建筑基礎(chǔ)彈性墊地鐵振動控制工程應(yīng)用研究

宋瑞祥，鄔玉斌，吳丹

（北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所，北京 100054）

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，各大城市地鐵線網(wǎng)初步形成，運營里程大幅增加，列車運行速度、頻次和時長不斷增加，城市軌道交通在給城市居民出行帶來方便的同時，也給周邊環(huán)境造成了日益嚴(yán)重的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲污染[1]，當(dāng)?shù)罔F線路接近甚至下穿敏感建筑物時，傳統(tǒng)的軌道振源減振和傳播途徑隔振措施已不能充分滿足振動控制要求，作為最后一道防線，建筑物自身防護顯得尤為重要[2-6]。

建筑自身防護措施主要包括建筑基礎(chǔ)彈性減振墊、層間隔振支座、房中房、隔振樓板（地板）等形式。建筑基礎(chǔ)彈性減振墊措施具有設(shè)計施工簡單、保護范圍廣（可對筏板基礎(chǔ)以上的整體建筑進行隔振）、對結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性影響?。▔|層厚度小、面彈簧平鋪）等特點，相比其他建筑振動控制形式具有更強的工程應(yīng)用性，特別適用于地鐵沿線新建敏感建筑物的地鐵振動噪聲控制，自2017 年起，我國已有大量建筑采用該措施進行地鐵振動控制。然而，相比工程應(yīng)用的迅速推廣，關(guān)于該技術(shù)的理論研究卻相對滯后，這種措施在隔振效果與機理、效果影響因素、減振材料性能要求、方案設(shè)計方法及施工工藝等方面仍有待深入研究，亟需建立指導(dǎo)工程應(yīng)用的設(shè)計、施工、材料檢測方法等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

方案設(shè)計、材料性能和施工質(zhì)量是影響控制措施隔振效果的三個主要方面，其中出現(xiàn)任何問題都可能影響最終隔振效果，鑒于目前迫切的工程應(yīng)用需求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及理論研究空白，本文通過總結(jié)已有應(yīng)用項目的實踐經(jīng)驗，分析了控制措施設(shè)計原理及影響參數(shù)，梳理了建筑基礎(chǔ)彈性減振墊控制方案設(shè)計的一般方法和流程，總結(jié)了彈性減振墊材料基本性能要求和施工工藝，研究成果可為相似工程應(yīng)用以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制提供參考和依據(jù)。

1 控制設(shè)計原理

目前建筑基礎(chǔ)彈性減振墊控制方案的設(shè)計理論依據(jù)仍是單自由度系統(tǒng)的隔振原理。彈性減振墊隔振效果通常采用振動傳遞率來表示，其計算公式如下：

式中：η為傳遞率；ξ為阻尼比；f為源強激勵頻率；f0為隔振系統(tǒng)固有頻率。圖1 為振動傳遞率同頻率比（f/f0）之間的函數(shù)關(guān)系曲線圖。由圖1 可知，當(dāng)頻率比（f/f0）為1 時，振動傳遞率最大，系統(tǒng)發(fā)生共振響應(yīng)；當(dāng)頻率比（f/f0）大于時，傳遞率小于1，系統(tǒng)進入隔振區(qū)，而且頻率比越大振動傳遞率越小即隔振效果越好。從圖1 可知，當(dāng)頻率比（f/f0）小于時，阻尼比越大隔振傳遞率越小，而當(dāng)頻率比（f/f0）大于時，阻尼比越小振動傳遞率越小，即在隔振區(qū)，隔振效果同阻尼比成反比；在共振區(qū)，隔振效果同阻尼比成正比。

圖1 振動傳遞率曲線

由上述振動傳遞率計算公式可知，在外界激振荷載一定的情況下，通過降低系統(tǒng)固有頻率可以獲得更好的隔振效果，對于“建筑-彈性減振墊”系統(tǒng)，其系統(tǒng)固有頻率f0計算公式如下：

式中：m為建筑質(zhì)量，kg；k為彈性減振墊剛度；E為減振墊彈性模量，N/m2；g為重力加速度，m/s2；h為減振墊的厚度，m；σ為彈性減振墊壓應(yīng)力，N/m2。

由公式②可知，“建筑-彈性減振墊”系統(tǒng)豎向固有頻率由上部建筑質(zhì)量和彈性減振墊豎向剛度決定，在上部建筑質(zhì)量一定的情況下，主要通過調(diào)整彈性減振墊剛度進行隔振效果設(shè)計，而彈性減振墊剛度又主要由墊層厚度和彈性模量決定。

2 控制方案設(shè)計流程與方法

控制方案是保證控制措施效果的最重要環(huán)節(jié)之一，為獲得到經(jīng)濟有效的控制方案，方案設(shè)計一般包括建筑物振動及結(jié)構(gòu)噪聲影響預(yù)測、控制限值確定、方案初步設(shè)計、隔振效果驗算及方案優(yōu)化等幾個步驟，主要工作流程如圖2 所示。

圖2 控制方案設(shè)計流程

2.1 建筑物振動及結(jié)構(gòu)噪聲影響預(yù)測評價

建筑物地鐵振動影響預(yù)測的目的是分析建筑建成后受地鐵振動噪聲的影響程度，確定建筑物能否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

建筑物受地鐵振動噪聲影響的預(yù)測方法通常包括經(jīng)驗公式法、類比測試法和數(shù)值仿真法。經(jīng)驗公式法操作簡單方便，但預(yù)測結(jié)果單一、預(yù)測精度差，無法獲得建筑物室內(nèi)樓板位置的精確預(yù)測結(jié)果。目前應(yīng)用較多的經(jīng)驗公式為《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）和《地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》（DB 11/T 838—2019）中的振動影響鏈?zhǔn)筋A(yù)測公式。

《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）規(guī)定的振動影響預(yù)測公式如下[7]：

式中：VLZmax為預(yù)測點處的地鐵振動影響最大Z振級，dB；VLZ0max為列車運行振動源強，dB；CVB為振動修正，dB；CV為列車速度修正，dB；CW為軸重和簧下質(zhì)量修正，dB；CR為輪軌條件修正，dB；CT為隧道型式修正，dB；CD為距離衰減修正，dB；CB為建筑物類型修正，dB；CTD為行車密度修正，dB。

《地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》（DB 11/T 838—2019）中規(guī)定的振動影響預(yù)測公式為[8]：

式中：VLZmax為預(yù)測點處的地鐵振動影響最大Z振級，dB；VLZmax,0為隧道壁振動源強，dB；C為修正項，dB；C車速、C軸重和簧下質(zhì)量、C曲線、C鋼軌條件、C距離、C建筑物分別為相應(yīng)因素的修正，dB。

兩個標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測公式形式相同，但其修正項及其修正量存在一定差異，公式③具有更廣的適用范圍，可用于地下線、地面線和高架線；公式④僅適用于地下線，但其各因素修正值基于北京地鐵大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得，因此對北京地鐵具有更強的地域針對性。

類比測試法的預(yù)測精度主要受測試對象的類比條件影響，類比條件包括車輛條件、運行狀態(tài)、線路條件、隧道形式、地質(zhì)條件、建筑結(jié)構(gòu)形式等，當(dāng)類比對象與預(yù)測對象個別因素存在差異時，可采用試驗測試或計算分析的方法對影響因素進一步修正調(diào)整，類比測試方法和要求可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

數(shù)值仿真法可對建筑受地鐵振動噪聲影響情況進行精細化的預(yù)測分析，可計算得到不同樓層、不同房間位置處的振動響應(yīng)時程數(shù)據(jù)，能夠?qū)ㄖ罔F振動響應(yīng)進行頻域、時域和Z 振級分析。由于地鐵振動及結(jié)構(gòu)噪聲標(biāo)準(zhǔn)評價頻率范圍較寬（振動為1—80Hz或4—200Hz；二次結(jié)構(gòu)噪聲為16—200Hz 或22—355Hz），計算模型需要非常小的單元尺寸和積分時間步長，因此“地鐵-巖土-建筑”整體有限元模型計算單元數(shù)量和計算量非常龐大，對計算機計算能力和存儲容量硬件要求極高；數(shù)值仿真計算精度受列車荷載模型及輸入方法、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分等諸多因素影響，為了保證模型計算精度，需要開展必要的振動源強和場地土振動現(xiàn)狀測試[9]，即采用振動測試與數(shù)值仿真相結(jié)合的預(yù)測方式。當(dāng)?shù)罔F尚未通車時，可采用類比振源測試數(shù)據(jù)作為模型激勵源強，通過人工激勵方式進行場地土振動傳播特性試驗測試[10]，用于數(shù)值仿真模型的精度校核和參數(shù)調(diào)試。

2.2 振動噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值及控制目標(biāo)量

控制方案設(shè)計需要先明確工程適用的振動噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及其限值，通過建筑物預(yù)測結(jié)果對標(biāo)分析確定振動噪聲超標(biāo)量。目前關(guān)于建筑地鐵振動限值的標(biāo)準(zhǔn)有《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）、《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(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）、《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50355—2018）、《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868—2013）等，由于各個標(biāo)準(zhǔn)的編制部門和規(guī)定側(cè)重點不同，在地鐵振動噪聲評價指標(biāo)、評價頻率范圍以及限值大小各方面都存在差異，彼此尚未統(tǒng)一協(xié)調(diào)，其中《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）[11]做為唯一強制性標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用最為廣泛，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境振動限值，但也可用于建筑物室內(nèi)的振動影響評價。

結(jié)構(gòu)噪聲是地鐵影響沿線居民的另一個重要因素，而且人們對結(jié)構(gòu)噪聲的反應(yīng)比振動更為敏感，地鐵環(huán)境影響投訴中大部分都是結(jié)構(gòu)噪聲投訴，《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）中地鐵地下線二次結(jié)構(gòu)噪聲評價范圍由線路中心線兩側(cè)10m 擴大為50m，特殊情況下增至60m。但關(guān)于地鐵結(jié)構(gòu)噪聲的研究及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定比地鐵環(huán)境振動要滯后得多，目前缺少成熟精確的結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測方法，結(jié)構(gòu)噪聲控制則是通過地鐵振動控制間接實現(xiàn)，《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(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）和《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50355—2018）對結(jié)構(gòu)噪聲限值進行了規(guī)定，前者對16—200Hz 等效連續(xù)A 聲壓級進行了限值規(guī)定[12]；后者則給出了31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz 四個倍頻程的結(jié)構(gòu)噪聲聲壓級限值[13]，相比而言《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50355—2018）要求更為嚴(yán)格。

綜上所述，關(guān)于地鐵振動及結(jié)構(gòu)噪聲存在不同的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，在進行控制方案設(shè)計時，通常是在滿足國家強制標(biāo)準(zhǔn)限值要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)擬建建筑品質(zhì)要求，確定適用項目實際需求特點的振動噪聲限值。

地鐵振動及結(jié)構(gòu)噪聲限值確定后，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)振動噪聲預(yù)測結(jié)果，即可確定建筑的振動噪聲超標(biāo)量，為了確保方案的最終隔振效果，振動控制目標(biāo)量需在預(yù)測超標(biāo)量的基礎(chǔ)上考慮適量的設(shè)計裕量。

2.3 控制方案設(shè)計

彈性減振墊選型是方案設(shè)計的重要內(nèi)容，為確保隔振效果和結(jié)構(gòu)的安全性，彈性減振墊應(yīng)滿足上部建筑壓應(yīng)力和側(cè)向土壓應(yīng)力要求，確保減振材料處于最優(yōu)彈性工作應(yīng)力狀態(tài)，避免彈性減振墊負載壓力過大或過小。為此，需先根據(jù)建筑基底壓應(yīng)力和側(cè)向土壓力，結(jié)合彈性減振墊材料力學(xué)參數(shù)，選取有效可靠的彈性減振墊材料型號。圖3 為某項目建筑基底壓應(yīng)力圖。

圖3 建筑基底壓應(yīng)力圖

確定“建筑-彈性減振墊”豎向固有頻率是方案設(shè)計的核心工作。通過振動現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)或建筑物振動預(yù)測結(jié)果，確定地鐵振動影響的主要頻率范圍。圖4 為某項目建筑基礎(chǔ)場地土地鐵振動實測加速度及其頻譜曲線，該項目地鐵振動頻率主要集中在25—80Hz，因此有必要對25Hz 以上的振動進行控制，依據(jù)隔振設(shè)計原理，本項目“建筑-彈性減振墊”系統(tǒng)豎向設(shè)計固有頻率應(yīng)小于17Hz。

圖4 場地土地鐵振動實測加速度及頻譜

彈性減振墊減振曲線受力學(xué)性能和幾何參數(shù)影響，基于彈性減振墊物理力學(xué)參數(shù)通過軟件分析即可獲得滿足隔振要求的材料型號及其墊層厚度。因此，根據(jù)不同位置受力狀態(tài)和設(shè)計固有頻率，確定相應(yīng)的彈性減振墊型號和厚度。

2.4 控制方案效果驗算

“建筑-彈性減振墊-巖土”是一個復(fù)雜的多介質(zhì)耦合振動系統(tǒng)，實際地鐵振動傳播過程和隔振機理相當(dāng)復(fù)雜，基于單自由度系統(tǒng)隔振原理計算的理論效果同實際情況必然存在差異，為此需要對設(shè)計完成的隔振方案采用三維數(shù)值仿真計算方法進行分析驗算，如果實施隔振措施后建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)振動及其結(jié)構(gòu)噪聲不能滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，則需進一步優(yōu)化隔振方案，直至數(shù)值仿真計算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求[14]。

2.5 減振材料性能要求

彈性減振墊位于建筑底部，具有不可更換維修特點，為確保建筑結(jié)構(gòu)全壽命使用周期具有較好的隔振效果，彈性減振墊材料需具有穩(wěn)定的物理力學(xué)性能和良好的耐久性能，應(yīng)提供密度、靜/動載荷極限、拉伸強度、壓縮形變、靜/動剪切模量、靜/動彈性模量、阻尼等詳細的物理性能參數(shù)表。

實際彈性減振墊材料力學(xué)性能及耐久性能應(yīng)滿足材料設(shè)計技術(shù)參數(shù)要求，材料進場檢驗時需進行靜剛度、動剛度和壓縮永久變形等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)試驗測試，同時測試結(jié)果與設(shè)計參數(shù)應(yīng)進行對比校核。

由于該措施出現(xiàn)時間較短，目前國內(nèi)缺少對應(yīng)的材料性能指標(biāo)要求及其檢測方法的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3 建筑基礎(chǔ)彈性減振墊施工工藝

建筑基礎(chǔ)彈性減振墊包括建筑基礎(chǔ)底墊和側(cè)墊兩部分，建筑基礎(chǔ)底墊施工自下向上依此為夯實的地基土、墊層、防水層、防水保護層、彈性減振墊、PE膜、彈性減振墊保護層、建筑底板；建筑基礎(chǔ)側(cè)墊施工自內(nèi)向外依此為建筑鋼筋混凝土外墻、防水層、彈性減振墊、聚苯板、保護墻（根據(jù)實際情況確定）、回填土（混凝土）。

3.1 施工工藝

建筑基礎(chǔ)底墊和側(cè)墊的施工質(zhì)量同樣影響控制效果，彈性減振墊鋪設(shè)全過程需進行精細把控，避免局部剛性連接形成“聲橋”，從而降低隔振效果。圖5為基礎(chǔ)底墊和側(cè)墊鋪設(shè)施工工藝流程。

圖5 彈性減振墊施工流程

彈性減振墊鋪設(shè)前應(yīng)先清理現(xiàn)場，確保面層平整且無尖銳凸起，無積水，平整度應(yīng)小于5mm，面層可以允許相對緩和且平滑過渡的突起。

彈性減振墊需要嚴(yán)格按照設(shè)計施工圖進行鋪裝，施工圖中不同顏色代表不同型號的彈性材料，通常不同彈性減振墊產(chǎn)品的顏色同施工圖中標(biāo)示的顏色相同。為避免誤操作，需要根據(jù)施工圖紙要求，對工作面進行區(qū)域施工劃分并放線。

側(cè)壁減振材料鋪設(shè)之前需先在彈性減振墊材料上涂刷適合的黏結(jié)劑，涂刷均勻后黏結(jié)于側(cè)墻之上。

彈性減振墊應(yīng)鋪設(shè)平整，墊塊之間避免存在較大間隙，墊塊接縫之間應(yīng)采用膠帶密封（5cm 寬防水膠帶），避免砂漿碎屑滲透形成短路，在此基礎(chǔ)上，再次鋪設(shè)PE 膜進行二次保護。

為避免彈性減振墊被刺穿和撕裂，基礎(chǔ)底墊鋪設(shè)完成后需要在PE 膜上做至少50mm 厚的細石混凝土保護層，立面材料則需采用聚苯板等保護。

3.2 施工關(guān)鍵點處理

（1）突出管路局部處理

如果彈性減振墊鋪設(shè)表面有突出的管路等物體，需在突出管路的地方裁剪合適尺寸的開口，套入突出管路的根部，與管路根部連接緊密，在管路根部以上圍繞管路再做500mm 高的材料緊貼管路，用防水膠帶纏接緊密。

（2）大角度坡度彈性材料鋪設(shè)

坡度小于45°可以鋪設(shè)材料，方式同平面鋪設(shè)，斜坡大于45°，鋪設(shè)需配合使用膠黏產(chǎn)品。

4 結(jié)語

近年來，建筑基底彈性減振墊作為一種新興的控制措施大量應(yīng)用于我國地鐵沿線新建建筑振動控制工程中，為地鐵噪聲與振動控制提供了一種全新的思路和方法，促進了地鐵振動控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。但由于在國內(nèi)出現(xiàn)時間較短，關(guān)于該措施的基礎(chǔ)理論研究少見報道，工程應(yīng)用過程中缺少設(shè)計、施工、材料檢測方法等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)指導(dǎo)。

本文基于工程應(yīng)用實踐經(jīng)驗，總結(jié)了建筑基礎(chǔ)彈性減振墊用于地鐵環(huán)境振動控制的基本隔振原理，分析了影響建筑隔振效果的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)；提出了控制方案設(shè)計的基本流程，并對建筑地鐵振動影響預(yù)測方法、適用振動噪聲標(biāo)準(zhǔn)及限值、控制目標(biāo)量確定、彈性減振墊選型及方案設(shè)計、彈性減振墊性能要求等各關(guān)鍵環(huán)節(jié)問題進行了系統(tǒng)論述；對彈性減振墊的施工工藝和關(guān)鍵點處理技術(shù)進行了介紹。研究成果可為相似項目工程應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制提供參考。