地鐵振動的地下連續(xù)墻隔振實測分析★

李 寧

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200438)

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地鐵振動的地下連續(xù)墻隔振實測分析★

李 寧

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200438)

通過現(xiàn)場實測上海某地鐵沿線場地設(shè)置地下連續(xù)墻前后的振動變化情況，從時域和頻域角度，分析了地下連續(xù)墻對地鐵振動的隔振效果及規(guī)律，測試分析結(jié)果表明：地下連續(xù)墻對地鐵運(yùn)營引發(fā)的地面中高頻及低頻振動均有較好的隔振效果，可作為一種減小地鐵振動對環(huán)境影響的有效隔振手段。

地下連續(xù)墻，地鐵振動，隔振效果，加速度

1 概述

對于軌道交通系統(tǒng)，地鐵列車在軌道上行駛時，車輪與軌道接觸引起軌道周期性的振動、車輪在軌道接縫處引起的沖擊振動會經(jīng)鋼軌通過道床傳到隧道結(jié)構(gòu)，再通過隧道結(jié)構(gòu)傳遞到周圍的土層中，進(jìn)而通過土層向四周傳播，誘發(fā)附近地下結(jié)構(gòu)以及地面建筑物的二次振動。

為減少振動對環(huán)境影響，填充溝等屏障隔振方式在工程中得到應(yīng)用。地下連續(xù)墻作為一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因可適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件、整體剛度大、整體性好、可減少工程施工對周圍環(huán)境的影響等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。從屏障隔振的角度來看，混凝土地下連續(xù)墻相當(dāng)于填充材料為混凝土的填充溝，屬于一種剛性連續(xù)屏障。文獻(xiàn)[1]研究了空溝和填充溝渠屏障的隔振效果，研究表明填充溝屏障可以減少80%的振動。文獻(xiàn)[2]研究了影響屏障的主要參量，得出了剛性屏障不會產(chǎn)生明顯的入射波全投射的現(xiàn)象，在實際工程中首先選擇剛性屏障。文獻(xiàn)[3]采用類比調(diào)查與理論估算相結(jié)合的手段，分析研究了上海音樂廳遷移后受地鐵運(yùn)行振動影響的程度和范圍，認(rèn)為在上海音樂廳的防振措施中僅有地下連續(xù)墻的方案存在可行性。文獻(xiàn)[4][5]分別采用數(shù)值方法分析了地下連續(xù)墻對地鐵振動的隔振規(guī)律。由于數(shù)值計算在參數(shù)取值、計算假定方面與實際均有所差異，得出的結(jié)論與實際規(guī)律可能有所偏差。并且，地鐵引起的振動通過土層向建筑物內(nèi)傳播的過程非常復(fù)雜，有很多不確定性因素有待于研究，建筑物的實測資料有時比數(shù)值分析更重要[6]。

綜上，有必要開展地下連續(xù)墻對地鐵振動隔振效果的實測研究。本文通過實測的方式對地鐵振動的地下連續(xù)墻隔振及相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了探討。

2 地下連續(xù)墻隔振效果實測分析

2.1 測試場地環(huán)境

本次地下連續(xù)墻隔振效果測試在上海市某地鐵沿線工地進(jìn)行。在工地建筑紅線范圍內(nèi)設(shè)置有厚度為0.8 m、深度為20 m的鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行基坑圍護(hù)。北側(cè)公路路面下為東西走向的某地鐵區(qū)間隧道，埋深8 m左右。為減小施工振動影響，本次振動測試在午間工地施工活動停止時進(jìn)行。

2.2 測試設(shè)備

主要測試設(shè)備包括美國國家儀器公司的NIUSB6210采集卡、中國地震局工程力學(xué)研究所的941型放大器、941B型超低頻拾振器及北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所的DASP-V10測試分析軟件工程版。

2.3 測點布置

為驗證鋼筋混凝土地下連續(xù)墻對地鐵振動的隔振效果，在場地設(shè)置地連墻前后同一時間段地鐵經(jīng)過時，分別對地連墻遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)地面相同測點1，2，3處的地面鉛垂向振動響應(yīng)進(jìn)行測試分析，比較設(shè)置地連墻前后的場地振動差異。

測點布置如圖1所示，地面測點1，2，3距離地鐵隧道下行線中心線分別為15.5 m，24.3 m和32.3 m，距離地連墻分別為9.5 m，18.3 m和26.3 m，測點連線垂直于地連墻。每個測點布置1個拾振器，測試方向為鉛垂向，測試振動指標(biāo)為加速度。

2.4 數(shù)據(jù)分析評價方法

1)隔振效果的時域評價方法。

本文采用振動加速度級VAL來描述振動強(qiáng)度，單位為dB(分貝)，其定義見式(1)。

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

其中，arms為加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度值，大小為10-6m/s2。

同時，為更直觀地看出隔振前后振動變化量，還采用屏障隔振研究中普遍采用的振幅衰減系數(shù)AR[7]作為隔振效果評價指標(biāo)，其表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

若某測點隔振后的振幅衰減系數(shù)為AR，則表明隔振后該點的振動減小了(1-AR)×100%。

通過以下推導(dǎo)過程可以獲得振動加速度級變化量ΔVAL與AR之間的換算關(guān)系。

令隔振前后的同一測點的振動加速度級分別為VAL1和VAL2，對應(yīng)的加速度有效值分別為a1和a2，則根據(jù)式(1)得:

(3)

即:

AR=10ΔVAL/20

(4)

本文中擬采用上述方法在時域內(nèi)評價地連墻對地鐵振動的隔振效果。

2)隔振效果的1/3倍頻程評價方法。

1/3倍頻程法是國際上用于分析環(huán)境微振動的標(biāo)準(zhǔn)頻域方法。其具體計算過程如下：

a.將采集到的加速度時程曲線進(jìn)行快速傅葉變換(FFT)轉(zhuǎn)換至頻域，并計算功譜密度函數(shù)(PSDF)：

(5)

其中，|Y(f)|為加速度時程曲線經(jīng)過FFT變換的振幅；T為時域內(nèi)選取的時程。

b.將頻率軸劃分為若干寬頻帶，每個寬頻帶上下限頻率分別為fu和fl，中心頻率為:

fc=21/6×fl=2-1/6×fu

(6)

c.在每一寬頻段中計算累計的中心頻率功密度函數(shù)積分值Ey(fc):

(7)

d.計算中心頻率fc的RMS(Root-Mean-Square)頻譜值:

(8)

即可得到以中心頻率為橫坐標(biāo)的加速度頻域曲線。

本文采用1/3倍頻程法在頻域內(nèi)分析地連墻對不同頻率區(qū)間范圍內(nèi)地鐵振動的隔振效果。

2.5 地鐵振動的地連墻隔振效果分析

1)地連墻隔振效果時域分析。

現(xiàn)場記錄了地連墻隔振前后、相同時間段內(nèi)7輛地鐵列車經(jīng)過測線時各測點振動加速度數(shù)據(jù)。繪制隔振前后各測點典型加速度時程曲線如圖2所示，列舉隔振前后各測點加速度級與平均振動加速度級如表1所示，繪制隔振前后各測點平均振動加速度級隨距離變化如圖3所示。

由圖2知，設(shè)置地連墻前，地鐵列車經(jīng)過時引發(fā)振動從測點1傳播至測點3過程中呈衰減趨勢，振動加速度時程曲線振幅依次減小。設(shè)置地連墻后，同時段地鐵列車經(jīng)過時，各測點振動幅值較設(shè)置地連墻前有明顯減小。由表1及圖3可更清楚地看出，設(shè)置地連墻后，同時段7輛地鐵列車經(jīng)過測線時，測點1，2，3的平均振動加速度級依次減小了9.8 dB(67.6%)，2.76 dB(27.2%)和1.75 dB(18.2%)，振幅衰減系數(shù)AR分別為32.4%,72.8%和81.8%?？梢?，地鐵經(jīng)過時，地連墻對其遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)的地面振動有明顯隔振效果。地面測點距地連墻越近，隔振效果越好，振動減小幅度越大；隨著距離的增大，測點處隔振效果逐漸變差，測點振動開始逐漸趨近但仍小于隔振前振動級別。

表1 隔振前后各測點地鐵

dB

2)地連墻隔振效果頻域分析。

以上從時域角度分析了地鐵振動的地連墻隔振效果，該隔振效果是不同頻段振動減小的綜合體現(xiàn)。為了解地連墻對哪個頻段的地鐵振動影響較顯著，下文擬從頻域角度開展進(jìn)一步分析。為方便描述，定義設(shè)置地連墻后，測點振動減小的頻率區(qū)間為“有效隔振頻率區(qū)間”。

圖4為對應(yīng)于圖2所示隔振前后各測點典型加速度時程的1/3倍頻程曲線。由圖4知，設(shè)置地連墻前，地鐵列車經(jīng)過時，各地面測點振動頻率主要集中于50 Hz～80 Hz中高頻段，與文獻(xiàn)[8]中“地鐵運(yùn)行引起的地面振動的主要頻率成分在60 Hz～80 Hz之間”的結(jié)論基本一致。設(shè)置地連墻后，距地連墻最近的測點1有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～8 Hz，16 Hz～20 Hz，31.5 Hz～100 Hz；測點2有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～6.3 Hz，50 Hz～80 Hz；測點3有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～6.3 Hz，40 Hz～100 Hz。各測點的公共有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～6.3 Hz，50 Hz～80 Hz，這兩個頻率區(qū)間內(nèi)各測點處的振動加速度級減小量如表2所示。

表2 地連墻隔振后各測點

dB

由表2知，地連墻對地鐵振動主頻所在50 Hz～80 Hz中高頻段的振動成分有顯著隔振效果。其中，隨測點至地連墻距離的增大，50 Hz～80 Hz中高頻段地鐵振動加速度級減小量由11.26 dB～14.94 dB逐步減小至3.89 dB～7.37 dB，隔振效果逐步減弱。此外，地連墻對1 Hz～6.3 Hz低頻段振動成分也有明顯隔振效果，但該頻段地鐵振動隔振效果隨測點距離變化規(guī)律性不強(qiáng)。

3 結(jié)語

本文基于現(xiàn)場實測振動數(shù)據(jù)，從時域和頻域角度分析了鋼筋混凝土地下連續(xù)墻對地鐵振動的隔振效果及規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)由時域分析結(jié)果知，地鐵經(jīng)過時，地連墻對其遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)的地面振動有明顯隔振效果。其中，地面測點距地連墻越近，隔振效果越好，振動減小幅度越大；隨著測點至地連墻距離的增大，振動減小幅度也隨之減小。

2)由頻域分析結(jié)果知，地連墻對地鐵振動主頻所在50 Hz～80 Hz中高頻段的振動成分有顯著隔振效果。對1 Hz～6.3 Hz低頻段振動成分也有明顯隔振效果。

3)各測點50 Hz～80 Hz中高頻段地鐵振動隔振效果隨測點至地連墻距離的增大而逐步減弱；各測點1 Hz～6.3 Hz低頻段地鐵振動隔振效果隨測點距離變化規(guī)律性不強(qiáng)。

4)地下連續(xù)墻可視為填充材料為混凝土的填充溝，對地鐵運(yùn)營引發(fā)的地面中高頻振動和低頻振動均有不同程度的隔振效果，可作為一種減小地鐵振動對環(huán)境影響的有效隔振手段。

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The underground continuous wall isolation vibration measurement analysis on subway vibration★

Li Ning

(ShanghaiRockandSoilEngineeringDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Shanghai200438,China)

Through the field measured the vibration change situation before and after along a subway site in Shanghai setting of underground continuous wall, from the time domain and frequency domain, this paper analyzed the vibration isolation effect and rule of underground continuous wall to subway vibration, the test and analysis results showed that: the underground continuous wall had good vibration isolation effect to ground mid-high frequency and low frequency vibrations caused by subway operation, could be used as a effective vibration isolation methods reducing the influence of subway vibration to environmental.

underground continuous wall, subway vibration, vibration isolation effect, acceleration

1009-6825(2016)18-0051-03

2016-04-16★：上海市科委科研計劃項目(項目編號：10231200704)

李 寧(1980- )，男，博士，工程師

TU435

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