隔振墊在TOD建筑振動及二次輻射噪聲控制中的應(yīng)用研究

曾亮，鄧攀，周志強(qiáng)，徐鴻，尹鏹

（1.成都軌道城市投資集團(tuán)有限公司，成都 610041；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 引言

TOD（Transit Oriented Development）是以城市軌道交通站點(diǎn)為核心， 在500～800 m 半徑范圍內(nèi)按照圈層規(guī)劃的片區(qū)發(fā)展模式。 城市軌道交通運(yùn)行引起的振動對城市軌道交通沿線居民的工作和生活造成一定的影響， 目前這個問題受到越來越多的關(guān)注。 在進(jìn)行城市軌道交通TOD 項(xiàng)目開發(fā)的時候更應(yīng)該受到重視， 既有城市軌道交通線路的振動將會傳導(dǎo)至建筑基礎(chǔ)，引起建筑結(jié)構(gòu)振動，影響建筑開發(fā)品質(zhì)。李曉霖等[1]以北京地鐵四惠車輛段上蓋大平臺及其上方的住宅樓為研究對象，建立FLAC 二維動力數(shù)值分析模型，得到地鐵列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動對車輛段上蓋及開發(fā)建筑的影響規(guī)律， 指出各幢樓振動強(qiáng)度豎直方向較水平方向更為顯著。張?zhí)扃萚2]對地鐵沿線建筑物室內(nèi)振動與噪聲特性進(jìn)行測試與分析， 發(fā)現(xiàn)地鐵沿線建筑物室內(nèi)各振動、噪聲測點(diǎn)峰值頻率基本一致，在扣件A工況下峰值頻率約為63 Hz，替換為剛度較低的扣件B 后，峰值頻率在40～50 Hz 左右。 包碧玉等[3]以北京某地鐵線路下穿復(fù)合地基高層辦公樓建筑為研究對象， 分析了軌道浮置板對建筑內(nèi)振動的減振效果， 指出浮置板軌道的減振效果隨樓層增加有一定的增強(qiáng)，最大Z 振級插入損失為2.2～12.4 dB；在中心頻率大于20 Hz 時，分頻振級插入損失為10 dB 至31 dB，減振效果明顯。

可以看出， 既有的研究大部分集中在城市軌道交通運(yùn)行對建筑物的振動影響程度的測試和仿真分析， 治理的手段集中在軌道交通軌道自身，本文結(jié)合工程實(shí)際，針對此類減振降噪，進(jìn)行了在建筑物自身基礎(chǔ)采取隔振墊措施的研究分析。

2 項(xiàng)目概況

雙鳳橋TOD 項(xiàng)目位于成都市武侯區(qū)，用地面積2.17 萬m2，建筑面積約為10.65 萬m2， 主要功能為商業(yè)購物、 酒店綜合體，地下2 層、地上7 層結(jié)構(gòu)。地下室底板埋深為10 m，地上建筑結(jié)構(gòu)高度為37.65 m。

既有地鐵線路資料表明， 項(xiàng)目地塊位于地鐵區(qū)間線路DK14+800～DK14+900 側(cè)上方，地下室側(cè)墻和區(qū)間隧道側(cè)墻最小水平距離15.5 m（見圖1），地下室底板和區(qū)間隧道頂板最小豎向距離5 m，該區(qū)段的區(qū)間線路軌面埋深約20 m。 距離地塊較近的區(qū)間線路為上行線（近軌線路），鋪設(shè)有雙層非線性減振扣件；距離地塊較遠(yuǎn)的區(qū)間線路為下行線（遠(yuǎn)軌線路），為普通整體式道床未鋪設(shè)減振扣件， 既有地鐵線路運(yùn)行對商業(yè)購物、酒店綜合體造成的影響需進(jìn)一步檢測和分析。

圖1 工程平面圖

3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

雙鳳橋TOD 項(xiàng)目建筑規(guī)劃用途為星級酒店，對環(huán)境振動和噪聲要求較高。 為提升項(xiàng)目建筑開發(fā)品質(zhì)， 提高居住舒適性，1 層及地下室振動采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[4]中“混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)”鉛垂向最大Z 振級晝間不得超過75 dB， 夜間不得超過72 dB 的規(guī)定，2 層以上酒店采用“居民、文教區(qū)”晝間振動不得超過70 dB，夜間不得超過67dB 的規(guī)定。 1 層及地下室室內(nèi)二次輻射噪聲采用JGJ/T 170—2009 《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)》[5]中“混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)”列車通過時段等效連續(xù)A 聲級，晝間限值為41 dB（A），夜間限值為38 dB（A），4 層以上酒店采用“居民、文教區(qū)”限值標(biāo)準(zhǔn)晝間不得超過38 dB（A），夜間不得超過35 dB（A）的規(guī)定。

4 現(xiàn)場振動實(shí)測

現(xiàn)場振動實(shí)測主要是對振源及地表的振動加速度進(jìn)行現(xiàn)場采樣，以便了解振源及地表振動現(xiàn)狀，為預(yù)測模型提供計(jì)算所需的荷載輸入，同時進(jìn)行模型驗(yàn)證。

4.1 隧道內(nèi)測試

振源振動實(shí)測在地鐵近軌道線路選取1 個測試斷面，主要針對線路鋼軌垂向、道床垂向、隧道壁垂向等位置進(jìn)行在線振動檢測。 隧道內(nèi)現(xiàn)場測試照片如圖2 所示。

圖2 隧道內(nèi)測試圖

振源振動實(shí)測結(jié)果表明， 列車通過測試斷面時速度為77 km/h，鋼軌、道床以及隧道壁的豎向加速度分別為200 m/s2、1 m/s2和0.1 m/s2。 鋼軌垂向振動加速度、 道床垂向振動加速度、隧道壁垂向振動加速度如圖3 所示。

圖3 各測點(diǎn)時域波形

4.2 地面振動測試

在擬建項(xiàng)目地塊地面進(jìn)行振動水平及衰減規(guī)律測試。 延地鐵線路垂直斷面布置了7 個測點(diǎn)， 分別距離近軌線路軌道中心線20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m。

測試結(jié)果表明隨著距離從20 m 增加到50 m，地面振動加速度幅值由0.025 m/s2逐漸衰減到0.007 m/s2。 典型距離處波形如圖4 所示。

圖4 地面不同距離測點(diǎn)振動波形

5 預(yù)測模型

5.1 車輛- 軌道耦合動力學(xué)模型

建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型[6]。在整個大模型中，利用車輛-軌道耦合動力學(xué)理論將車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)看作一個相互作用、相互耦合的整體大系統(tǒng)，把輪軌接觸關(guān)系作為連接車輛和軌道結(jié)構(gòu)的紐帶，模型結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 車輛- 軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型

5.2 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行建模計(jì)算時，需考慮邊界與阻尼的問題。 彈性波在有限元模擬的土體中傳播時，在截?cái)噙吔缣帟l(fā)生反射，造成波場失真[7]，消除這個反射效應(yīng)才能更準(zhǔn)確地進(jìn)行振動預(yù)測。 采用三維一致人工邊界能夠消除截?cái)噙吔缭斐傻姆瓷湫?yīng)， 可模擬人工邊界外的半無限介質(zhì)彈性恢復(fù)性能[8]。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙建立綜合體“軌道-隧道-土層-敏感建筑”三維預(yù)測模型（見圖6），其中建筑物樓板、剪力墻等結(jié)構(gòu)采用Shell 181 殼單元，土體采用Solid185 實(shí)體單元模擬。

圖6 有限元模型

6 預(yù)測結(jié)果

分析地鐵列車以77 km/h 運(yùn)行時，雙鳳橋TOD 項(xiàng)目各層建筑的振動和室內(nèi)二次輻射噪聲情況。 根據(jù)測試結(jié)果判斷受到地鐵影響的建筑集中在區(qū)域A （見圖7） 內(nèi)。 仿真預(yù)測提取-2 層地下室、1 層商業(yè)、4～7 層客房的不同位置（測點(diǎn)1～測點(diǎn)9）的振動和二次輻射噪聲進(jìn)行分析。

圖7 預(yù)測結(jié)果提取點(diǎn)

預(yù)測結(jié)果顯示1 層及地下室最大Z 振級值為67.7 dB，未超過商業(yè)區(qū)振動標(biāo)準(zhǔn)。2 層及以上客房最大振級為62.5 dB，未超過居民區(qū)振動標(biāo)準(zhǔn)限值。

室內(nèi)二次輻射噪聲超標(biāo)的區(qū)域較大。-2 層地下室和1 層商業(yè)測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)6 二次輻射噪聲超過了商業(yè)區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)量0.8～6.6 dB（A）；2 層以上客房的測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)6 二次輻射噪聲超過居民區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)量為1.8～4.4 dB（A）。

7 控制措施及效果預(yù)測

7.1 控制措施

綜合各方面因素，本項(xiàng)目選用建筑基礎(chǔ)隔振。 該技術(shù)施工快速、簡便，對既有運(yùn)營線路不會造成干擾和影響。 隔振墊鋪設(shè)形式采用在建筑基礎(chǔ)底板下部和側(cè)墻外側(cè)整體鋪設(shè)， 隔振墊厚度通常為25 mm，最大不超過50 mm，不影響整體建筑結(jié)構(gòu)體系。

7.2 效果預(yù)測

根據(jù)建筑物的質(zhì)量和隔振頻率要求， 選取隔振墊垂向剛度為2.1×108N/m3。 在距離近軌中心線50 m 范圍內(nèi)的地下室底板、主樓基礎(chǔ)均鋪設(shè)隔振墊，并對隔振效果進(jìn)行仿真預(yù)測。

預(yù)測結(jié)果顯示1 層及地下室最大Z 振級值為61.4 dB，未超過商業(yè)區(qū)振動標(biāo)準(zhǔn)。2 層及以上客房最大振級為56.2 dB，未超過居民區(qū)振動標(biāo)準(zhǔn)限值。

-2 層地下室和1 層商業(yè)測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)6 二次輻射噪聲范圍為33.0～36.3 dB （A）， 未超過了商業(yè)混合區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)；2 層以上客房的測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)6 二次輻射噪聲范圍為30.6～31.1 dB（A），未超過居民文教區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)。

8 結(jié)論

本文采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對雙鳳橋TOD 建筑物受地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動和室內(nèi)二次輻射噪聲影響進(jìn)行了評估。 根據(jù)預(yù)測結(jié)果和現(xiàn)場條件提出了在建筑物地下室鋪設(shè)隔振墊進(jìn)行減振降噪的方案， 并對方案的減振降噪效果進(jìn)行了評估，結(jié)論如下。

1） 實(shí)測結(jié)果表明： 地下室基礎(chǔ)邊界處， 振動最大值為69.1 dB，距離地鐵近軌線路軌道中心線40 m 處，振動超過67 dB 限值， 距離地鐵近軌線路軌道中心線50 m 處振動最大值58.5 dB。

2）仿真分析結(jié)果表明，不采用任何措施情況下，所有測點(diǎn)振動均不超標(biāo)。 室內(nèi)二次輻射噪聲超標(biāo)的區(qū)域較大。 -2 層地下室和1 層商業(yè)測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)6 二次輻射噪聲超過了商業(yè)區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)量0.8～6.6 dB（A）；4 層以上客房的測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)6 二次輻射噪聲超過居民區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)量為1.8～4.4 dB（A）。

3）在鋪設(shè)基礎(chǔ)隔振墊層后，所有預(yù)測點(diǎn)的振動和二次輻射噪聲均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。 該技術(shù)可在類似工程振動噪聲治理中推廣使用。