變電站強(qiáng)夯振動(dòng)對周邊建筑物安全及人體舒適度的影響分析

劉金龍 徐帆 王智超

摘? 要：強(qiáng)夯法可有效加固電力設(shè)施地基基礎(chǔ)，但由于大能量夯擊能的擴(kuò)散，會(huì)對周邊建筑物與居民產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。結(jié)合強(qiáng)夯施工現(xiàn)場條件，對周邊建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，測出不同距離下的振動(dòng)速度，擬合出振動(dòng)速度-夯檢距關(guān)系曲線，并計(jì)算出建筑物安全距離。采用1/3倍頻程分析法，計(jì)算建筑物內(nèi)人體舒適度的容許振動(dòng)加速度級(jí)，進(jìn)而推算出人體舒適度符合規(guī)范容許值的距離節(jié)點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)踐，計(jì)算得到強(qiáng)夯施工對周邊建筑物的安全距離約為35 m，建筑物內(nèi)符合規(guī)范的人體舒適度距離約為90 m。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯施工；振動(dòng)監(jiān)測；安全距離；人體舒適度

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0171-05

Analysis of the Influence of Substation Dynamic Compaction Vibration on the Safety of Surrounding Buildings and Human Comfort

LIU Jinlong， XU Fan， WANG Zhichao

（Guangdong Tianxin Electric Power Engineering Testing Co.， Ltd.， Guangzhou? 510663， China）

Abstract： The dynamic compaction method can effectively strengthen the foundation of power facilities， but due to the diffusion of large-energy ramming energy， it has a certain negative impact on surrounding buildings and residents. Combined with the construction site conditions of dynamic compaction， the vibration of surrounding buildings is monitored， and the vibration speeds at different distances are measured. The relationship curve between vibration speed and compaction distance is fitted， and the safety distance of the building is calculated. The 1/3 octave analysis method is used to calculate the allowable vibration acceleration level of human comfort in the building， and then calculate the distance node where the human comfort meets the allowable value of the specification. Combined with engineering practice， it is calculated that the safe distance of dynamic compaction construction to surrounding buildings is about 35 m， and the human comfort distance within the building that meets the specifications is about 90 m.

Keywords： dynamic compaction construction; vibration monitoring; safe distance; human body comfort

0? 引? 言

強(qiáng)夯法是大能量夯擊地基土體，錘擊引起的地面振動(dòng)既向深層傳遞，也向四周擴(kuò)散，引起四周巖土介質(zhì)的振動(dòng)，并以多種波的形式向四周傳播，使遠(yuǎn)處的巖土及在其上的建筑物發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而對建筑造成一定程度的危害[1-3]。

在國家擴(kuò)內(nèi)需保增長的政策驅(qū)動(dòng)下，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速，建筑密度不斷增加。因此，擬建電力設(shè)施在地基處理階段，難免會(huì)與周邊建筑物所有者產(chǎn)生矛盾。經(jīng)理論研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的夯擊能以波的形式在地基中傳播時(shí)，由于物質(zhì)阻尼和幾何阻尼的存在，振動(dòng)會(huì)隨著震源距的增加而衰減，當(dāng)波動(dòng)到一定距離后，波的強(qiáng)度很小，近乎對周圍建筑物沒有振動(dòng)影響。然而，目前強(qiáng)夯施工只注重強(qiáng)夯振動(dòng)對周邊建筑物結(jié)構(gòu)的影響評價(jià)，而忽視了對建筑內(nèi)人體舒適度的考量。大多數(shù)強(qiáng)夯施工不會(huì)對周邊建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，但存在居民因震感強(qiáng)烈對強(qiáng)夯施工工藝提出異議或阻撓的情況，在沒有明確安全舒適距離標(biāo)準(zhǔn)的情況下，無法與居民有效溝通，從而導(dǎo)致工程進(jìn)度滯后或改變工法。

在對振動(dòng)特征和振動(dòng)影響研究的基礎(chǔ)上，評估建筑物內(nèi)居民的舒適度，研究最佳施工距離，為設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)，是保障高效施工的重要因素[4-6]。

1? 安全距離評估方法

目前，強(qiáng)夯施工安全距離評估主要包括兩種方法。

第一種，根據(jù)強(qiáng)夯施工現(xiàn)場條件，測出不同距離處的振動(dòng)速度，擬合出振動(dòng)速度與夯擊距離的關(guān)系曲線，基于規(guī)范的最大容許振動(dòng)速度計(jì)算出最小安全距離。基于最小安全距離，調(diào)整施工區(qū)域或施工工藝[7]。

第二種，在夯擊過程中，直接對周邊建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，獲取各測點(diǎn)振動(dòng)速度，以不同類型建筑物容許最大振動(dòng)速度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，評估該施工距離是否對建筑物造成危害[8]。

現(xiàn)有評估方法僅考慮了振動(dòng)波對于建（構(gòu)）筑物的安全影響，未考慮建（構(gòu)）筑物內(nèi)人體對振動(dòng)的容忍度。

2? 人體舒適度評估方法

居民對強(qiáng)夯振動(dòng)的反應(yīng)主要表現(xiàn)為對強(qiáng)夯振動(dòng)效應(yīng)的主觀感覺，這種主觀感覺與強(qiáng)夯振動(dòng)之間的關(guān)系尚缺少定量測定和描述。居民對強(qiáng)夯振動(dòng)的承受能力與不同人員的年齡、體質(zhì)和心理狀態(tài)密切相關(guān)。采用振動(dòng)計(jì)權(quán)分析法[9]，用振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)（dB）表示振動(dòng)限值。

3? 工程應(yīng)用

在強(qiáng)夯施工大面積開始之前進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，利用安全距離評估方法，擬合出振動(dòng)速度與夯擊距離的關(guān)系曲線，計(jì)算出強(qiáng)夯施工最小安全距離。在最小安全距離處測量振動(dòng)速度，對比規(guī)范規(guī)定的最大容許值，驗(yàn)證最小安全距離的可靠性。并對周邊建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，在保證周邊建筑物安全的前提下，對建筑物內(nèi)居民的人體舒適度進(jìn)行有效評價(jià)。

3.1? 工程概況

該工程位于某市工業(yè)六區(qū)，廠址圍墻東西寬約350 m，南北長約610 m，場地用地范圍內(nèi)用地面積為22.89 hm2，建（構(gòu)）筑物占地面積為8.28 hm2。工程用地較為平整，在淤泥層之上，主要為荒地。采用強(qiáng)夯方式處理加固地基。強(qiáng)夯技術(shù)參數(shù)按淤泥層頂部厚度分檔，具體如下：

強(qiáng)夯厚度7～9 m：3次點(diǎn)夯，1次滿夯；點(diǎn)夯夯擊能為6 000 kN·m，每次10擊，滿夯夯擊能為1 000 kN·m，每次4擊。

強(qiáng)夯厚度7 m：3次點(diǎn)夯，1次滿夯；點(diǎn)夯夯擊能4 000 kN·m，每次10擊，滿夯夯擊能1 000 kN·m，每次4擊。

強(qiáng)夯厚度5 m：1次點(diǎn)夯，1次滿夯，點(diǎn)夯夯擊能2 000 kN·m，每次8擊，滿夯夯擊能1 000 kN·m，每次4擊。

強(qiáng)夯厚度3～4 m：1次點(diǎn)夯，1次滿夯，點(diǎn)夯夯擊能1 500 kN·m，每次8擊，滿夯夯擊能1 000 kN·m，每次4擊。

強(qiáng)夯厚度＜3 m：2次滿夯，滿夯夯擊能1 000 kN·m，每次4擊。

當(dāng)強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)超過一定限值時(shí)，會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及周圍建（構(gòu)）筑物以及地下設(shè)施的穩(wěn)定和安全。因場地與已建成的居民樓距離較近，為確保居民安全，需要對強(qiáng)夯引起的民用建筑振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測。

3.2? 監(jiān)測作業(yè)情況

本次監(jiān)測共投入國產(chǎn)高精度爆破測振儀6臺(tái)套。設(shè)備編號(hào)分別為DR001～DR006。

現(xiàn)場選定了3處試夯區(qū)，用5 000 kN·m夯擊能開展強(qiáng)夯振動(dòng)測試，點(diǎn)夯擊數(shù)控制在1～5擊之間，在每一擊強(qiáng)夯施工過程中同步采集各個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)速度值和振動(dòng)主頻。夯擊點(diǎn)1和2用于測試振動(dòng)消散情況，獲取安全振動(dòng)速度下最小距離。夯擊點(diǎn)3用于驗(yàn)證安全距離下附近建筑物振動(dòng)情況，對建筑物安全與居民舒適度進(jìn)行綜合評價(jià)。

在夯點(diǎn)1和夯點(diǎn)2的主要影響區(qū)域各進(jìn)行一次測試，每次均由近至遠(yuǎn)布設(shè)6套振動(dòng)傳感器采集設(shè)備，振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)距離試夯點(diǎn)大致在6～60 m。布點(diǎn)時(shí)盡可能保持各設(shè)備處于一條直線上，減少不同傳輸路徑對振動(dòng)速度的影響。在附近建筑物房屋頂樓樓面和房屋基礎(chǔ)上各布設(shè)一個(gè)根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果，房屋振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)距離試夯點(diǎn)在15～100 m左右。測點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖1所示。

3.3? 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸

進(jìn)行強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測時(shí)，將傳感器安裝在預(yù)先布設(shè)好的位置，強(qiáng)夯引起的振動(dòng)信號(hào)由強(qiáng)夯點(diǎn)經(jīng)過土體介質(zhì)傳播到地面，振動(dòng)傳感器檢測到振動(dòng)信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，進(jìn)而完成信號(hào)的放大、采集、存儲(chǔ)等一系列工作。當(dāng)傳感器放置在房屋頂部、基礎(chǔ)時(shí)，試夯試驗(yàn)共進(jìn)行了5次，試夯點(diǎn)依次減小與傳感器之間的距離；當(dāng)傳感器放置在施工場地內(nèi)時(shí)，試夯試驗(yàn)共進(jìn)行了3次，試夯點(diǎn)依次增大與傳感器之間的距離。在試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集器通過通信接口與服務(wù)器連接，可記錄實(shí)時(shí)測量結(jié)果數(shù)據(jù)、監(jiān)控儀器的工作狀況，完成振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理工作。

3.4? 強(qiáng)夯振動(dòng)對建筑物的安全影響

由相關(guān)規(guī)范可知，建筑施工振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響評價(jià)的頻率范圍應(yīng)在1～100 Hz；建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和頂層樓面的時(shí)域信號(hào)測試應(yīng)取豎向和水平向兩個(gè)主軸方向的振動(dòng)速度，評價(jià)指標(biāo)應(yīng)取三者峰值的最大值及其對應(yīng)的振動(dòng)頻率[10]。

強(qiáng)夯施工對建筑結(jié)構(gòu)影響在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值如表1所示。對于未達(dá)到國家現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的城市舊房和鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)自行建造的房屋，容許振動(dòng)值宜按表1中居住建筑的70%確定。

根據(jù)對本項(xiàng)目現(xiàn)場周邊民用房屋的巡視檢查結(jié)果，結(jié)合村民反饋情況，強(qiáng)夯振動(dòng)施工影響范圍內(nèi)的房屋容許振動(dòng)值，宜按表1所規(guī)定的居住建筑的70%確定。即振動(dòng)頻率在1～50 Hz條件下，頂層樓面容許振動(dòng)速度峰值為8.4 mm/s；1～10 Hz條件下基礎(chǔ)的容許振動(dòng)速度峰值為3.5 mm/s，50 Hz條件下基礎(chǔ)的容許振動(dòng)速度峰值為8.4 mm/s。

3.4.1? 安全距離計(jì)算

現(xiàn)場部分測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)量綱分析及強(qiáng)夯振動(dòng)衰減規(guī)律分析，可知在強(qiáng)夯引起的地面質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度v與測點(diǎn)距夯點(diǎn)距離s成冪指函數(shù)關(guān)系。應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，以R2值反映回歸曲線的擬合程度，其取值范圍在[0，1]之間，R2越趨近于1，說明回歸方程擬合的越好；R2越趨近于0，說明回歸方程擬合得越差。擬合結(jié)果如圖2所示。

擬合結(jié)果如下：

s = 282.09 v -1.654

R2 = 0.989

由上述可知，R2趨近于1，所以該擬合公式效果較好。由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，頻率在1～10 Hz區(qū)間，則工業(yè)建筑、公共建筑基礎(chǔ)振動(dòng)容許值為12 mm/s，令v = 12 mm/s，則s = 4.628 30 m；同理，v = 5 mm/s，則s = 19.692 07 m；v = 3.5 mm/s，則s = 35.522 14 m；v = 3 mm/s，則s = 45.838 37 m。

綜上所述，當(dāng)夯擊能為5 000 kN·m時(shí)，各建筑物類型的安全距離如圖3所示。

3.4.2? 建筑物安全性評價(jià)

由于現(xiàn)代建筑多為高層建筑，而振動(dòng)則會(huì)隨著樓層的增加被不斷放大。因此，在確定各建筑物安全距離的基礎(chǔ)上，還需監(jiān)測對安全距離外最近的高層建筑物進(jìn)行觀測，以便更全面了解建筑物的安全性。

為了直觀顯示房屋樓頂與基礎(chǔ)振速變化情況，繪制建筑物基礎(chǔ)和頂部振動(dòng)觀測數(shù)據(jù)折線圖如圖4所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

5 000 kN·m夯擊能下，房屋樓頂測點(diǎn)監(jiān)測到的最大徑向振速為0.6 cm/s（平均振速0.6 cm/s），切向方向的最大振速為0.3 cm/s（平均振速0.3 cm/s），垂直方向的最大振速為0.2 cm/s（平均振速0.2 cm/s）。

在5 000 kN·m夯擊能下，各次夯擊過程產(chǎn)生的振動(dòng)主頻均小于10 Hz，大致集中在3～5 Hz間。為了直觀顯示房屋樓頂與基礎(chǔ)振速變化情況，繪制折線圖如圖5所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

5 000 kN·m夯擊能下，房屋基礎(chǔ)測點(diǎn)監(jiān)測到的徑向振速為0.2 cm/s（平均振速0.2 cm/s），切向的最大振速為0.1 cm/s（平均振速0.1 cm/s），垂直方向的最大振速為0.2 cm/s（平均振速0.2 cm/s）。

在5 000 kN·m夯擊能下，各次夯擊過程產(chǎn)生的振動(dòng)主頻均小于10 Hz，大致集中在3～5 Hz間。

綜上所述，當(dāng)夯擊點(diǎn)在安全距離外，5 000 kN·m夯擊能下，房屋樓頂和基礎(chǔ)振速均未超過規(guī)范允許值。由此可得，此次夯擊完成時(shí)，房屋結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.5? 強(qiáng)夯振動(dòng)對建筑物內(nèi)人體舒適度評價(jià)

3.5.1? 參考依據(jù)

由相關(guān)規(guī)范可知，容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)可采用1/3倍頻程分析法，用分布在1/3倍頻段的加速度（m/s2）或速度值（m/s）表示振動(dòng)限值；也可采用振動(dòng)計(jì)權(quán)分析法，用單一參數(shù)振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)（dB）表示振動(dòng)限值。采用1/3倍頻程分析法，用加速度或速度值表示振動(dòng)限值時(shí)，建筑物內(nèi)人體舒適性的容許振動(dòng)加速度和容許振動(dòng)速度值，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

對于不同使用功能的建筑物和不同性質(zhì)的振動(dòng)，由于使用要求和使用人群的不同，振動(dòng)可忍性有很大變化，具體取值取決于社會(huì)背景、文化因素、心理狀態(tài)及對居住的妨礙程度。表4給出了建筑物內(nèi)人體舒適性容許振動(dòng)修正系數(shù)（倍乘因子），對振動(dòng)容許值進(jìn)行調(diào)整。

3.5.2? 舒適距離計(jì)算

本次研究采用振動(dòng)計(jì)權(quán)分析法，用單一參數(shù)振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)（dB）表示振動(dòng)限值。

考慮到使用者工作、生活主要是在建筑物室內(nèi)地面或樓面上，故豎向振動(dòng)是主要影響因素。因此在進(jìn)行舒適度距離計(jì)算和評價(jià)時(shí)，主要對豎向振動(dòng)進(jìn)行研究。鑒于現(xiàn)場施工進(jìn)度稍緩慢，具體情況對應(yīng)“每天只發(fā)生數(shù)次的沖擊振動(dòng)”，所以容許振動(dòng)修正系數(shù)為30。根據(jù)振動(dòng)修正系數(shù)（倍乘因子）對加速度進(jìn)行調(diào)整，再按照振動(dòng)加速度級(jí)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，得出不同使用功能建筑物和不同性質(zhì)振動(dòng)的計(jì)權(quán)加速度級(jí)容許值，實(shí)測值與容許振動(dòng)值進(jìn)行對比、分析、判斷，進(jìn)而得出安全距離。振動(dòng)加速度級(jí)按照如下定義進(jìn)行計(jì)算：

式中：VAL表示振動(dòng)加速度級(jí)（dB）；b表示振動(dòng)修正系數(shù)（倍乘因子）；a0表示基準(zhǔn)加速度，取a0 = 10-6 m/s2（dB）；a表示實(shí)測或計(jì)算的振動(dòng)加速度有效值（m/s2）。

根據(jù)實(shí)際情況可知，隨著距離的增加，振動(dòng)對人體舒適度的影響減少。各個(gè)場地周邊建筑層高不一，因此對于舒適距離的確定可采取實(shí)測法進(jìn)行推演。具體推演方法如圖6所示。

在5 000 kN·m夯擊能強(qiáng)夯條件下，對該項(xiàng)目周邊不同距離建筑物進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)整理、計(jì)算、匯總，部分結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在夯擊能為5 000 kN·m條件下，當(dāng)建筑物與夯擊點(diǎn)間的距離在0～90 m以內(nèi)時(shí)，建筑物內(nèi)人體舒適度不符合規(guī)范容許值；當(dāng)建筑物與夯擊點(diǎn)間的距離在≥90 m時(shí)，建筑物內(nèi)人體舒適性符合規(guī)范容許值。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種強(qiáng)夯振動(dòng)對周邊建（構(gòu)）筑物安全及人體舒適度的評價(jià)方法。結(jié)合具體工程項(xiàng)目，得出如下結(jié)論：

1）借助實(shí)測數(shù)據(jù)擬合曲線可得出建筑物結(jié)構(gòu)安全距離。

2）根據(jù)現(xiàn)場建筑物實(shí)測數(shù)據(jù)推演出符合規(guī)范容許值的距離節(jié)點(diǎn)，可用于建筑物內(nèi)人體舒適度評價(jià)。

3）在本工程實(shí)踐中，同時(shí)保障周邊建筑物安全與人體舒適的強(qiáng)夯施工距離約為90 m。

4）在其他工程應(yīng)用中，需不斷細(xì)化評價(jià)過程，準(zhǔn)確計(jì)算出特定地區(qū)、特定強(qiáng)夯條件下的距離參數(shù)，科學(xué)指導(dǎo)施工、實(shí)現(xiàn)利益最大化。

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作者簡介：劉金龍（1992—），男，漢族，河南洛陽人，中級(jí)工程師，碩士，研究方向：精密工程與工業(yè)測量。