地鐵沿線建筑環境振動及減振措施效果研究

張婧，鄔玉斌，宋瑞祥，何蕾，劉必燈，吳丹

（北京市勞動保護科學研究所，北京 100054）

1 引言

為緩解交通擁堵，國內各大城市都在積極發展公共交通系統，其中地鐵交通以其方便、快捷、準時、載客量大等優點，成為人們日常出行的重要交通工具。地鐵在給人們日常出行帶來便利的同時，也會引起環境振動及噪聲污染[1～4]。隨著城市軌道交通線網逐漸加密及城市用地日益緊缺，地鐵線路距離建筑物越來越近，如何采取有效措施，盡量減小地鐵運行引起的環境振動及噪聲影響，確保周邊建筑能夠滿足相應的振動噪聲標準要求，在提高土地開發利用率的同時也能提升周邊建筑內居民的舒適度，已成為地鐵周邊物業開發急需解決的問題。

為解決地鐵運行引起的振動噪聲污染問題，從根本上還是要對地鐵運行引起的振動問題進行預測和控制。根據振動產生機理、傳播規律以及受振體的響應特點，減振降噪可以從振源[5、6]、振動傳播路徑[7、8]和受振體[9、10]三方面采取對策。隨著城市用地逐漸緊缺，建筑物和軌道交通線路距離越來越近，甚至出現線路下穿建筑的案例。對于這種軌道交通線路附近的近距離建筑物而言，單一的振動源強減振措施一般無法滿足需求，而傳播途徑減振措施又會受到城市地下管網的限制，這使得受振體自身防護成為治理軌道交通運行所致近距離建筑振動超標量大時的重要途徑，并因此成為研究熱點。

本文以北京某地塊臨近地鐵線路的建筑物為例，采用類比測試和數值仿真相結合的研究方法，對地鐵運行下建筑物室內振動響應進行預測分析，并對建筑物自身減振措施進行效果預測。

2 項目概況

選取北京某地鐵線路周邊建筑為研究對象，該建筑的結構邊線距軌道中心線7.2m，建筑物與線路平面位置關系見圖1。該建筑物為剪力墻結構，建筑基礎為筏板基礎，建筑層高2.9m，地上22層，地下部分2層，通過通道與地庫連接。地鐵線路目前尚未開通運行，線路擬采用列車類型為A型車8輛編組，通過時速為89.4km/h。區間隧道為單線單洞馬蹄形隧道，地鐵軌面距地面約21m。地鐵線路擬采用特殊減振——液體阻尼鋼彈簧浮置板道床措施。

圖1 建筑與線路相對位置關系

3 地鐵振動影響預測分析

由于線路尚未開通運行，先選取與本項目地鐵線路條件相似的其他營運地鐵線路進行實測，采用類比實測和數值仿真相結合的方法預測地鐵運行引起該建筑的室內振動情況。

3.1 地鐵振動源強類比測試

根據地鐵線路條件選取相似線路進行實測，類比線路與本項目振源線路類比性分析見下表。由下表可見類比振源與該項目源強在多數類比因素上具有一致性或相似性，車速差異通過《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》[11]附錄D提供的預測模型進行修正。對類比線路源強展開實測，經過數據處理和分析，確定68.5dB作為本文的參考隧道壁源強最大Z振級。

該項目與類比線路參數對比表

3.2 地鐵振動影響數值仿真分析

3.2.1 建立模型及確定荷載

參照實際工程結構建立“隧道—土層—建筑物”有限元模型，見圖2。土體采用實體單元模擬，建筑樓板、剪力墻等結構采用殼單元模擬，鋼軌及梁柱采用梁單元模擬，扣件采用彈簧單元模擬，土層參數按照實際地勘資料確定。模型四周及底部邊界處設置黏彈性人工邊界以滿足半無限空間的單向輻射條件。

圖2 隧道—土層—建筑三維有限元模型

輪軌力采用類比斷面鋼軌加速度實測數據計算反演求得，輪軌力時域及頻域曲線見圖3。

圖3 輪軌力時程曲線及頻譜分布

3.2.2 仿真模型校驗

提取靠近該建筑隧道洞壁處四個節點的豎向加速度值，經計算得最大Z振級，見圖4。由圖4可知，計算值與實測值較為吻合，模型精度較為可靠。

圖4 隧道洞壁處拾振點計算值與實測值對比

根據建筑與源強的相對位置關系，選取靠近地鐵線路一側單元各層中六處典型位置作為拾振點提取豎向加速度值，位置見圖5。

圖5 建筑物室內拾振點位置

3.2.3 建筑物環境振動仿真結果分析

經計算，該建筑室內各樓層所有拾振點的振動加速度有效值為0.001 9～0.018 2m/s2。圖6所示為各樓層所有拾振點的平均加速度有效值隨樓層變化的情況。由圖6可知，樓板的平均振動加速度有效值隨樓層增高大致呈先降低后升高的波動分布規律。

圖6 建筑物振動加速度有效值隨樓層變化趨勢

4 振動控制措施效果分析

為提升居住品質，對該建筑進行基礎隔振設計。在原模型基礎上進一步建立了建筑基礎減振措施有限元模型，隔振材料通過實體單元進行模擬，隔振材料—建筑有限元模型見圖7。其中減振墊材料為聚氨酯彈性材料，根據基底壓力應確定減振墊型號及厚度。減振墊鋪設位置見圖7。模型拾振點位置與建筑物基礎不鋪設減振墊時位置相同（見圖5）。

圖7 隔振材料-建筑物有限元模型

經計算，鋪設減振墊后各樓層所有拾振點的振動加速度有效值為0.001 2～0.011 3m/s2。圖8為建筑物各樓層鋪設減振墊前后的平均加速度有效值的對比圖，由圖8可看出，實施減振措施后，所有樓層室內的平均振動加速度有效值均有不同程度降低，相比未鋪設減振墊下降。

圖8 各樓層減振量

5 結論

綜合采用類比測試和數值仿真法對北京市某地鐵線路周邊建筑進行環境振動和控制措施效果分析研究，結論如下：

（1）采取振動控制措施前，建筑室內振動加速度有效值為0.001 9～0.018 2m/s2，建筑物樓板的平均振動加速度有效值隨樓層增高大致呈先降低后升高的波動分布規律。

（2）為進一步提升居住品質，在建筑物基礎鋪設減振墊。采用控制措施后，建筑物室內振動加速度有效值為0.001 2～0.011 3m/s2，各樓層的平均振動加速度有效值都有不同程度下降，相比未鋪設減振墊時最大下降47%，控制措施效果較為明顯。

該研究成果可為類似工程的臨近地鐵建筑物受地鐵振動影響預測分析及受振體減振措施設計提供參考。