城市公路隧道下穿房屋引起的環境振動影響研究

孫曉明

（上海市環境科學研究院 環境物理研究所，上海 200233）

近年來，城市化進程日益加快，高密度的建筑開發、大量人口的聚集都給城市交通帶來了很大的壓力，為適應經濟的發展，很多地方需要對舊路進行大修或改擴建。城市隧道的運行是封閉式，不受城市地面人、車和道路干擾的影響，車輛可快速暢通地行駛。與地面道路相比，它節省了城市建設用地，能極大緩解地面交通擁堵。非常符合我國城市地少人多的現狀。城市下穿隧道的修建對減少城市道路用地、縮短行車里程、疏導城市交通都有積極的作用。

城市地鐵隧道下穿住宅較多見，其引起的環境振動影響已有大量的研究工作，而城市公路隧道下穿住宅項目較少，其振動影響研究分析更是少之又少。本文擬參考地鐵隧道引起的環境振動影響分析方法來對公路隧道下穿住宅進行環境振動影響分析[1]。本文具有前瞻性，可為后續城市公路隧道的發展提供環境振動影響數據支撐。

1 項目隧道概況

上海某地擬規劃建設某條道路，其中規劃的某路段存在小部分房屋別墅的拆遷，鑒于近期別墅動遷難度大，為避免別墅區的近期拆遷，擬將上跨方案調整為下穿方案，如圖1所示。

圖1 項目總體平面和縱斷面圖

該別墅區內被一條小河分為南北兩個區域，如圖2 所示。下穿隧道主要沿本小河走向下穿建設，其中小河北側別墅與北線隧道邊界的水平距離為5 m 左右，小河南側別墅為南線隧道正下穿。現采用現場實測類比和有限元模型預測相結合的方法對公路隧道下穿住宅房屋引起的環境振動影響進行研究。

圖2 本項目現狀

通過對相近似工況的隧道進行類比實測[1]，預估隧道建成后該別墅可能受到的環境振動影響情況。

2 執行標準

根據該別墅周邊環境情況,該別墅執行“居民、文教區”標準。隨著現代人們的生活質量的改善和提高，因此對其所處的環境條件提出了更高的要求，因此本次研究增加推薦執行標準。

執行標準：《城市區域環境振動標準》（GB 10070-1988）[2]。

推薦標準：《 建筑工程容許振動標準（GB50868-2013）》,該標準中基礎處容許振動速度峰值指標是針對交通振動對建筑結構影響的時域評價指標。

3 類比測試點位

上海市目前無公路隧道下穿住宅項目，經調研上海市關于下穿隧道的設計及環評資料，通過選取與擬建路隧道埋深基本相一致，且周邊環境也具備較好的測試條件的三處下穿隧道進行類比實測，如圖3 所示，分別是龍耀路隧道、新建路隧道、外環隧道。

圖3 類比測試三處隧道位置圖

表1 中詳細列明了類比條件，從振源、傳遞路徑、接受點三大要素進行類比分析。可以發現龍耀路、新建路與本項目下穿隧道(以下稱該隧道)基本類比要素更為相似[3]。

表1 類比條件說明

三處類比隧道均為下穿黃浦江，所選監測點位均位于隧道兩端靠近出口處，其上方無住宅建筑。因此本次類比監測僅能參考室外地面振級。測點布置為埋深20 m處地面，分別選取車輛高峰運行時段測試地面振動加速度、速度。以大車為主的外環隧道振源最大(大車比最大、車速最大80 km/h)，其振動影響應最大。參考類比條件對比，根據類比性，該隧道地面振級應小于外環隧道振級。

目前，諸暨市基本上實現了“調解進機關、調解進學校、調解進廠礦、調解進社區、調解進鄉村、調解進市場”，“哪里有矛盾，哪里就有調解組織；哪里發生糾紛，哪里就有調解工作”以及 “專業矛盾專家調”。2017年，全市人民調解組織共受理矛盾糾紛16 823件，調處成功率達到97.7%。

4 現場實測

振動測試設備采用HEIMDaTaRec4Series 24 通道數據采集儀。加速度傳感器采用磁電式KD1500L，速度傳感器采用磁電式DH610V，采樣頻率為2 048 Hz。對各測點時域和頻域進行全記錄采樣，后處理采用Head Artemis進行數據分析。

現狀監測期間選取在隧道下午高峰運行時段，隧道內運行的車輛處于正常運行階段，車輛運行引起的地面受振動影響最大。測試過程中盡可能避免人為干擾，監測時間為20分鐘[4]。

5 類比測試結果

5.1 最大振動加速度振級

剔除外界干擾，下面分別列出了龍耀路隧道、新建路隧道、外環隧道線路垂直上方的環境振動最大值及相應的水平距離10 m 處（背景）振級值的1 Hz～80 Hz頻譜對比情況。

（1）龍耀路隧道最大振動加速度振級

從圖4 中振頻譜特征分析可見，以小車為主(大車90 輛/小時，小車1 200 輛/小時)的龍耀路隧道，隧道正上方分頻振級與背景差別不大。車輛運行時的振動特征頻率分布在10 Hz～12.5 Hz，較背景增大3.5 dB～4.4 dB。而低頻、高頻段與背景差別不大。

圖4 龍耀路隧道最大加速度頻域分析圖

（2）新建路隧道最大振動加速度振級。

從圖5 中頻譜特征分析可見，以小車為主(小車800輛/小時)的新建路隧道，隧道正上方分頻振級與背景差別不大。車輛運行時的振動特征頻率分布在8 Hz～12.5 Hz，較背景增大3.8 dB～5 dB。而低頻、高頻段與背景差別不大。

圖5 新建路隧道最大加速度頻域分析圖

（3）外環隧道最大振動加速度振級

從圖6中頻譜特征分析可見，以大車為主（大車1 000輛/小時）的外環隧道，隧道正上方分頻振級較背景差別較大。

圖6 外環路隧道最大加速度頻域分析圖

車輛經過時，受不同振動源強影響，表2中以大車為主的外環隧道比以小車為主的龍耀路隧道垂直上方的最大振級顯著大16.1 dB，比新建路道垂直上方的最大振級顯著大12.4 dB。說明以小車為主的隧道其受振動影響較小，以大車為主的隧道受振動影響較明顯。

表2 各隧道VLmax振級比較

表3 中，三處類比監測隧道的VLz10 振級均小于67 dB。受振動影響最大的外環隧道垂直上方的振級為63.2 dB，小于標準（67 dB）3.8 dB。參考這三處類比隧道監測結果，本項目振級預測應基于該類比實測結果范圍內。

表3 各隧道垂直上方地面振級

5.2 振動速度類比分析結果

根據表4 中地面振動速度結果統計值所示，三處隧道正上方垂直和水平的1 Hz～10 Hz、50 Hz、100 Hz分頻速度值均遠遠小于交通振動對建筑結構影響在時域范圍內的容許振動值，滿足《建筑工程容許振動標準（GB50868-2013）》要求[5]。

表4 三處隧道振動速度結果統計

6 有限元模型預測

采用有限元[6]的方法對本項目地塊別墅區建筑、土層及地下隧道等相連結構進行建模，模型按照地塊建筑、隧道結構現有設計方案建立。通過有限元法計算各頻率在單位加速度激勵下接收點的頻率響應情況，得到相應的傳遞函數，進而根據上述實測的大車加速度和速度源強計算地表建筑內外振動響應，模型如圖7所示。

圖7 室外預測點振動加速度頻譜曲線圖

對模型進行有限元計算，計算過程中，近似認為整個系統為線性振動系統[7]，振源可近似為隧道路面處沿汽車前進方向施加的垂向單位加速度（1 m/s2），振源激勵采用單點激勵，同時施加在雙向隧道路面行車線上[8]。

通過有限元法計算各頻率的單位激勵下接收點的頻率響應情況，得到相應的傳遞函數，進而根據實測的大車引起的加速度源強計算得到地面P1、P2點的振動響應。

6.1 振動加速度預測結果

通過有限元計算預測本項目下穿隧道結構，表5顯示工程通車后某某別墅的室外最大振級63.5 dB（W計權）達標，小于67 dB。

表5 振動加速度級達標分析

6.2 振動速度預測結果

南線和北線隧道距離最近的別墅室外預測點的最大振動速度計算結果如下：

表6可見室外各點垂向振動速度均達標。

表6 鉛垂向振動速度達標分析

表7可見室外各點水平向振動速度均達標。

表7 水平向振動速度達標分析

7 結語

通過圖紙等資料分析、現場踏勘分析,選擇主要設計參數、車流量以及地質、地形特點與該隧道相近的多處路段進行類比測試,采用有限元模型預測計算的方法預測隧道建成后某某別墅可能受到的環境影響況，在此基礎上提出相應的對策措施，降低其環境振動影響。

（1）根據相類似工況條件下的隧道類比實測結果初步分析，三處類比監測隧道振級VLz10 均小于67 dB，滿足環境振動標準。受振動影響最大的外環隧道垂直上方的振級為63.2 dB，也遠小于標準3.8 dB。預估該隧道建成后振動影響滿足標準要求。

（2）通過有限元預測，隧道垂直上方的住宅建筑受影響最大，室外受影響振級為56.6 dB～63.5 dB，均小于67 dB，滿足《城市區域環境振動標準》（GB10070-1988）；速度值也遠遠小于《建筑工程容許振動標準（GB50868-2013）》中“基礎處容許振動速度峰值（mm/s）”要求。

(3)建設單位可通過加強日常建筑環境振動監控，嚴格按照設計要求控制車流、車速、車輛載重等積極減振措施，最大限度降低本工程對該別墅建筑的振動影響。