基坑支護屏障對地鐵列車引起的建筑振動隔離效果

周謙 劉玉濤 閆曉夏 劉秀波

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所， 北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設計院有限公司， 廣東 深圳 518000

大型建筑都會涉及深基坑的開挖與支護。由于基坑地下連續墻能兼顧截水、防滲等功能，在地下車站、大型公用建筑中大量應用［1-2］。基坑地下連續墻與回填材料構成一道隔振屏障，能夠阻隔振動的傳播。

基坑支護屏障屬于剛性連續屏障，與連續混凝土排樁、混凝土填充溝等普通剛性連續屏障不同。普通剛性連續屏障一般距建筑有一定距離，并且屏障兩側均為土體。基坑支護屏障的一側為土體，另一側緊貼建筑結構。

目前，針對基坑支護屏障的隔振研究主要集中在地下連續墻對土體的隔振方面。樓夢麟等［3］對地面振動進行測試，發現地下連續墻對地面水平振動有隔振效果，對地面垂向振動無隔振效果。李寧［4］對設置地下連續墻前后同一時間段、相同測點的地面振動進行測試，發現地下連續墻對遠離地鐵一側的地面振動有明顯隔振效果，并且距地下連續墻越近，隔振效果越好。張曉鑫［5］通過仿真分析得出，地下連續墻對基坑底部的隔振效果約為1 dB。王通等［6］通過模型試驗研究了不同激振頻率下地下連續墻對不同深度土體的隔振效果，結果表明增大隔振屏障的寬度可有效提升隔振效果。

在地下連續墻對建筑的隔振方面，尚無相關研究，既有研究中只考慮了地下連續墻，未考慮不同回填材料的影響，而回填材料類型對振動傳播有較大影響［7-8］。本文以鄰近地鐵的某新建大型公共建筑為工程背景，通過現場實測和數值模擬，分析基坑支護屏障對建筑的隔振效果。

1 工程概況

某新建大型公共建筑工程位于深圳市福田區，南鄰深南大道，西鄰香蜜湖路，總建筑面積63 920 m2。該建筑具備藝術品館藏、展出、拍賣和舉辦大型國際會議等功能，對環境振動與噪聲有較高要求。

該公共建筑為地下3 層、地上3 層的框架結構，層高6 m，立柱橫向間距7 m，縱向間距10 m。樓頂、樓板、建筑外墻厚度均為20 cm。地下室底板、外墻厚度均為70 cm。建筑采用鉆孔樁基礎，鉆孔樁直徑1 m，入巖深度2 m。建筑深基坑采用地下連續墻支護，地下連續墻厚1.2 m，地下連續墻底較地下室底板深8 m，距地下室外墻1.5 m。該大型公共建筑的結構及所處地層見圖1。

圖1 大型公共建筑的結構及所處地層（單位：m）

地鐵雙線隧道從該建筑南側穿過，左線距建筑最南端25 m。隧道雙線間距13 m，埋深13 m，采用普通混凝土整體道床和非減振扣件，扣件間距0.6 m。地鐵運行車輛為A 型車，列車軸距2.5 m，行車速度為100 km/h。

2 數值模擬

2.1 模型建立與參數確定

基于有限元方法和車輛-軌道耦合動力學理論，建立車輛-軌道-隧道-大地-建筑系統動力學模型，見圖2。車輛采用多剛體模型，按雙線會車最不利工況計算。為減小邊界處機械波的反射，土體邊界處設置黏彈性人工邊界［9］。

圖2 系統動力學模型

巖土參數根據地質勘察報告確定，見表1。建筑參數根據建筑設計報告確定，見表2。

表1 巖土參數

表2 建筑參數

JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》規定地下連續墻與建筑間需采用素混凝土、級配碎石、素填土或灰土回填。灰土與素填土的動態彈性模量十分接近［10］，因此本文不分析回填灰土工況。回填材料參數：素填土參數參見表1；素混凝土參數同樓板；級配碎石的密度為2 100 kg/m3，動態彈性模量為500 MPa，動態泊松比為0.21［11］。

2.2 評價指標和標準

依據HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》和GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》，采用最大Z振級對隧道壁與地面振動大小進行評價。

2.3 模型驗證

對工程附近地鐵隧道壁振動和地面振動進行測試。隧道壁測點位于軌面上方1.25 m，地面測點分別距地鐵4.5、7.5、15.0、30.0 m處。

隧道壁與地面振動的最大Z振級實測值與數值模擬值對比見圖3。可知：①隧道壁最大Z 振級的實測值與數值模擬值僅相差0.4 dB；②地面最大Z 振級的實測值與數值模擬值也較接近，距地鐵左線隧道中線4.5 m 處兩者相差0.8 dB，其他位置兩者相差也不超過2.2 dB。這表明模型參數選取合理。

圖3 隧道壁與地面振動的最大Z 振級實測值與數值模擬值對比

2.4 計算結果分析

2.4.1 無基坑支護屏障時建筑的振動

地鐵引起的建筑振動較復雜，以靠近地鐵的建筑地下室拐角處為坐標原點建立直角坐標系，參見圖2。無基坑支護屏障時地下3層樓板最大Z振級見圖4。

圖4 無基坑支護屏障時地下3層樓板最大Z振級

由圖4可知，建筑靠近地鐵側的樓板（圖中虛線框區域）振動最大。

提取每一層樓板靠近地鐵側跨中節點（參見圖2中黑色圓點）最大Z 振級的平均值進行分析。無基坑支護屏障時不同樓層樓板最大Z振級見圖5。

圖5 無基坑支護屏障時不同樓層樓板最大Z振級

由圖5 可知：①地下3 層最大Z 振級最大，隨著樓層增高，樓板最大Z振級并非單調遞減；②與地上樓層相比，地下樓層最大Z 振級變化較大，變化幅度達到12 dB，地上樓層最大Z振級變化幅度約為3 dB。

不同樓層樓板最大Z 振級對應的分頻振級見圖6。可知：①不同樓層樓板振動頻域特征不同。地下3 層樓板在頻率20 ～ 25 Hz 及50 Hz 處分頻振級較大，頻率25 Hz處分頻振級（61 dB）最大；與地下3層相比，地下1、2 層樓板在頻率20 Hz 以上的振動大幅減小，頻率20 Hz以下的振動小幅增加，分頻振級在頻率10 ～ 12.5 Hz和20 ～ 31.5 Hz頻段較大。②與地下樓層相比，地上樓層在頻率12.5 Hz 以下的振動變化不大，頻率12.5 Hz以上的振動有所減小，頻率12.5 Hz處分頻振級較大。

圖6 不同樓層樓板對應的分頻振級

2.4.2 有無基坑支護屏障時建筑振動對比

地下連續墻后回填素混凝土與無基坑支護屏障時各樓層樓板最大Z 振級對比見圖7。可知：①地下連續墻后回填素混凝土時，地下3 層樓板最大Z 振級最大，其值為61.0 dB，從地下2 層到地上3 層樓板最大Z 振級都在50 dB 左右；②地下連續墻后回填素混凝土對地下樓層的隔振效果較好，在4.5 ～ 6.5 dB，而對地上樓層的隔振效果較差，對地上1 層的隔振效果約3.0 dB，對地上2 層與地上3 層的隔振效果約0.4 dB。

圖7 有無基坑支護屏障時各樓層樓板最大Z振級對比

地下連續墻后回填素混凝土與無基坑支護屏障時各樓層樓板分頻振級對比見圖8。

圖8 有無基坑支護屏障時各樓層樓板分頻振級對比

由圖8 可知：①地下樓層樓板在10 ～ 50 Hz頻段分頻振級較大，地下連續墻后回填素混凝土時該頻段各樓層樓板振級均比無基坑支護屏障時小，因此對地下樓層的隔振效果較好；②對于地上樓層，地下連續墻后回填素混凝土能夠減小10 ～ 20 Hz 頻段樓板振動，但會放大20 ～ 40 Hz 頻段樓板振動。因此，對地下樓層的隔振效果比地上樓層好。

2.4.3 回填材料對建筑振動的影響

不同回填材料振動傳播與衰減特性不同，回填材料類型直接影響建筑振動。地下連續墻后分別采用素混凝土、級配碎石和素填土回填，對樓板振動進行分析。

墻后回填不同材料與無基坑支護屏障時各樓層樓板最大Z 振級對比見圖9。可知：①回填級配碎石時各樓層樓板振動均小于無基坑支護屏障時，隔振效果在1 ～ 4 dB，地上2 層與3 層處隔振效果好于回填素混凝土時；②回填素填土時，從地下3 層到地上1 層處基坑支護屏障能夠起到隔振作用，地下3 層處隔振效果為4.1 dB，地上1 層處減小為0.3 dB，地上2 層和3 層處無隔振效果，地上2 層樓板振動反而增大了0.9 dB 左右；③從地下3 層至地上1 層回填素混凝土時隔振效果最好，地上2 層、3 層回填級配碎石時隔振效果最好。

圖9 墻后回填不同材料與無基坑支護屏障時各樓層樓板最大Z振級對比

回填不同材料時各樓層樓板分頻振級對比見圖10。可知：①回填不同材料時，地下3層樓板振動主頻為50 Hz，地下2 層樓板振動主頻為12.5 Hz。從地下1 層到地上2 層，回填級配碎石時樓板振動主頻與回填素混凝土、素填土時不同，回填級配碎石時振動主頻為20 ～ 25 Hz，回填素混凝土和素填土時振動主頻為12.5 Hz。地上3層處，回填不同材料時樓板振動主頻不同，回填素混凝土、級配碎石和素填土時，樓板振動主頻分別為31.5、20和12.5 Hz。②對于地下樓層，回填級配碎石和素填土時樓板分頻振級大于回填素混凝土時，回填素混凝土時隔振效果最好。對于地上樓層，與回填素混凝土時相比，回填級配碎石會放大20.0 ～ 25 Hz 頻段樓板振動，回填素填土能夠放大10.0 ～ 12.5 Hz 頻段，降低20.0 ～ 40.0 Hz 頻段樓板振動，在其他頻段回填三種材料時樓板振動接近，或回填素混凝土時樓板振動更大。由以上分析可知，回填材料的類型會影響各樓層樓板振動主頻和分頻振級，進而影響不同樓層隔振效果。

圖10 回填不同材料時各樓層樓板分頻振級對比

3 結論與建議

1）無基坑支護屏障時，隨著樓層增高，樓板最大Z振級并非單調遞減。地下樓層在頻率10 ～ 12.5、20 ～31.5、50 Hz 處分頻振級較大，地上樓層在頻率12.5 Hz處分頻振級較大。

2）地下連續墻后回填素混凝土會減小地下樓層樓板10 ～ 50 Hz頻段的振動，隔振效果在4.5 ～ 6.5 dB。地下連續墻后回填素混凝土會減小地上樓層樓板10 ～ 20 Hz 頻段的振動，但會放大20 ～ 40 Hz 頻段的振動，對地上樓層隔振效果較差。

3）回填材料的類型能夠影響樓板振動主頻和分頻振級，進而影響不同樓層隔振效果。從地下3 層至地上1層，三種回填材料均能起到隔振作用，回填素混凝土時隔振效果最好；對于地上2層、3層，回填級配碎石時隔振效果最好，回填素填土時無隔振效果。

4）工程建設中應針對建筑結構和場地特征選取適宜的回填材料。由于所研究的大型公共建筑振動敏感區位于地下樓層，因此建議該工程回填素混凝土。