng)源強(qiáng)類比測(cè)試

根據(jù)地鐵線路條件選取相似線路進(jìn)行實(shí)測(cè)，類比線路與本項(xiàng)目振源線路類比性分析見下表。由下表可見類比振源與該項(xiàng)目源強(qiáng)在多數(shù)類比因素上具有一致性或相似性，車速差異通過《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》[11]附錄D提供的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正。對(duì)類比線路源強(qiáng)展開實(shí)測(cè)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，確定68.5dB作為本文的參考隧道壁源強(qiáng)最大Z振級(jí)。

該項(xiàng)目與類比線路參數(shù)對(duì)比表

3.2 地鐵振動(dòng)影響數(shù)值仿真分析

3.2.1 建立模型及確定荷載

參照實(shí)際工程結(jié)構(gòu)建立“隧道—土層—建筑物”有限元模型，見圖2。土體采用實(shí)體單元模擬，建筑樓板、剪力墻等結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，鋼軌及梁柱采用梁單元模擬，扣件采用彈簧單元模擬，土層參數(shù)按照實(shí)際地勘資料確定。模型四周及底部邊界處設(shè)置黏彈性人工邊界以滿足半無限空間的單向輻射條件。

圖2 隧道—土層—建筑三維有限元模型

輪軌力采用類比斷面鋼軌加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算反演求得，輪軌力時(shí)域及頻域曲線見圖3。

圖3 輪軌力時(shí)程曲線及頻譜分布

3.2.2 仿真模型校驗(yàn)

提取靠近該建筑隧道洞壁處四個(gè)節(jié)點(diǎn)的豎向加速度值，經(jīng)計(jì)算得最大Z振級(jí)，見圖4。由圖4可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合，模型精度較為可靠。

圖4 隧道洞壁處拾振點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)建筑與源強(qiáng)的相對(duì)位置關(guān)系，選取靠近地鐵線路一側(cè)單元各層中六處典型位置作為拾振點(diǎn)提取豎向加速度值，位置見圖5。

圖5 建筑物室內(nèi)拾振點(diǎn)位置

3.2.3 建筑物環(huán)境振動(dòng)仿真結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，該建筑室內(nèi)各樓層所有拾振點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值為0.001 9～0.018 2m/s2。圖6所示為各樓層所有拾振點(diǎn)的平均加速度有效值隨樓層變化的情況。由圖6可知，樓板的平均振動(dòng)加速度有效值隨樓層增高大致呈先降低后升高的波動(dòng)分布規(guī)律。

圖6 建筑物振動(dòng)加速度有效值隨樓層變化趨勢(shì)

4 振動(dòng)控制措施效果分析

為提升居住品質(zhì)，對(duì)該建筑進(jìn)行基礎(chǔ)隔振設(shè)計(jì)。在原模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了建筑基礎(chǔ)減振措施有限元模型，隔振材料通過實(shí)體單元進(jìn)行模擬，隔振材料—建筑有限元模型見圖7。其中減振墊材料為聚氨酯彈性材料，根據(jù)基底壓力應(yīng)確定減振墊型號(hào)及厚度。減振墊鋪設(shè)位置見圖7。模型拾振點(diǎn)位置與建筑物基礎(chǔ)不鋪設(shè)減振墊時(shí)位置相同（見圖5）。

圖7 隔振材料-建筑物有限元模型

經(jīng)計(jì)算，鋪設(shè)減振墊后各樓層所有拾振點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值為0.001 2～0.011 3m/s2。圖8為建筑物各樓層鋪設(shè)減振墊前后的平均加速度有效值的對(duì)比圖，由圖8可看出，實(shí)施減振措施后，所有樓層室內(nèi)的平均振動(dòng)加速度有效值均有不同程度降低，相比未鋪設(shè)減振墊下降。

圖8 各樓層減振量

5 結(jié)論

綜合采用類比測(cè)試和數(shù)值仿真法對(duì)北京市某地鐵線路周邊建筑進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)和控制措施效果分析研究，結(jié)論如下：

（1）采取振動(dòng)控制措施前，建筑室內(nèi)振動(dòng)加速度有效值為0.001 9～0.018 2m/s2，建筑物樓板的平均振動(dòng)加速度有效值隨樓層增高大致呈先降低后升高的波動(dòng)分布規(guī)律。

（2）為進(jìn)一步提升居住品質(zhì)，在建筑物基礎(chǔ)鋪設(shè)減振墊。采用控制措施后，建筑物室內(nèi)振動(dòng)加速度有效值為0.001 2～0.011 3m/s2，各樓層的平均振動(dòng)加速度有效值都有不同程度下降，相比未鋪設(shè)減振墊時(shí)最大下降47%，控制措施效果較為明顯。

該研究成果可為類似工程的臨近地鐵建筑物受地鐵振動(dòng)影響預(yù)測(cè)分析及受振體減振措施設(shè)計(jì)提供參考。