城市公路隧道下穿房屋引起的環(huán)境振動(dòng)影響研究

孫曉明

（上海市環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境物理研究所，上海 200233）

近年來(lái)，城市化進(jìn)程日益加快，高密度的建筑開發(fā)、大量人口的聚集都給城市交通帶來(lái)了很大的壓力，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多地方需要對(duì)舊路進(jìn)行大修或改擴(kuò)建。城市隧道的運(yùn)行是封閉式，不受城市地面人、車和道路干擾的影響，車輛可快速暢通地行駛。與地面道路相比，它節(jié)省了城市建設(shè)用地，能極大緩解地面交通擁堵。非常符合我國(guó)城市地少人多的現(xiàn)狀。城市下穿隧道的修建對(duì)減少城市道路用地、縮短行車?yán)锍?、疏?dǎo)城市交通都有積極的作用。

城市地鐵隧道下穿住宅較多見，其引起的環(huán)境振動(dòng)影響已有大量的研究工作，而城市公路隧道下穿住宅項(xiàng)目較少，其振動(dòng)影響研究分析更是少之又少。本文擬參考地鐵隧道引起的環(huán)境振動(dòng)影響分析方法來(lái)對(duì)公路隧道下穿住宅進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)影響分析[1]。本文具有前瞻性，可為后續(xù)城市公路隧道的發(fā)展提供環(huán)境振動(dòng)影響數(shù)據(jù)支撐。

1 項(xiàng)目隧道概況

上海某地?cái)M規(guī)劃建設(shè)某條道路，其中規(guī)劃的某路段存在小部分房屋別墅的拆遷，鑒于近期別墅動(dòng)遷難度大，為避免別墅區(qū)的近期拆遷，擬將上跨方案調(diào)整為下穿方案，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目總體平面和縱斷面圖

該別墅區(qū)內(nèi)被一條小河分為南北兩個(gè)區(qū)域，如圖2 所示。下穿隧道主要沿本小河走向下穿建設(shè)，其中小河北側(cè)別墅與北線隧道邊界的水平距離為5 m 左右，小河南側(cè)別墅為南線隧道正下穿。現(xiàn)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)類比和有限元模型預(yù)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)公路隧道下穿住宅房屋引起的環(huán)境振動(dòng)影響進(jìn)行研究。

圖2 本項(xiàng)目現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)相近似工況的隧道進(jìn)行類比實(shí)測(cè)[1]，預(yù)估隧道建成后該別墅可能受到的環(huán)境振動(dòng)影響情況。

2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)該別墅周邊環(huán)境情況,該別墅執(zhí)行“居民、文教區(qū)”標(biāo)準(zhǔn)。隨著現(xiàn)代人們的生活質(zhì)量的改善和提高，因此對(duì)其所處的環(huán)境條件提出了更高的要求，因此本次研究增加推薦執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070-1988）[2]。

推薦標(biāo)準(zhǔn)：《 建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（GB50868-2013）》,該標(biāo)準(zhǔn)中基礎(chǔ)處容許振動(dòng)速度峰值指標(biāo)是針對(duì)交通振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 類比測(cè)試點(diǎn)位

上海市目前無(wú)公路隧道下穿住宅項(xiàng)目，經(jīng)調(diào)研上海市關(guān)于下穿隧道的設(shè)計(jì)及環(huán)評(píng)資料，通過(guò)選取與擬建路隧道埋深基本相一致，且周邊環(huán)境也具備較好的測(cè)試條件的三處下穿隧道進(jìn)行類比實(shí)測(cè)，如圖3 所示，分別是龍耀路隧道、新建路隧道、外環(huán)隧道。

圖3 類比測(cè)試三處隧道位置圖

表1 中詳細(xì)列明了類比條件，從振源、傳遞路徑、接受點(diǎn)三大要素進(jìn)行類比分析?？梢园l(fā)現(xiàn)龍耀路、新建路與本項(xiàng)目下穿隧道(以下稱該隧道)基本類比要素更為相似[3]。

表1 類比條件說(shuō)明

三處類比隧道均為下穿黃浦江，所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均位于隧道兩端靠近出口處，其上方無(wú)住宅建筑。因此本次類比監(jiān)測(cè)僅能參考室外地面振級(jí)。測(cè)點(diǎn)布置為埋深20 m處地面，分別選取車輛高峰運(yùn)行時(shí)段測(cè)試地面振動(dòng)加速度、速度。以大車為主的外環(huán)隧道振源最大(大車比最大、車速最大80 km/h)，其振動(dòng)影響應(yīng)最大。參考類比條件對(duì)比，根據(jù)類比性，該隧道地面振級(jí)應(yīng)小于外環(huán)隧道振級(jí)。

目前，諸暨市基本上實(shí)現(xiàn)了“調(diào)解進(jìn)機(jī)關(guān)、調(diào)解進(jìn)學(xué)校、調(diào)解進(jìn)廠礦、調(diào)解進(jìn)社區(qū)、調(diào)解進(jìn)鄉(xiāng)村、調(diào)解進(jìn)市場(chǎng)”，“哪里有矛盾，哪里就有調(diào)解組織；哪里發(fā)生糾紛，哪里就有調(diào)解工作”以及 “專業(yè)矛盾專家調(diào)”。2017年，全市人民調(diào)解組織共受理矛盾糾紛16 823件，調(diào)處成功率達(dá)到97.7%。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

振動(dòng)測(cè)試設(shè)備采用HEIMDaTaRec4Series 24 通道數(shù)據(jù)采集儀。加速度傳感器采用磁電式KD1500L，速度傳感器采用磁電式DH610V，采樣頻率為2 048 Hz。對(duì)各測(cè)點(diǎn)時(shí)域和頻域進(jìn)行全記錄采樣，后處理采用Head Artemis進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)期間選取在隧道下午高峰運(yùn)行時(shí)段，隧道內(nèi)運(yùn)行的車輛處于正常運(yùn)行階段，車輛運(yùn)行引起的地面受振動(dòng)影響最大。測(cè)試過(guò)程中盡可能避免人為干擾，監(jiān)測(cè)時(shí)間為20分鐘[4]。

5 類比測(cè)試結(jié)果

5.1 最大振動(dòng)加速度振級(jí)

剔除外界干擾，下面分別列出了龍耀路隧道、新建路隧道、外環(huán)隧道線路垂直上方的環(huán)境振動(dòng)最大值及相應(yīng)的水平距離10 m 處（背景）振級(jí)值的1 Hz～80 Hz頻譜對(duì)比情況。

（1）龍耀路隧道最大振動(dòng)加速度振級(jí)

從圖4 中振頻譜特征分析可見，以小車為主(大車90 輛/小時(shí)，小車1 200 輛/小時(shí))的龍耀路隧道，隧道正上方分頻振級(jí)與背景差別不大。車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特征頻率分布在10 Hz～12.5 Hz，較背景增大3.5 dB～4.4 dB。而低頻、高頻段與背景差別不大。

圖4 龍耀路隧道最大加速度頻域分析圖

（2）新建路隧道最大振動(dòng)加速度振級(jí)。

從圖5 中頻譜特征分析可見，以小車為主(小車800輛/小時(shí))的新建路隧道，隧道正上方分頻振級(jí)與背景差別不大。車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特征頻率分布在8 Hz～12.5 Hz，較背景增大3.8 dB～5 dB。而低頻、高頻段與背景差別不大。

圖5 新建路隧道最大加速度頻域分析圖

（3）外環(huán)隧道最大振動(dòng)加速度振級(jí)

從圖6中頻譜特征分析可見，以大車為主（大車1 000輛/小時(shí)）的外環(huán)隧道，隧道正上方分頻振級(jí)較背景差別較大。

圖6 外環(huán)路隧道最大加速度頻域分析圖

車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，受不同振動(dòng)源強(qiáng)影響，表2中以大車為主的外環(huán)隧道比以小車為主的龍耀路隧道垂直上方的最大振級(jí)顯著大16.1 dB，比新建路道垂直上方的最大振級(jí)顯著大12.4 dB。說(shuō)明以小車為主的隧道其受振動(dòng)影響較小，以大車為主的隧道受振動(dòng)影響較明顯。

表2 各隧道VLmax振級(jí)比較

表3 中，三處類比監(jiān)測(cè)隧道的VLz10 振級(jí)均小于67 dB。受振動(dòng)影響最大的外環(huán)隧道垂直上方的振級(jí)為63.2 dB，小于標(biāo)準(zhǔn)（67 dB）3.8 dB。參考這三處類比隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果，本項(xiàng)目振級(jí)預(yù)測(cè)應(yīng)基于該類比實(shí)測(cè)結(jié)果范圍內(nèi)。

表3 各隧道垂直上方地面振級(jí)

5.2 振動(dòng)速度類比分析結(jié)果

根據(jù)表4 中地面振動(dòng)速度結(jié)果統(tǒng)計(jì)值所示，三處隧道正上方垂直和水平的1 Hz～10 Hz、50 Hz、100 Hz分頻速度值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于交通振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值，滿足《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（GB50868-2013）》要求[5]。

表4 三處隧道振動(dòng)速度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

6 有限元模型預(yù)測(cè)

采用有限元[6]的方法對(duì)本項(xiàng)目地塊別墅區(qū)建筑、土層及地下隧道等相連結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模型按照地塊建筑、隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案建立。通過(guò)有限元法計(jì)算各頻率在單位加速度激勵(lì)下接收點(diǎn)的頻率響應(yīng)情況，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)上述實(shí)測(cè)的大車加速度和速度源強(qiáng)計(jì)算地表建筑內(nèi)外振動(dòng)響應(yīng)，模型如圖7所示。

圖7 室外預(yù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜曲線圖

對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中，近似認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)為線性振動(dòng)系統(tǒng)[7]，振源可近似為隧道路面處沿汽車前進(jìn)方向施加的垂向單位加速度（1 m/s2），振源激勵(lì)采用單點(diǎn)激勵(lì)，同時(shí)施加在雙向隧道路面行車線上[8]。

通過(guò)有限元法計(jì)算各頻率的單位激勵(lì)下接收點(diǎn)的頻率響應(yīng)情況，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)實(shí)測(cè)的大車引起的加速度源強(qiáng)計(jì)算得到地面P1、P2點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。

6.1 振動(dòng)加速度預(yù)測(cè)結(jié)果

通過(guò)有限元計(jì)算預(yù)測(cè)本項(xiàng)目下穿隧道結(jié)構(gòu)，表5顯示工程通車后某某別墅的室外最大振級(jí)63.5 dB（W計(jì)權(quán)）達(dá)標(biāo)，小于67 dB。

表5 振動(dòng)加速度級(jí)達(dá)標(biāo)分析

6.2 振動(dòng)速度預(yù)測(cè)結(jié)果

南線和北線隧道距離最近的別墅室外預(yù)測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果如下：

表6可見室外各點(diǎn)垂向振動(dòng)速度均達(dá)標(biāo)。

表6 鉛垂向振動(dòng)速度達(dá)標(biāo)分析

表7可見室外各點(diǎn)水平向振動(dòng)速度均達(dá)標(biāo)。

表7 水平向振動(dòng)速度達(dá)標(biāo)分析

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)圖紙等資料分析、現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析,選擇主要設(shè)計(jì)參數(shù)、車流量以及地質(zhì)、地形特點(diǎn)與該隧道相近的多處路段進(jìn)行類比測(cè)試,采用有限元模型預(yù)測(cè)計(jì)算的方法預(yù)測(cè)隧道建成后某某別墅可能受到的環(huán)境影響況，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的對(duì)策措施，降低其環(huán)境振動(dòng)影響。

（1）根據(jù)相類似工況條件下的隧道類比實(shí)測(cè)結(jié)果初步分析，三處類比監(jiān)測(cè)隧道振級(jí)VLz10 均小于67 dB，滿足環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。受振動(dòng)影響最大的外環(huán)隧道垂直上方的振級(jí)為63.2 dB，也遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)3.8 dB。預(yù)估該隧道建成后振動(dòng)影響滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）通過(guò)有限元預(yù)測(cè)，隧道垂直上方的住宅建筑受影響最大，室外受影響振級(jí)為56.6 dB～63.5 dB，均小于67 dB，滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070-1988）；速度值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（GB50868-2013）》中“基礎(chǔ)處容許振動(dòng)速度峰值（mm/s）”要求。

(3)建設(shè)單位可通過(guò)加強(qiáng)日常建筑環(huán)境振動(dòng)監(jiān)控，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制車流、車速、車輛載重等積極減振措施，最大限度降低本工程對(duì)該別墅建筑的振動(dòng)影響。