地鐵停車場上蓋振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲影響研究

張宇明，杜麒麟，尹鏹，徐志勝

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究院，成都 610031）

1 前言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市土地資源日益緊張，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)逐漸成為發(fā)展的主題，做好土地資源的合理利用逐漸成為當(dāng)前城市發(fā)展的重要工作內(nèi)容[1～3]。

地鐵停車場是城市軌道交通領(lǐng)域里一項(xiàng)占地面積大、工藝要求嚴(yán)謹(jǐn)而又功能單一的市政設(shè)施。據(jù)國際相關(guān)經(jīng)驗(yàn)證明，對其上蓋進(jìn)行控制性的物業(yè)開發(fā)不但可以為城市發(fā)展節(jié)約土地資源，改善用地景觀，而且通過對上蓋物業(yè)使用權(quán)的打包或者分拆出售，可為地鐵建設(shè)提供可觀的資金來源，減輕政府負(fù)擔(dān)。我國越來越多的城市在軌道交通建設(shè)過程中開展物業(yè)開發(fā)的研究，以求充分利用土地的經(jīng)濟(jì)潛力。

目前，我國地鐵上蓋物業(yè)已在北京、深圳等城市取得了較好的發(fā)展。通過對北京、深圳等地的調(diào)研，地鐵停車場振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲對上蓋建筑的影響是地鐵上蓋開發(fā)的主要制約因素之一。

本文以某營運(yùn)中的雙層地鐵停車場為研究對象，通過實(shí)測的方法獲得道床、地下層及地面層的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2 停車場概況

2.1 平面布置

該地下雙層地鐵停車場的具體平面布置圖見圖1。從平面圖上看，停車場主要分為3個(gè)區(qū)域：B區(qū)咽喉區(qū)、C區(qū)停車庫、D區(qū)停車庫。

圖1 停車庫分區(qū)圖

2.2 豎向布置

該地鐵停車場的結(jié)構(gòu)剖面圖見圖2。在豎向上分為地下與地上兩部分。其中，地下為2層地下停車場，地上為7～9層住宅。地上部分與地下部分共用結(jié)構(gòu)支撐柱。

圖2 地鐵停車場結(jié)構(gòu)剖面圖

3 停車場振動(dòng)測試

3.1 測點(diǎn)布置

在該地下雙層地鐵停車場車輛運(yùn)行的情況下進(jìn)行了振動(dòng)實(shí)測工作，分別在負(fù)一層車輛單獨(dú)運(yùn)行行車、負(fù)二層車輛單獨(dú)運(yùn)行行車、負(fù)一層負(fù)二層車輛同時(shí)運(yùn)行，三種工況下進(jìn)行測試，測試期間列車開行平均速度約為5km/h。

根據(jù)建筑物分布情況，對應(yīng)B、C、D三個(gè)區(qū)域具有代表性的位置進(jìn)行布點(diǎn)。本次測試共分6個(gè)斷面，1號斷面位于B區(qū)咽喉段，往后依次為2號、3號、4號、5號斷面，斷面6位于D區(qū)入庫段端頭處。對每個(gè)斷面分別在負(fù)二層、負(fù)一層、地面層進(jìn)行布點(diǎn)。其中地下層布點(diǎn)位于樁基處和道床外，地面層布點(diǎn)位于樁基處和兩個(gè)樁基之間的結(jié)構(gòu)薄弱處。具體斷面布置見圖3，具體測點(diǎn)位置見表1。

圖3 監(jiān)測斷面布點(diǎn)示意圖

3.2 測試結(jié)果

按照《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）[4]的加速度振級公式，將測試得到的加速度轉(zhuǎn)換為Z計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級。

表1 停車場頂層（上蓋物業(yè)地面層）振動(dòng)測試結(jié)果表

據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，1）從豎向上看：在三種工況下的測試中，負(fù)一層單獨(dú)跑車與地下兩層同時(shí)跑車的情況下，振動(dòng)測試結(jié)果基本相當(dāng)，因此在地鐵停車場運(yùn)行中，負(fù)一樓的地鐵出入引起的振動(dòng)在整個(gè)過程中為主導(dǎo)因素；垂直方向上，振級隨結(jié)構(gòu)從負(fù)一層至地面層有所衰減。2）從平面上看，在B區(qū)咽喉區(qū)測點(diǎn)的振動(dòng)測試值大于庫區(qū)（C區(qū)和D區(qū)），這是由于咽喉區(qū)設(shè)有道岔，停車場咽喉道岔區(qū)振動(dòng)是上蓋部分的主要振源。

4號斷面庫頂振動(dòng)原始波形見圖4。

圖4 4號斷面庫頂振動(dòng)原始波形圖

4 模型預(yù)測及分析

4.1 模型建立及預(yù)測思路

4.1.1 模型建立

采用ANSYS軟件建立有限元模型，模型按照圖紙建立了詳細(xì)的停車場地下及上蓋建筑物有限元模型，并按照實(shí)際截面對鋼軌進(jìn)行建模。模型按照地勘報(bào)告建立了分層土體，土體總厚度30m，邊界范圍為建筑最外邊線向外延伸30m以上。土體最外側(cè)為半無限粘彈性邊界單元。研究振動(dòng)分析的有限元仿真模型見圖5、圖6。

圖5 上下部整體模型示意圖

圖6 住宅樓局部模型示意圖

4.1.2 預(yù)測思路

（1）計(jì)算下部結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比。建立車輛—軌道系統(tǒng)模型并進(jìn)行動(dòng)力相互作用計(jì)算，得到下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。將計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果進(jìn)行對比（見表2），可看出各個(gè)測點(diǎn)的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相近，表明所建立的預(yù)測模型準(zhǔn)確可靠。

（2）分析上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，預(yù)測振級。在整體計(jì)算模型中，通過輪軌激勵(lì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，得到住宅建筑結(jié)構(gòu)各部分的動(dòng)力響應(yīng)。

停車場地下部分Z振級計(jì)算結(jié)果對比見表2。

表2 停車場地下部分Z振級計(jì)算結(jié)果對比 單位：dB

4.2 模型預(yù)測結(jié)果分析

計(jì)算得到上蓋建筑結(jié)構(gòu)的最大豎向 Z 振級統(tǒng)計(jì)見表3。根據(jù)測試結(jié)果及預(yù)測結(jié)果，B1（負(fù)一層）行車是建筑振動(dòng)的最主要因素，故本文僅給出 B1 層（負(fù)一層）行車時(shí)的預(yù)測結(jié)果。住宅的振動(dòng)均超過了《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）[4]相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的限值。

在模型預(yù)測振動(dòng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上參照下式[5]計(jì)算住宅層室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲。

式中：

Lp（房間）— 建筑物內(nèi)中部聲壓級，dB；

表3 地鐵上蓋各棟住宅豎向振級計(jì)算結(jié)果

La（房間）— 建筑物內(nèi)地板中部振動(dòng)加速度級，dB；

f— 倍頻程中心頻率，Hz。

經(jīng)過計(jì)算，在未采取相關(guān)措施情況下，各棟住宅的二次噪聲均超過了《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）[4]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。計(jì)算得到上蓋建筑結(jié)構(gòu)的二次噪聲結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 地鐵上蓋各棟住宅二次結(jié)構(gòu)噪聲計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論與建議

通過對地下雙層地鐵停車場的振動(dòng)實(shí)測和模型預(yù)測，得出以下結(jié)論：

（1）對該地鐵停車場水平和豎直方向監(jiān)測布點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果，得出各層振動(dòng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果表明：1）負(fù)一層單獨(dú)跑車與地下兩層同時(shí)跑車的情況下，振動(dòng)測試結(jié)果基本相當(dāng)，因此在地鐵停車場運(yùn)行中，負(fù)一樓的地鐵出入引起的振動(dòng)在整個(gè)過程中為主導(dǎo)因素；2）從平面上看，在B區(qū)咽喉區(qū)測點(diǎn)的振動(dòng)測試值大于庫區(qū)（C區(qū)和D區(qū)），這是由于咽喉區(qū)設(shè)有道岔，停車場咽喉道岔區(qū)振動(dòng)是上蓋部分的主要振源。

（2）在實(shí)測基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計(jì)文件建立了數(shù)值模型，對住宅層振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明住宅各層均受地鐵停車場振動(dòng)影響，在無相關(guān)措施情況下，臨近咽喉區(qū)的建筑振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲最大值已高于標(biāo)準(zhǔn)限值。

（3）實(shí)測及預(yù)測結(jié)果表明，上蓋建筑在地鐵停車場不同區(qū)域受到的振動(dòng)影響情況有一定差異，在咽喉區(qū)上方建筑受到的振動(dòng)影響明顯大于車庫區(qū)上方建筑。

因此，建議在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化建筑布局，盡量避開咽喉區(qū)域，同時(shí)建議在地鐵停車場設(shè)計(jì)階段預(yù)留足夠的減振措施。