區域環境振動對某擬建精密實驗室選址的影響分析

杜林林，蘭日清，祖曉臣，伍文科

（1.北京起重運輸機械設計研究院有限公司，北京100007；2.清華大學 土木工程系，北京100084；3.國機集團科學技術研究院有限公司 國機集團工程振動控制技術研究中心，北京100080）

隨著我國城市化建設的快速發展，市內道路、城市軌道交通、客運鐵路等在提高資源配置效率的同時，也對周邊環境產生了一定影響，提高了沿線環境振動水平[1]。囿于土地資源的有限性，部分城市所規劃建設高科技園區、科學城、精密實驗室愈發逼近交通干線。精密實驗室對環境振動要求極高[2]，振動超標將嚴重影響儀器設備的正常工作。為避免精密實驗室因振動超標無法正常投入使用從而造成二次投資，需對擬建場地的區域環境振動開展研究。

我國于1955年開始關注實驗室精密儀器的環境振動控制，京張鐵路運行振動對清華大學實驗室精密儀器的正常使用產生影響，最終采用了調整鐵路線路的方式進行振動控制[3]。進入21 世紀以來，伴隨著城市軌道交通建設的快速發展，部分學者就交通振動對精密儀器的影響開展了研究工作。孫曉靜等[4]探討地鐵振動對精密儀器和設備的影響，提出了綜合治理原則及減振措施。栗潤德等[5]通過測試地鐵和車輛引起的地面垂向振動加速度，研究了地鐵振動對精密儀器的影響。于梅[6]通過分析精密儀器環境振動測量和評價方法存在的問題，闡述了深入開展環境振動對精密儀器影響規律和測量方法研究工作的重要性。馬蒙等[7]采用現場實測與數值模擬相結合的預測方法，基于周期性有限元-邊界元耦合方法和實測振動響應傳遞比，開展了地鐵列車振動對精密儀器影響的預測研究。張鵬飛等[8-9]通過建立軌道-橋梁及橋墩-基礎-土體計算模型，分析了鐵路環境振動對沿線廠房內精密儀器的影響。陳建琪等[10-11]在擬安裝精密鏜床設備的車間場地開展地脈動測試與高鐵激勵下的振動測試，研究了場地的動力性能與高鐵沖擊荷載激勵下的振動響應特性，從整體上評價了環境振動對精密儀器、設備的影響，基于隔振理論提出了針對精密鏜床設備基礎的隔振方案。高廣運等[12-13]通過現場實測和數值模擬方法，對蘇州某高科技電子工業廠區微振動水平進行分析，對該廠房防微振設計提出了建設性意見；其通過分析自由場地及廠房主體結構的微振動響應特性，研究了某電子工業廠房主體結構完工后的微振動特性。劉輝[14]基于實測數據分析，評價了不同交通工況下環境振動對浦東新區計量質量檢測所實驗室的振動響應。

以上研究對精密儀器環境振動控制及評估起到了指導作用，但其多集中于既有工程的環境振動影響評估及控制方面，缺乏對區域環境振動水平的整體性分析和評估。交通環境振動對沿線的影響主要取決于交通運輸形式和場地特點。振動強度在遠離線路中心時有一定波動，但整體呈下降趨勢。為了分析評估區域環境振動強度，本文以某擬建精密實驗室為例，通過測試綜合分析城市區域環境振動特點，分類分區給出振動分布水平，為精確指導工程實踐提供有力支撐。

1 區域環境振動測試

某精密實驗室選址區域位于工業生產片區，周圍分布有高速鐵路、市內道路、生產加工車間和工程施工場地。考慮到實驗室規劃及周邊生產建設情況，遠期主要考慮高速鐵路、市內道路對實驗室內精密儀器的影響，即主要研究交通環境振動對實驗室選址的影響。

1.1 主要振源及場地條件分析

結合選址區域現狀和區域遠期發展規劃可知，高速鐵路和市內道路是影響擬建精密實驗室振動環境的主要振源。區域周邊高速鐵路運行列車主要包括和諧號系列動車組、復興號系列動車組，車輛運行時速為300 km/h，軌道采用板式道床無砟軌道結構。區域周邊道路為市政次干路，采用雙向4 車道瀝青混凝土道路，路面有部分裂縫和坑槽，設計行車速度為40 km/h，通行車輛主要為小汽車，車流較為頻繁但不擁堵。

選址區域沿線范圍地形較平坦，局部有一定起伏，場地主要為現狀市政道路、鄉道、工業區。場地呈現沖洪積平原地貌，由素填土、粉質黏土、砂質黏土、風化花崗巖組成。

為評估區域環境振動情況，本文針對交通振動開展測試分析工作。

1.2 測線選取及測點布置

結合選址區域內高速鐵路和城市道路的分布情況，為了充分掌握區域內的環境振動水平，結合場地的實際條件，綜合選取7 條測線共計37 個測點開展測試分析。其中，在高速鐵路沿線布設4條測線，為L-1～L-4，在城市道路沿線布設3 條測線，為l-1～l-3，如圖1 所示。其中，L-1 測線布設于休閑步道，L-2、L-3測線布設于城市道路上，L-4測線布設于荒地處，L-1～L-3位于鐵路橋梁段，L-4位于鐵路路基段。l-1測線布設于區域綠地上，l-2、l-3測線布設于廠區內部道路上（測試時廠區未進行生產作業）。受區域環境條件限制，根據各測線所處條件，在不同間隔距離處布設測點，各測線布置、各測點位置以及各測點距線路中心距離如圖1所示。

圖1 擬建區域振動測試測點布置情況

1.3 測試儀器

本次測試選用的Kinemetrics 公司ETNA2 加速度傳感器主要性能參數如表1所示，測試儀器如圖2所示，分析軟件為DASP-V11工程版。

圖2 ETNA2三向加速度傳感器

表1 ETNA2加速度傳感器參數

1.4 數據分析和評估

目前，國際上對于精密儀器環境振動的評價通常采用通用振動標準（generic Vibration Criterion,VC），即VC 曲線標準。該標準是由Eric Ungar、Colin Gordon[15-16]于20 世紀80年代為了解決精密制造業面臨的振動問題而創立的一套“通用”振動標準。該標準為振動敏感型生產設施和儀器設備的設計提供了支撐，后被ISO 標準以及IEST（Institute for Environmental Sciences and Technology，美國環境科學與技術協會，2007）發布的“潔凈室設計注意事項”推薦實施規程采納。VC曲線標準在1/3倍頻程內采用速度有效值作為評價指標，分為VC-A～VC-G 7個級別，考慮了不同頻率振動等級對不同精密設備的影響，具體要求如表2所示。

表2 VC-曲線控制標準

2 區域環境振動分析

為分析區域環境振動對精密儀器實驗室選址的影響，采用1/3倍頻程域內的速度有效值分析交通環境振動，并利用VC 曲線標準評價交通線路沿線振動影響情況，評估場地振動對精密儀器實驗室選址的影響。

2.1 高速鐵路沿線環境振動分析

本小節分析高速鐵路列車運行對沿線區域環境振動的影響。限于篇幅要求，以L-4為例進行分析。圖3、圖4所示分別為測點L-4-1、L-4-5在列車通過和背景振動時的橫向（垂直于線路，即x向）、縱向（平行于線路，即y向）和豎向（z向）響應。

觀察圖3、圖4，可知：

圖3 列車運行引起的L-4-1測點處（距線路中心25 m）環境振動響應

圖4 列車運行引起的L-4-5測點處（距線路中心200 m）環境振動響應

（1）列車通過引起的環境振動響應具有一定的波動性；

（2）高速鐵路運行時的振動可傳播至沿線200 m處，200 m外振動平均值基本達到VC-C。

接下來，以列車通過時各測點振動響應的平均值為指標，評價鐵路沿線的振動情況。本小節以L-1、L-4測線為例進行分析，圖5、圖6所示分別為測線L-1、L-4 在列車通過和背景振動時的橫向、縱向和豎向響應。

觀察圖5、圖6，可知：

圖5 列車運行引起的L-1測線各測點處的振動響應

圖6 列車運行引起的L-4測線各測點處的振動響應

（1）對于高鐵列車運行所引起的環境振動，其在各頻帶的振動響應隨距離增加整體呈衰減趨勢，但并非單調遞減，而是波動起伏式衰減；

（2）20 Hz 以下頻段的振動響應隨著距離的增加衰減幅度很小，建設精密儀器實驗室時要充分考慮低頻振動的影響。

2.2 市政道路沿線環境振動分析

本節分析道路交通對沿線環境振動的影響。限于篇幅要求，以l-1為例進行分析，如圖7、圖8所示，分別為測點l-1-1、l-1-6 在路面交通振動和背景振動時的橫向（垂直于道路，即x向）、縱向（平行于道路，即y向）和豎向（z向）響應。

觀察圖7、圖8，可知：

圖7 市政道路車輛引起的l-1-1測點處（距線路中心30 m）環境振動響應

圖8 市政道路車輛引起的l-1-6測點處（距線路中心235 m）環境振動響應

（1）市政道路交通引起的環境振動1/3 倍頻程速度響應曲線呈山形分布，響應顯著頻帶位于8 Hz～25 Hz；隨著距離的增加，全頻段振動響應均有一定衰減，10 Hz以上頻帶的響應衰減顯著；

（2）市政道路交通引起的環境振動在各頻段均有顯著的波動性，振動響應以豎向為主；在道路周邊30 m范圍內，振動強度在VC-B以上；

（3）由l-1-6測點的響應可知，市政交通引起的振動響應平均值與背景振動響應基本重合，市政交通振動對道路沿線235 m以外區域的影響很小。

接下來，以道路交通車輛通過時各測點振動響應的平均值為指標分析道路交通振動響應情況。本小節以l-1 為例進行分析，如圖9 所示為測線l-1 各測點處在車輛通過和背景振動時的橫向、縱向和豎向振動響應。

圖9 市政道路車輛引起l-1測線各測點處的環境振動響應

觀察圖9可知：

（1）道路交通對豎向振動影響顯著，豎向振動隨著距離的增加整體呈衰減趨勢，水平向（橫向和縱向）振動呈波動起伏衰減趨勢；

（2）道路交通對3.15 Hz 以下振動的影響很小，該頻段振動以環境振動為主；

（3）在道路周邊150 m以外區域，道路交通引起的環境振動基本滿足VC-E的要求。

2.3 選址區域交通沿線振動水平分析

結合實驗室選址所在區域各測點處的振動響應情況，考慮各測點振動響應所呈現出的波動性特點，以各測點振動響應平均值為基準，在測試覆蓋區域范圍內可分類給出交通沿線不同區域所滿足的環境振動水平，具體如表3所示。

表3 交通沿線不同區域環境振動水平建議值

結合擬建精密實驗室不同儀器對環境振動等級的要求，可根據表3進行區域性選址規劃。

3 結語

為評估區域環境振動對精密實驗室選址的影響，通過現場測試和分析，重點研究了高速鐵路、市政次干路沿線的環境振動水平，以VC 曲線作為評價指標，分析了不同區域的振動水平，得到以下結論：

（1）高速鐵路運行時產生的1 Hz～20 Hz 頻段振動在土層中衰減較慢，可傳播至沿線200 m 以外區域；

（2）高鐵沿線200 m 外區域振動水平基本達到VC-C，擬建精密儀器實驗室區域周邊有高鐵線路時，在實驗室的選址、功能規劃以及建設時要充分考慮高速鐵路低頻振動對周邊區域的影響；

（3）以小汽車通行為主的市政次干路，道路交通對周邊環境的影響程度低于高速鐵路，道路周邊150 m以外區域環境振動基本滿足VC-E的要求；

（4）形成了交通線路周邊區域環境振動分布水平等級表，可為精密實驗室的區域選址提供一定的支撐。