地鐵車輛段咽喉區上蓋建筑振動響應規律研究

何蕾，宋瑞祥，鄔玉斌，吳瓊

（北京市勞動保護科學研究所，北京 100054）

引言

地鐵車輛段上蓋物業遵循以公共交通為導向的新城市發展理念，在節約利用土地的同時反哺軌道建設，是當前各大城市建設的熱點。然而由于上蓋建筑與地鐵線路零距離接觸，噪聲振動污染成為限制車輛段上蓋開發規劃的關鍵因素。尤其車輛段咽喉區線路道岔密集，輪岔沖擊振動顯著，隔振手段有限，咽喉區上蓋成為住宅、幼兒園、養老設施等振動敏感建筑的禁區，每個車輛段約6hm2的咽喉區覆蓋面積僅作為綠化或配套設施規劃，造成大面積土地浪費，不利于上蓋空間功能合理布局及高效利用。

針對咽喉區道岔線路的振動影響，國內學者先期開展了大量研究工作。鄒超[1]、鄒林志[2]等通過現場測試手段分析了咽喉區線路運營產生的振動加速度在周邊場地上及車輛段結構中的時、頻域衰減規律，鄔玉斌[3]等結合有限元計算分析了咽喉區鄰近落地建筑振動響應規律，何蕾等[4]通過現場振動監測統計分析了車速對咽喉區上蓋建筑環境振動的影響規律。但在實際運營條件下，咽喉區上蓋建筑室內振動響應特性及影響規律鮮有分析研究。

本文以現場試驗為手段，展開實際運營條件下的咽喉區上蓋框架結構建筑室內振動響應分布特性及線路影響規律的研究，為車輛段上蓋建筑規劃設計及振動控制提供依據。

1 試驗方案

1.1 測試對象

測試地點為北京地區某地鐵車輛段，采用6B車型，其咽喉區采用碎石道床，道床下鋪設橡膠彈性道砟墊，道岔結構均為固定轍叉式7號單開道岔。咽喉區以高10.6m鋼筋混凝土框架結構覆蓋，以上蓋某鋼框架結構辦公建筑為對象展開測試分析。

該辦公建筑位于咽喉區中部，正下方股道線路為7～14股道，并含4組單開道岔，南側距離15股道水平距離11.0m，距離18股道18.4m，建筑與線路平面位置關系如圖1所示。

圖1 測試建筑與咽喉區線路位置關系

1.2 測點布置

建筑內部中央為連通大廳，四周環繞布置獨立隔間辦公室，于鄰近拐角的室內地面（瓷磚）中央設置垂向振動加速度測點。其中一層房間面積為41.8m2，二層、三層房間面積為15.8m2，測點分布見圖2。

圖2 建筑室內測點位置

1.3 測試儀器及時間

采用B&K8344型振動加速度傳感器及B&K3560型PULSE數據采集儀，對室內振動連續監測3天。每日出庫時間集中于早晨4:40～7:17和上午9:46～10:50（約1h），回庫時間集中于下午16:24～17:55（約1h）及晚上19:27～24:29，其中上下午的出入庫時間和辦公時間有重合，共計約2h。

2 試驗結果

2.1 時頻域振動響應特性

建筑正下方7股道同一列車出入庫時室內2層的波形曲線如圖3所示。出庫波形呈現典型紡錘形，通過時間約60s；入庫工況下波形呈現“三段式”，顯示有停車等待跡象，通過時長約140s，且峰值加速度出庫高于入庫。

圖3 正下方股道出入庫時典型波形曲線

建筑正下方7股道出入庫時各樓層室內1～100Hz典型頻譜曲線如圖4所示。出入庫工況下各樓層室內峰值頻率均出現在10.7Hz和16.5Hz左右。總體上看，振動沿各樓層向上傳播過程呈現高頻衰減、低頻放大的趨勢。首層振動在40～60Hz區間頻率成分豐富，至二層和三層有明顯減弱；20～40Hz區間內二層室內振動有微弱突出，至三層降低顯著；20Hz以內則由一層傳播至上部樓層后有放大趨勢，一層10.7Hz振動加速度為0.000 522m/s2（入庫）和0.000 661m/s2（出庫），三層室內振動加速度放大至0.001 1m/s2（入庫）和0.001 51m/s2（出庫），增大約2.1～2.3倍。

圖4 正下方股道出入庫時典型頻譜曲線

2.2 列車個體的影響

同一股道連續7列車出庫時，室內二層監測得到10.7Hz峰值振動加速度及均方根加速度值見圖5。可見不同車次運行時上蓋建筑室內振動加速度響應具有一定的離散性，振動加速度均方根值相比平均值最大偏離17.4%，這10.7Hz單頻振動加速度相比平均值最大偏離33.8%，這與不同司機的駕駛習慣、車速、車輪踏面磨耗等情況密切相關。

圖5 同一股道不同列車出庫時振動加速度

2.3 運營線路與建筑間相對位置關系的影響

監測實際運營條件下咽喉區各股道線路出庫時室內二層測點在10.7Hz單頻振動加速度平均值見圖6。5～14股道位于建筑正下方，其中5～8股道、9～12股道、13～14股道分別分屬同一跨，且7/8股道位于所測房間正下方。9/10股道列車行駛時誘發樓板振動明顯弱于12股道，主要原因為9、10股道在建筑正下方直線通過，且9股道無道岔結構、10股道道岔結構臨近周邊無結構柱，根據鄒超等[2]分析，直線區間線路源強明顯低于道岔區間，因而9股道線路源強偏小，10股道振動能量經過較長距離的巖土阻尼衰減，而12股道連續兩次側向進岔（兩岔心間距34m），且第一組道岔緊鄰咽喉區立柱（2.5m），激勵源高于其他線路且振動能量缺乏巖土阻尼阻尼衰減，噪聲可噪聲可沿立柱及轉換層傳播至建筑結構。

圖6 實際運營條件下列車出庫時室內二層振動加速度

圖7為監測所得振動加速度與測試房間與線路水平距離的關系。可見，總體上振動加速度隨房間與線路水平距離增大呈現降低的趨勢，相關系數達到0.7以上，但距離相近的各線路運行誘發的室內振動響應仍有較大差別。一方面由于線路中輪岔沖擊振動異于普通線路區間，道岔在線路中的位置以及列車直側向進岔方式使得線路激勵源變得復雜，另一方面對于咽喉區上蓋建筑結構，振動傳播路徑為軌道結構—路基—結構柱—結構轉換層—建筑立柱，軌道結構與咽喉區框架結構柱之間的距離以及上部結構轉換方式成為振動衰減的主要環節，而咽喉區結構柱網分布往往不規則，因而并不能僅依據線路水平距離位置關系判斷各股線路對建筑結構的振動影響。

圖7 線路與所測房間水平距離對振動加速度的影響

3 結論

以北京某地鐵車輛段咽喉區上蓋某三層辦公建筑為例，以現場試驗的方法分析了實際運營條件下道岔區上蓋框架結構建筑室內振動響應及影響規律，得到如下結論：

（1）出庫波形呈現典型紡錘形，入庫時列車停車等待信號，波形呈現“三段式”，且峰值加速度出庫高于入庫。

（2）振動沿各樓層向上傳播過程呈40Hz以上高頻衰減、20Hz以下低頻放大的趨勢，三層相比首層在10.7Hz處單頻振動加速度增大約2.1～2.3倍。

（3）同一股道不同列車運行時建筑室內振動加速度響應具有一定的離散性，振動加速度均方根值相比平均值最大偏離17.4%。

（4）總體上，振動加速度隨房間與線路水平距離增大呈現降低的趨勢，相關系數約為0.7，但距離相近的各線路運行誘發的室內振動響應仍有較大差別，軌道結構與咽喉區框架結構柱間的距離以及上部結構轉換方式是振動衰減的主要環節，應作為振動響應的重點考慮因素。