王 建

(廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州 510010)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，地鐵以其占用地面空間少、速度快、運量大、方便、準時、舒適等優(yōu)點而成為解決城市交通擁堵問題的重要手段［1］，但其對周邊環(huán)境的噪聲、振動影響也日益顯現(xiàn)，在國際上振動己被列為七大公害之一。

文獻［2］顯示:當?shù)罔F列車在區(qū)間以時速50 ～70 km/h 運行時，在北京(隧道埋深為9 ～16 m)對地面環(huán)境振動影響范圍為40 ～50 m;在上海(隧道埋深為10 ～16 m)對地面環(huán)境振動影響范圍為20 m。由此可見，最簡單的處理措施是控制周邊建筑與軌道交通車站、區(qū)間的距離。另外，軌道交通沿線的土地整理、開發(fā)已成為主要融資方式，其中，地鐵站+物業(yè)一體化的大型綜合體更是最重要的開發(fā)形式。如何減少間隔距離，同時控制對地鐵物業(yè)的噪聲、振動影響，給設計人員提出了很高的要求。

筆者總結了地鐵物業(yè)——南海金融城的減振降噪設計方案，同時結合現(xiàn)場環(huán)境測試數(shù)據(jù)，對設計方案進行了后評估，認為其設計方案、結論具有很強的現(xiàn)實意義。

1 地鐵物業(yè)減振降噪設計

1.1 項目概況

南海金融城項目為廣佛地鐵金融高新區(qū)站上蓋建筑，位于廣佛線南海金融城站及金融城—長桂路區(qū)間地塊內(nèi)，車站(150 m)、區(qū)間(160 m)線路斜穿地塊。車站正上方布置4 ～5 層裙樓，車站南側布置4 棟住宅塔樓(142 m)，區(qū)間西北側為辦公、酒店塔樓(170 m)，且部分核心筒落在區(qū)間隧道上需進行轉(zhuǎn)換。

1.2 降噪設計

城市軌道交通一般按專有路權設計，其軌行區(qū)與外界是完全隔離的，這就為地下線與有地下室的物業(yè)進行降噪設計提供了便利條件。

降噪一般有隔聲、吸聲、消聲三種方式。對于采用封閉運行的地下段，隔聲是最有效的處理方式。勻質(zhì)單層板與雙層板結構(板-空氣-板)的平均隔聲量可分別按以下估算［3］:

圖1 雙層板空氣層厚度和附加隔聲量的關系

金融高新區(qū)站站廳層為滿足防火及人防要求，與南海金融城物業(yè)分隔結構采用400 mm 厚砼墻;站臺層高出物業(yè)車庫，為滿足人防、水土側壓要求，兩者之間設置700 mm 厚砼墻。在區(qū)間，地鐵結構與物業(yè)采用脫離布置，物業(yè)底板厚600 mm、地鐵隧道頂板厚500 mm，中間留有100 mm空氣層，在傳播路徑上盡量減少其影響。根據(jù)式(1)～式(2)可計算出車站與區(qū)間結構的平均隔聲量，結果如表1所示，從表1可以看出結構隔聲的效果明顯。

表1 車站與區(qū)間結構隔聲量

1.3 減振設計

對于采用封閉運行的地下交通系統(tǒng)，其內(nèi)部噪聲對外部環(huán)境不會造成較大干擾，但是振動的影響相對較大。根據(jù)振動傳播特征(見圖2)，可在振源、傳播途徑上分別采取控制設計。

圖2 軌道交通引起的環(huán)境振動關系

1.3.1 振源控制設計

1)金融城站及其相鄰區(qū)間軌道結構采用鋼彈簧浮置板道床，與普通軌道結構相比能使振動加速度級減少20～30 dB［3］，其效果最為明顯且可控。

2)金融城站為島式車站，區(qū)間左右線分離，通過底板拉通，形成一個整體結構，并在中間底板上回填黏土，一方面可滿足抗浮要求，另一方面可有效增加受振質(zhì)量，減少振動速度級。

根據(jù)文獻［4］可知，地鐵隧道墻體的振動速度級Lv(dB)與地鐵隧道結構平均厚度之間的經(jīng)驗關系式為

式中，d為地鐵隧道結構的平均厚度，一般為0.4～1.25 m。

從式(3)得出:隧道結構的平均厚度增加一倍，振動速度級降低17 dB;隧道結構的質(zhì)量增大一倍，振動速度級降低6 dB。

1.3.2 傳播路徑控制設計

地鐵振動在土壤介質(zhì)傳播的衰減由兩部分組成，一部分是阻尼衰減，另一部分則是由于距離的增加而引發(fā)的輻射衰減。其中，輻射衰減是傳播衰減的主要貢獻者，而阻尼衰減相對較小，在地鐵影響范圍內(nèi)，衰減量一般小于5 dB［5］，為隔阻振動向建筑物傳播，可增大建筑物與地鐵的距離。另外，振動在傳播中的能量損失和介質(zhì)內(nèi)部顆粒的密實度有較大關系，密實度越高，其損失越小，因此，在砼結構中更易對地鐵周邊的建筑造成影響，設計時若將建筑結構與地鐵結構完全分離亦可隔阻振動。

振動的Z計權速度級隨距離衰減的關系［6］，有

式中，CD為振動速度級隨距離的衰減量(dB);a，b為待定系數(shù)，通過類比測量得到;R為預測點至隧道底部外軌中心線的直線距離，m，有

式中，L為預測點至外軌中心線的水平距離，m;H為預測點至軌頂面的垂直距離，m;λ為底層阻尼因子，見表2。

表2 阻尼因子與地層的關系

1)總平面設計。由于本綜合體有對振動噪聲較為敏感的住宅，也有標準相對較低的辦公樓、商業(yè)裙樓，因此，在平面布置上需體現(xiàn)“增加傳播距離”的原則。車站需要停車方便上下乘客換乘，線路直順且后期維護保養(yǎng)條件好，可在其附近布置住宅;而區(qū)間相對振級較大，可布置辦公樓、酒店;商業(yè)裙樓則直接布置在線路正上方，總平面布置如圖3所示。

圖3 物業(yè)與地鐵的平面關系

2)立面設計。根據(jù)車站、區(qū)間不同的振動特性，物業(yè)與地鐵結構采用兩種不同的處理形式:在車站，物業(yè)與地鐵共用樓板、側墻;但在區(qū)間，物業(yè)結構和地鐵結構采用全分離設計，結構最小間距為100 mm。物業(yè)與地鐵立面關系如圖4所示。

圖4 物業(yè)與地鐵的立面關系

2 地鐵振動測試

2.1 測試方案

2.1.1 測試布置

南海金融城項目地鐵振動測試的主要參量為振動頻率及測點鉛垂向加速度時程，評價指標為鉛垂向振動加速度的最大Z振級VLz，max。實際測量時還測量了水平加速度時程，并對其振級VL進行了分析以供參考。綜合考慮評估需求、現(xiàn)場在建工程的結構特點、施工情況和地鐵運行狀況等因素，將現(xiàn)場分為7個測區(qū)，共布置47個測點進行測試，如表3所示。

表3 南海金融城測區(qū)分組

設置測區(qū)1和測區(qū)7的目的，主要是為考察地鐵振動在與軌道垂直的水平方向(Y向)的傳播規(guī)律和對結構的影響。此外，在其中距軌道較近的測點1-1、1-10、1-11、7-1、7-10、7-11還采集了鉛垂向(Z向)的加速度時程以供分析;設置測區(qū)2～測區(qū)6的目的主要是為考察地鐵振動在鉛垂方向(Z向)的傳播規(guī)律和對結構的影響。

2.1.2 測試儀器和設備

本次測試采用某研究所研制的智能信號采集處理分析儀(型號:INV306DF)、大容量數(shù)據(jù)自動采集和信號處理系統(tǒng)(DASP 2003專業(yè)版)、中國地震局研制的超低頻測振儀(941B型)及拾振器(941B型)，在結構適當位置布置測點并采樣。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設置圖如圖15所示，現(xiàn)場測試儀器如圖5所示，現(xiàn)場測試儀器如圖6所示。

圖5 振動測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設置

圖6 現(xiàn)場測試儀器

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

2.2.1 振級與距離的關系

測區(qū)1和測區(qū)7各測點的最大水平振級與距軌道中心線水平距離的關系如圖7所示。從圖中可以看出，最大水平振級分布在40～60 dB的區(qū)間，水平向振動的最大振級有隨距軌道中心線距離的增加而減小的趨勢，但在部分測點出現(xiàn)了反彈。這說明在離開地鐵隧道中心的一定距離處存在水平振動放大區(qū)，這個距離依地層條件、隧道埋深、地基基礎及結構特性而定。本文討論的地鐵金融城站典型區(qū)段，距軌道中心線20～45 m。

圖7 最大水平振級隨距離的變化

測區(qū)1各測點的晝間(6∶00—22:00)、夜間(22∶00—6∶00)最大鉛垂振級與距軌道中心水平距離的關系如圖8所示。從圖中可以看出，最大晝間鉛垂振級分布在50～60 dB的區(qū)間，最大夜間鉛垂振級分布在50～55 dB的區(qū)間，其值均較水平向的相應值要大，這充分說明地鐵運行引起的建筑結構振動以鉛垂向為主。另外，最大鉛垂振級在整體上隨著距軌道中心線距離的增加而減小，在個別測點出現(xiàn)微小反彈，但變化值不大。

測區(qū)2～6各測點的最大鉛垂振級與測點標高的關系如圖9所示。從圖中可以看出，最大鉛垂振級在底部2層略有起伏，在以上各樓層變化幅度不大，振動在鉛垂向的傳播大體上隨著高度的增加而有逐步衰減的趨勢，在局部因與結構特性等因素相關而稍有波動。

2.2.2 振級頻率與距離的關系

測區(qū)1各測點的晝間1/3倍頻程中心頻率段上的鉛垂振級，隨距軌道中心線距離的變化如圖10所示。從圖中可以看出，4 Hz以下的振動隨距離變化衰減顯著，但在10～25 m處出現(xiàn)波動;而5～20 Hz的振動，總的來說隨距離的增大稍有增加，但變化不大;起主要作用的中心頻率為25 Hz和31.5 Hz，兩者均在距軌道中心最近的測點達到最大值，之后衰減明顯，到約17.46 m處的鉛垂振動能量已經(jīng)衰減約1/3;40～80 Hz中心頻段的振動同樣隨距離的增加衰減明顯，各頻段在不同的距離處各自產(chǎn)生一定的波動，這是由場地的土層變化引起波動干涉的結果。從圖中還可以看出，起主要控制作用的中心頻率為31.5和40 Hz。

圖8 最大鉛垂振級隨距離的變化

圖9 最大鉛垂振級隨標高的變化

圖10 測區(qū)1鉛垂振動1/3倍頻程中心頻率的振級隨距離的變化

圖11 測區(qū)3鉛垂振動1/3倍頻程中心頻率的振級沿高度變化

測區(qū)3各測點1/3倍頻程中心頻率段的鉛垂振級隨高度的變化如圖11所示。從圖中可以看出，10 Hz以下的振動隨距離變化的規(guī)律不明顯，有放大也有衰減，但總體變化不大;10 Hz以上的振動，總的來說在1層(標高6.400)以下逐層增大，而在1層達到最大值后又呈衰減趨勢。這些不同頻率段振動的衰減或放大應是結構剛度及邊界條件變化引起干涉的結果。從圖中還可看出，起主要控制作用的中心頻率為25、31.5和40 Hz。

2.2.3 綜合評價

選取測區(qū)1、測區(qū)3、測區(qū)7為典型測區(qū)，各測點的鉛垂向1/3倍頻程振級如圖12所示，圖中還給出了GB/T 50335—2005《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標準》［7］規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率上的振動加速度級1級限值?？梢?，實測的各點1/3倍頻程加速度級均滿足該規(guī)范的要求;也能滿足GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》和GB 10070《環(huán)境振動標準》(征求意見稿)分別要求的晝間75 dB的限值要求。

圖12 典型測區(qū)鉛垂振動1/3倍頻程振級分析

3 結論

1)通過車站及相鄰區(qū)間采用鋼彈簧浮置板道床、車站范圍地鐵與物業(yè)結構合并、區(qū)間范圍地鐵與物業(yè)結構脫離、軌行區(qū)厚度按600+100+500 mm設置的整體方案，可有效控制地鐵引起的振動及噪聲對物業(yè)的不良影響，滿足相關規(guī)范要求。

2)水平向振級明顯小于鉛垂向振級，且水平向能量的衰減要快于鉛垂向，對結構起主要影響的是鉛垂向的振動。

3)總體來說，鉛垂向振動和水平向振動有隨距離增大而衰減的趨勢，鉛垂向振動有隨高度增加而衰減的趨勢，但受土層分布、結構剛度及邊界條件等因素影響，在特定距離范圍內(nèi)的振動存在波動。

4)僅通過加大距離來減少振動的效果不明顯。測試顯示，水平距離增加15 m，振級減少3～5 dB，隨樓層高度的增加，鉛垂振級尚有增大的現(xiàn)象，最大可達5 dB。

5)對1/3倍頻程中心頻率的分析表明，對地鐵結構振動起主要作用的中心頻率集中在20～60 Hz。

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