城市地鐵地下軌道振動對周邊建筑的影響分析

張開偉,楊靈杰,王世淼,李 輝,聶慶科,智學(xué)美

(1.河北雙誠建筑工程檢測有限公司，河北 石家莊 050031;2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031;3.西部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計院，四川 成都 610041)

1 引 言

地鐵地下線路在運營過程中產(chǎn)生的主要環(huán)境影響為環(huán)境噪聲振動，準確預(yù)測列車運營過程中產(chǎn)生的環(huán)境振動影響是城市地鐵線路環(huán)境影響評價的關(guān)鍵[1-5]。通常人們對于地鐵軌道振動對周邊建筑物的影響的研究方法主要是采用現(xiàn)場測試、受力分析、有限元軟件建模模擬分析相結(jié)合的方法[6]?，F(xiàn)場測試工作，一般針對既有普通及縱向軌道的鋼軌、道床、隧道壁及周邊建筑物采用現(xiàn)場實時監(jiān)測的方法來研究城市地鐵地下軌道運營期間引起周邊環(huán)境振動的衰減曲線、影響范圍及分布規(guī)律，通過獲得的大量數(shù)據(jù)建立起經(jīng)驗及半經(jīng)驗公式，使用這些總結(jié)公式對運營期城市地鐵軌道交通線路對周邊建筑物振動影響的預(yù)測和評估[7，8]。近幾年來，我國很多專家學(xué)者也對此進行了大量的實測研究分析。金學(xué)健等[9]對位于近距離隧道軌道列車同時運行引起的環(huán)境振動進行了研究，建立了近距離平行隧道-地基平面有限元模型，對不同列車荷載組合、不同隧道間距及不同隧道埋深下的地面振動響應(yīng)特點和規(guī)律進行了擬合計算，得到了基于雙列車荷載作用下的地面振動預(yù)測公式；魏鵬勃等[10]進行了地面線路城軌列車引起的自由場地振動分析模型，對模型中不同影響因素進行計算分析，分析列車運行作用于道碴上的力對周邊環(huán)境的影響；謝詠梅等[11]就城市軌道交通地下線路振動環(huán)境影響分析問題展開了深入的研究，分析了地下線路對周邊環(huán)境振動的影響。以上研究對縱向軌枕減振道床軌道的消振分析均未進行，基于此，筆者結(jié)合某城市地鐵項目，實際監(jiān)測了普通整體道床軌道、縱向軌枕減振道床軌道的鋼軌、道床、隧道壁等監(jiān)測點及周邊建筑物在軌道不同距離監(jiān)測點，得到振動數(shù)據(jù)，并對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了梳理研究，分析了縱向軌枕減振道床軌道實際減震效果，提出了周邊建筑物減震的措施。

2 原理分析

依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》進行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理[1]，并采用普通整體道床軌道與縱向軌枕軌道隧道壁振動最大Z振級差值來評價減振效果，即有無隔振裝置情況下的加速度級之差[9]。其計算公式為：

(1)

式中：L1為振動加速度級；a2R為沒有隔振裝置時的響應(yīng)；a2為有隔振裝置時的響應(yīng)。

當L1≥0時，隔振系統(tǒng)起作用；當L1≤0時，隔振系統(tǒng)沒有衰減作用[2]。對式(1)進行變換，引入基準加速度a=10-6m/s2，得到：

分析列車通過時段振動噪聲物理量為最大Z振級VLZmax。結(jié)合《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》及《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》,采用鉛垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)進行計算，計算1～80 Hz范圍內(nèi)鉛垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的Z振級，分析列車通過時的最大Z振級(VLZmax)[3]。評價軌道交通減振軌道的鉛垂向減振效果時，采用減振軌道與普通整體道床軌道隧道壁測點的VLZmax的差值ΔVLZmax[13,14]。

3 監(jiān)測設(shè)備及測點布設(shè)

3.1 監(jiān)測設(shè)備

本次振動測試設(shè)備采用東方振動和噪聲研究所生產(chǎn)的振動主機及傳感器，主要儀器設(shè)備及加速度傳感器技術(shù)指標如表1及表2所示。

表1 測試主要儀器設(shè)備

表2 加速度傳感器技術(shù)指標

3.2 測點布設(shè)

3.2.1 普通整體道床測點

作為對比的普通整體道床軌道的測點有鋼軌垂向振動加速度、道床振動加速度、隧道壁垂向振動加速度與列車速度，普通整體道床軌道的具體振動測點與縱向軌枕軌道測點基本相同，具體布置如圖1所示[12]。

3.2.2 縱向軌枕軌道道床測點

為正確反映縱向軌枕軌道的減振效果，縱向軌枕軌道測點選取了鋪設(shè)縱向軌枕軌道的斷面進行振動測試，并選取了隧道形式、線路條件、列車類型、載重、列車速度等工況基本相同的普通道床的斷面進行對比振動測試，從而得到縱向軌枕軌道減振的效果[13，14]。具體布置如圖2所示。

圖1 普通整體道床軌道測點布置示意圖及實景Fig.1 Arrangement schematic diagram and actual view at the measuring points of the ordinary monorail bed track

圖2 縱向軌枕軌道測點布置示意圖及實景Fig.2 Arrangement schematic diagram and actual view at the measuring points of the vertical sleeper track

3.2.3 周邊建筑物測點布設(shè)

結(jié)合項目特點，對需監(jiān)測建筑物共布置8個振動測點，距離右線線路中心水平距離分別為10 m、15 m、20 m、35 m、40 m、45 m，建筑物臥室和客廳內(nèi)各布設(shè)一個監(jiān)測點。具體測點位置如圖3所示。

圖3 周邊建筑物振動測點布置Fig.3 Vibration measurement point arrangement of surrounding buildings

3.2.4 采集安裝要求

現(xiàn)場振動傳感器采用磁座及膠水安裝，安裝前清除表面污跡。測試時將電纜線固定，以防止由于電纜屏蔽層和絕緣材料間的磨擦產(chǎn)生電荷而引起噪聲。采集設(shè)備采用無人值守的智能化采集系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動觸發(fā)、采集、存儲。

4 測試數(shù)據(jù)分析

該地鐵線路是河北某城市線路網(wǎng)中的東西向骨干線。在設(shè)計階段為了降低列車運行對周圍環(huán)境的振動影響，地鐵線路軌道采用普通道床技術(shù)和先進的縱向軌枕軌道技術(shù)相結(jié)合的鋪設(shè)方式，線路自試運行以來給民眾帶來了極大的便利，但臨近地鐵的附近居民也反映振動較大，運營期間會影響正常作息。當?shù)剀壍拦緸榱私鉀Q這一問題委托筆者對地鐵運營期間引起的振動對周邊環(huán)境的影響進行了調(diào)查和測試，通過測試數(shù)據(jù)為地鐵運營方制定消除對周邊建筑影響的方案提出針對性的客觀數(shù)據(jù)支持。為正確反映縱向軌枕軌道的減振效果，測試分別選取了隧道形式、線路條件、列車類型、載重、列車速度等工況基本相同的縱向軌枕軌道的斷面及普通道床的斷面進行了對比振動測試，得到縱向軌枕軌道減振的效果，同時對居民居住的具體房屋進行振動監(jiān)測。

4.1 普通整體道床軌道及縱向軌枕軌道測試數(shù)據(jù)對比分析

地鐵運營期列車通過時，普通整體道床及縱向軌枕軌道的鋼軌、道床、隧道壁鉛垂向振動加速度典型時域波形和頻譜如圖4和圖5所示。

圖4 普通整體道床及縱向軌枕軌道道床不同監(jiān)測部位時域波形Fig.4 Time-domain waveform diagram of different monitoring parts of ordinary monorail bed and longitudinal sleeper track bed

圖5 普通整體道床及縱向軌枕軌道道床的不同監(jiān)測部位頻譜Fig. 5 Spectrogram of different monitoring parts of ordinary monolithic bed and longitudinal sleeper track bed

圖4顯示運營列車在通過監(jiān)點時，普通整體道床及縱向軌枕軌道的鋼軌、道床、隧道壁鉛垂向各傳感器通道捕捉到的時域波形圖中各監(jiān)測點曲線振動形態(tài)基本一致，不同監(jiān)測點振動幅值由鋼軌經(jīng)過道床向隧道壁逐漸衰減，測點之間衰減幅度以接近10-1～10-2進行衰減，普通整體道床的各個部位測點振動幅值是縱向軌枕軌道振動幅值的2～2.5倍，由此也可見縱向軌枕軌道在振動源頭，且振幅幅值離散分離度縱向軌枕軌道比普通整體道床大，縱向軌枕軌道較普通整體道床更強，易于在震源源頭實施減震措施。

從圖5我們可以看出在頻率域內(nèi)普通整體道床及縱向軌枕軌道的鋼軌、道床、隧道壁鉛垂向各傳感器通道捕捉到的頻率域譜圖中各監(jiān)測點曲線振動形態(tài)隨著與震源距離的不同差異也較大，縱向軌枕軌道單峰峰譜較普通整體道床更為突出和豐富，對于多頻段集中異常反應(yīng)要強，同時道床和隧道壁振動異常反應(yīng)敏感度要遠高于普通整體道床。各個監(jiān)測點單峰峰譜由鋼軌經(jīng)過道床向隧道壁逐漸衰減，不同部位測點之間衰減幅度以10-1/2～10-1進行衰減，普通整體道床的各個部位測點單峰峰譜是縱向軌枕軌道振動幅值的2～3倍，縱向軌枕軌道單峰峰譜集中聚集幅度比普通整體道床大，縱向軌枕軌道多個共振中心頻率在頻率域譜圖中更容易獲得。在頻率域譜圖中，縱向軌枕軌道振動規(guī)律性較普通整體道床更好識別，易于抽取和界定共振頻率。

按照規(guī)范要求進行垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)計算，得到最大Z振級(VLZmax)，將5趟列車通過時整體道床軌道不同監(jiān)測點的最大Z振級(VLZmax)進行算術(shù)平均，得到的整體道床軌道不同監(jiān)測點的最大Z振級(VLZmax)，具體監(jiān)測值如表3所示。

表3 普通整體道床及縱向軌枕軌道道床各測點 VLZmax

從表3中可以看到，普通整體道床的最大Z振級(VLZmax)都要高于縱向軌枕軌道的最大Z振級(VLZmax)，且最大Z振級衰減速度縱向軌枕軌道要高于普通整體道床。按照《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》計權(quán)方法，普通整體道床軌道與縱向軌枕軌道隧道壁VLZmax以及縱向軌枕軌道相對于普通整體道床軌道的隧道壁振動差值ΔVLZmax如表4所示。

表4 普通整體道床軌道和縱向軌枕軌道的隧道壁監(jiān)測點VLZmax和ΔVLZmax

從表4可知，按照《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》計權(quán)得到的普通整體道床軌道隧道壁VLZmax平均值為84.1 dB；縱向軌枕軌道隧道壁VLZmax平均值為72.6 dB，兩者差值ΔVLZmax為11.5 dB?？梢钥闯隹v向軌枕軌道隧道壁監(jiān)測點最大Z振級在源頭就要比普通整體道床軌道低約13.6 %，說明縱向軌枕軌道減震效果明顯。

4.2 周圍建筑物振動測試

測試建筑物在距離地鐵軌道約45 m處。地鐵試運營期間，該建筑物內(nèi)住戶在列車通過時可以感覺到居室地板有振動，建筑物外墻個別區(qū)域也出現(xiàn)墻皮脫落現(xiàn)象，這種振動已經(jīng)影響到了住戶的正常睡眠及正常生活。因此該住戶找到地鐵運營方提出了自己的訴求，地鐵運營方非常重視該情況，同時也想弄清該振動是否由運營地鐵引起，基于此，委托筆者對該建筑物前方距離軌道不同間距的地表及建筑物本身進行振動監(jiān)測，通過調(diào)取設(shè)計文件和實地核對了解到，該住戶區(qū)域的地鐵軌道采用普通整體道床軌道技術(shù)進行鋪設(shè)，且該建筑物涉及到紅線拆遷問題，距離地鐵軌道較近，結(jié)合現(xiàn)場具體實際情況布設(shè)了共計8個監(jiān)測點，通過測試設(shè)備分別采集了地鐵左線及右線列車通過時的振動數(shù)據(jù)，選取其中典型的5趟車數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。列車通過時，該建筑物內(nèi)部臥室及客廳監(jiān)測點垂向振動加速度典型時域波形如圖6所示，臥室及客廳監(jiān)測點垂向振動加速度典型頻率域譜如圖7所示。

從圖6及圖7可以看出，該建筑居室監(jiān)測點的時域波形圖和頻率域譜圖和上述在普通整體道床軌道獲得的監(jiān)測曲線形態(tài)接近，其振動幅值及單峰峰譜約為震源部位監(jiān)測數(shù)據(jù)的1/2，符合振動能量衰減規(guī)律，通過振動傳播速度計算出在振動異常時間段，其振動形態(tài)和列車在普通整體道床軌道隧道壁的振動形態(tài)一致，時間吻合，判斷該建筑物室內(nèi)振動源確實與地鐵運營相關(guān)。

圖6 周圍建筑物臥室及客廳時域波形Fig.6 Time domain waveform of bedroom and living room in a surrounding building

圖7 周圍建筑物臥室及客廳頻譜Fig.7 Spectroscopy of bedroom and living room in a surrounding building

表5 列車通過時各點最大Z振級

Table 5 MaximumZ-vibrnation level at each point when the train passing

車次監(jiān)測部位最大Z振級/dB10 m15 m20 m35 m40 m45 m客廳臥室171.279.075.872.170.071.476.975.6271.979.578.173.771.072.278.676.7371.779.677.673.670.372.578.076.1471.779.778.173.371.272.978.175.6573.580.578.973.571.172.578.677.0平均值72.279.878.273.570.972.578.376.4

按照《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)計算得到的最大Z振級(VLZmax)，將5趟列車通過時的VLZmax進行算術(shù)平均，得到列車分別通過線路時建筑物附近各測點的VLZmax，結(jié)果如表5所示。

從表5中計權(quán)得到的各測點VLZmax平均值可以看出，各測點最大Z振級不盡相同，各測點的共振現(xiàn)象差別較大，依據(jù)《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》關(guān)于各測點的振動限值要求可知，建筑物室內(nèi)監(jiān)測點監(jiān)測值已經(jīng)遠超過限值(規(guī)范限值范圍：晝間為70 dB，夜間為67 dB)，建筑物室內(nèi)客廳及臥室監(jiān)測點最大Z振級接近普通整體道床隧道壁監(jiān)測點的最大Z振級，說明該建筑物產(chǎn)生了共振，基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時地鐵也正處于聯(lián)運調(diào)試階段，建議地鐵運營方從震源源頭采取措施進行減震，在該建筑物區(qū)段采用先進的縱向軌枕軌道技術(shù)進行鋪設(shè)處理，施工完畢后又進行了二次監(jiān)測，獲得了如表6所示的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

從表6可以看出，通過采用縱向軌枕軌道技術(shù)進行鋪設(shè)施工處理消振措施后，各監(jiān)測點的監(jiān)測值已經(jīng)低于規(guī)范限值，對比表5、表6可知，最大Z振級ΔVLZmax的降低幅度范圍在13.5～19.2 dB之間，比前述普通整體道床軌道與縱向軌枕軌道隧道壁監(jiān)測點之間ΔVLZmax的數(shù)值11.5 dB大，減震效果更為明顯。

表6 采取消振措施后列車通過時各點最大Z振級

5 結(jié) 論

通過以上對地鐵運營期間普通整體道床軌道、縱向軌枕軌道及周邊建筑監(jiān)測點的振動監(jiān)測結(jié)果進行分析，得到以下認識：

1)縱向軌枕軌道較普通整體道床軌道減震和消振效果明顯，且隨著距離不同，減震效果變化很大，縱向軌枕軌道最大Z振級在源頭要比普通整體道床軌道低約10.0 %以上，采用縱向軌枕軌道減震技術(shù)可以有效在源頭減震。

2)縱向軌枕軌道與普通整體道床軌道對周邊建筑物的振動影響不同，普通整體道床軌道比縱向軌枕軌道對周邊建筑物的振動影響更大，考慮設(shè)計難度及經(jīng)濟因素，二者因地制宜相互結(jié)合會對地鐵線路設(shè)計產(chǎn)生更好的效果。