劉 力,王文斌,陳 曦,孫 寧

(1.中國鐵道科學研究院城市軌道交通中心,北京 100081； 2.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100037)

城市軌道交通運營引起建筑物內(nèi)振動超標治理研究

劉 力1,王文斌1,陳 曦2,孫 寧1

(1.中國鐵道科學研究院城市軌道交通中心,北京 100081； 2.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100037)

通過對隧道內(nèi)、地面和建筑物內(nèi)的振動測試,研究軌道結構形式、受振建筑與地鐵線路距離、地層振動特性以及車輛狀態(tài)對青島嘉園居民區(qū)建筑物環(huán)境振動的影響。結果表明：造成青島嘉園振動超標的原因是地鐵列車運行引起的近場建筑物受迫振動,下行線梯形軌枕軌道起到了較好的減振作用,其引起的環(huán)境振動在標準限值內(nèi)；上行線DTⅥ2扣件引起環(huán)境振動較下行線約大6 dB,且超過標準限值。在分析振動超標原因的基礎上,提出了限速運行、扣件改造、分級提速的治理措施,最終將青島嘉園建筑物環(huán)境振動控制在“特殊住宅區(qū)” 65 dB的振動限值之內(nèi),解決了北京地鐵大興線青島嘉園振動擾民問題。

城市軌道交通；建筑物內(nèi)振動；振動超標；評價標準

隨著我國大城市軌道交通網(wǎng)絡的逐漸形成，越來越多的軌道交通線路不可避免地要臨近、通過，甚至下穿建筑物[1-3]。近幾年，在城市軌道交通的建設過程中，雖然軌道減振的比例不斷提高，但是，部分地段因建筑物內(nèi)振動超標引發(fā)居民投訴的事件屢有發(fā)生，城市軌道交通運營引起的環(huán)境振動問題仍倍受關注。針對既有地鐵線路引起的建筑物內(nèi)振動超標問題，主要從振源、傳播路徑和建筑物結構等幾個方面進行治理，主要措施如下。

(1)限速運行。限速運行是一種簡單、快速、高效的振源減振措施。在振動超標治理初期，采取限速措施可以及時地將環(huán)境振動控制在居民可以接受的水平，待其他有效減振措施實施后，再將行車速度恢復到合理的運行速度。

(2)車輛維修養(yǎng)護?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，即使是同一地面監(jiān)測點，不同列車引起的z振級差值也可達到10 dB之上。因此，加強車輛維修養(yǎng)護，對車輛輪對病害狀況進行監(jiān)控，并及時進行鏇削處理，也是一種有效的振源減振措施。

(3)軌道結構改造。對減振需求預估不足而使用普通型式扣件的區(qū)段，將普通扣件更換為減振扣件，以彌補扣件選型偏差所產(chǎn)生的軌道減振性能不足，是另一有效的振源減振措施。

(4)傳播路徑隔振。振源產(chǎn)生的振動波傳播到隔振屏障時，會發(fā)生透射和反射，屏障后地面振動得以降低。常見的傳播路徑隔振主要是在振源和受振體間設置隔振屏障，如空溝、連續(xù)墻、樁排、孔列、波阻塊等[4-6]方式。

(5)建筑物被動隔振。在既有軌道交通附近修建新的建筑物時，采取鋼彈簧隔振基座或橡膠、聚氨酯等減振材料包裹建筑物基礎是一種建筑物自身被動隔振措施，此外，還可在建筑物設計時增大樓板剛度、安裝調(diào)質(zhì)阻尼器、設置樓板隔振系統(tǒng)等。

目前，由于傳播路徑隔振措施大多停留在數(shù)值模擬層面，缺少充分的試驗研究數(shù)據(jù)和工程應用先例，既有建筑物被動隔振措施工程實施難度大，因此，在實際工程中主要采用振源治理措施。結合青島嘉園振動超標治理實例，詳細介紹了實際工程中振動超標的原因分析，有針對性的振源治理措施的選擇，以及措施應用效果的測試與評價方法等。

1 工程背景

青島嘉園是位于北京市軌道交通大興線高米店北站—高米店南站區(qū)間西側(cè)的住宅小區(qū)。該住宅區(qū)樓體為現(xiàn)澆五層結構，基礎采用鋼筋混凝土條形基礎，埋深為1.5～2.0 m。青島嘉園距離大興線右線(下行)線路中線最近約12.5 m(10號樓)，距離線路左線(上行)線路中線約25.5 m；區(qū)間隧道結構為馬蹄形復合式襯砌結構，結構覆土深8.0～9.6 m；該區(qū)間左線為DTⅥ2型扣件普通混凝土道床結構，右線在青島嘉園區(qū)段采用梯形軌枕軌道結構，布設長度為293 m。青島嘉園俯視圖如圖1所示。

圖1 青島嘉園俯視

大興線試運行后期，多次接到青島嘉園居民有關振動擾民的投訴。針對此情況，通過現(xiàn)場調(diào)研、振動測試等一系列手段，分析振動擾民的原因，提出相關治理措施，并對改造工程完工后的實際效果進行評估。

2 現(xiàn)場測試與結果分析

2.1 評價標準與評價量

根據(jù)大興區(qū)規(guī)劃，青島嘉園為交通干線兩側(cè)功能區(qū)域，其環(huán)境振動標準依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB10070—1988)[7]，晝間振動限值為75 dB、夜間振動限值為72 dB。

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB10071—1988)[8]的規(guī)定，振動測量量為鉛垂向z振級，時間計權常數(shù)為1 s，讀取每輛列車通過過程中最大示數(shù)，每個測點連續(xù)測量20次列車，以20次讀值的算術平均值為評價量，即z振級峰值VLzmax。

環(huán)境監(jiān)測點根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》和《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2008)[9]的要求，置于建筑物室外0.5 m處。

2.2 測點布設

為探尋作用于建筑物的振動水平和主要振動能量的頻帶分布情況以及青島嘉園振動擾民的原因和主要影響因素，分別對左右線隧道內(nèi)、地面及青島嘉園建筑物進行了環(huán)境振動測試，測點布置如圖2所示。其中，在左右線同一里程斷面鋼軌、道床和隧道壁上布置傳感器，用于測量振源處振動強度水平及頻譜分布規(guī)律；在右線隧道頂部地面(建筑物前15 m)、建筑物前7.5 m和0.5 m處布置傳感器，用于分析地層對振動的衰減規(guī)律；建筑物1、3和5層測點用于分析建筑物內(nèi)的振動水平。

圖2 測點布置示意

2.3 測試結果分析

為評估大興線青島嘉園區(qū)段地鐵列車運行引起的環(huán)境振動影響及治理方案的實施效果，對測試數(shù)據(jù)分別進行了加速度1/3倍頻程和時域z振級峰值VLzmax分析。

圖3～圖6為車速60 km/h時隧道內(nèi)和地面測點的1/3倍頻程振動加速度級。

圖3 隧道內(nèi)測點1/3倍頻程加速度級

圖4 樓前0.5 m測點1/3倍頻程加速度級

圖5 列車上行時地面測點1/3倍頻程加速度級

圖6 列車下行時地面測點1/3倍頻程加速度級

由圖3可以看出，列車在梯形軌道上運行引起的鋼軌振動加速度級遠大于DTⅥ2型扣件，在30 Hz附近頻段相差最大，達到20 dB以上，但在60～80 Hz頻段兩者相近。

在3～40 Hz頻段，梯形軌道隧道壁振動加速度級略大于DTⅥ2型扣件，表明相對于DTⅥ2型扣件梯形軌道對此頻段的振動有放大作用，在25 Hz附近頻段相差最大，達到15 dB；在40～110 Hz頻段，梯形軌道隧道壁振動加速度級小于DTⅥ2型扣件，表明相對于DTⅥ2型扣件梯形軌道在此頻段具有減振作用，在60 Hz附近頻段相差最大，達到13dB；在110～200 Hz頻段，兩者隧道壁振動加速度級基本相等。

由圖4可以看出，建筑物振動能量輸入測點(樓前0.5 m測點)，在2～4 Hz頻段，梯形軌道、DTⅥ2型扣件地面振動與背景振動加速度級基本相等，列車運行對此頻段地面環(huán)境振動基本無影響。

4～200 Hz頻段，列車運行對地面環(huán)境振動的貢獻明顯，且不同頻帶的貢獻差異較大，其中，梯形軌道的主要貢獻頻帶為30 Hz左右，與其主頻一致[10]，其貢獻量約為38 dB；DTⅥ2型扣件的主要貢獻頻帶為60 Hz左右，其貢獻量約為42 dB。

在4～35 Hz頻段，梯形軌道地面振動加速度級略大于DTⅥ2型扣件，在30 Hz附近頻段相差最大，達到8 dB；在35～200 Hz頻段，梯形軌道地面振動加速度級小于DTⅥ2型扣件，在60 Hz附近頻段相差最大，達到12 dB。

由圖5和圖6可以看出，對于左線(DTⅥ2型扣件)，地面振動的主要振動能量主要集中在60 Hz附近頻段，具有能量高頻段窄的特點；對于右線(梯形軌道)，由于梯形軌枕的減振削峰作用，使地面主要振動能量的頻帶范圍加寬(30～70 Hz)，但振動能量降低。地鐵線路與青島嘉園間約寬15 m的地層對30～70 Hz頻段的振動無衰減作用，并有所放大。

表1為樓前0.5 m測點時域z振級峰值統(tǒng)計。

表1 樓前0.5 m測點時域z振級峰值 dB

由表1可以得出，右線20趟列車經(jīng)過時引起的監(jiān)測點振動數(shù)據(jù)中，有6組數(shù)據(jù)超過交通干線道路兩側(cè)振動限值72 dB，20次數(shù)據(jù)平均時域z振級峰值為70.7 dB，未超過72 dB振動限值；左線20趟列車經(jīng)過時引起的監(jiān)測點振動數(shù)據(jù)中，有12組數(shù)據(jù)超過交通干線道路兩側(cè)振動限值72 dB，20次數(shù)據(jù)平均時域z振級峰值為76.5 dB，超過72 dB振動限值；左、右線由于車輛狀況不同引起的地面振動監(jiān)測點時域z振級峰值差值分別為16.5 dB和15.4 dB。

2.4 振動超標主要原因

通過以上測試數(shù)據(jù)分析可以得出，大興線青島嘉園小區(qū)振動問題屬于地鐵列車運行引起的近場建筑物受迫振動；左線(DTⅥ2型扣件)的影響約大于右線(梯形軌道)6 dB左右，且列車上行時地面監(jiān)測點處振動量值已超過環(huán)境振動標準規(guī)定的交通線道路兩側(cè)夜間振動量不超過72 dB的限值，達到了76.5 dB，列車下行時地面監(jiān)測點處振動量值僅為70.7 dB，未超過振動限值；狀態(tài)良好的列車運營引起的地面環(huán)境振動與狀態(tài)不良的列車運營引起的地面環(huán)境振動的最大差值在15 dB以上，車輛狀態(tài)對地面環(huán)境振動影響顯著。

3 治理方案及效果評估

3.1 振動超標治理方案

我國西安地鐵為減輕地鐵運營對古建筑鐘鼓樓的振動危害，采取了限速經(jīng)過措施，已取得了理想的效果。北京地鐵5號線在劉家窯—宋家莊區(qū)間振動超標地段使用先鋒扣件替換了原DTⅥ2型扣件[11]，更換后減振效果明顯，地面z振級減少了10dB以上。根據(jù)上述分析結果，結合既有線振動超標治理措施，針對本工程的具體情況，提出了以下振動超標治理方案。

(1)為快速消除列車運行引起的振動對居民生活的影響，同時考慮到青島嘉園區(qū)段為高米店北—高米店南進出站區(qū)段，車速快慢對整個區(qū)間運營時間影響較小，暫時將該區(qū)段列車車速限制在25 km/h。

(2)根據(jù)目前大興線軌道結構既有狀況及上下行的影響規(guī)律，在限速期間將左線青島嘉園受保護區(qū)段兩端各外延30 m范圍內(nèi)的DTⅥ2型扣件更換為先鋒扣件，更換區(qū)間為左線DK9+250～DK9+540。

(3)待扣件改造工程完畢后，采取分級提速與現(xiàn)場實測相結合的方法，最終確定最佳運行時速。

(4)加強車輛維修養(yǎng)護，對車輛輪對病害狀況進行監(jiān)控，對病害輪對及時進行鏇削處理。

3.2 振動超標治理效果評估3.2.1 限速及扣件改造措施效果評估

采取限速及扣件改造措施后，青島嘉園居民表示減振效果明顯，基本感覺不到振動。圖7～圖9為限速前后樓前0.5 m測點的1/3倍頻程振動加速度級。表2為實施限速措施前后及更換先鋒扣件后樓前0.5 m測點時域z振級峰值統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖7 列車下行時樓前0.5 m測點1/3倍頻程加速度級

圖8 列車上行時樓前0.5 m測點1/3倍頻程加速度級

圖9 25 km/h時樓前0.5 m測點1/3倍頻程加速度級

由圖7和圖8可以看出，與限速前相比，限速后作用于建筑物的主要振動能量頻帶基本無變化；限速后列車運行引起的地面振動加速度級普遍小于限速前，10～200 Hz頻段，振動加速度級最大降低約10 dB，限速運行的減振效果明顯。

由圖9可以看出，在10～35 Hz頻段，先鋒扣件地面振動加速度級略大于DTⅥ2型扣件，在30 Hz附近頻段相差最大，達到5 dB；在35～200 Hz頻段，先鋒扣件地面振動加速度級小于DTⅥ2型扣件，在60 Hz附近頻段相差最大，達到13 dB。

由表2可以得出，相對于限速前，限速后列車下行與上行時，地面振動監(jiān)測點時域z振級峰值分別降低6.2 dB和7.6 dB，限速措施減振效果明顯；相對于DTⅥ2型扣件，先鋒扣件地面振動監(jiān)測點時域z振級峰值降低了10.2 dB，先鋒扣件減振效果明顯。

表2 限速前后樓前0.5 m測點時域z振級峰值 dB

3.2.2 分級提速及最佳運行時速分析

為降低限速對運營的影響，對限速區(qū)段進行試驗性提速，同時進行環(huán)境振動監(jiān)測分析，作為最終提速方案制定的依據(jù)，試提速工況分別為：行車速度25、35 km/h和45 km/h。

圖10和圖11為分級提速時樓前0.5 m測點的1/3倍頻程振動加速度級?？梢钥闯?，隨著車速的增加，列車運行引起的地面環(huán)境振動1/3倍頻程加速度級逐漸增大，先鋒扣件在30 Hz和100 Hz附近頻段，梯形軌道在自振頻率30 Hz附近頻段加速度級增大較快。

圖10 列車上行時樓前0.5 m測點1/3倍頻程加速度級

圖11 列車下行時樓前0.5 m測點1/3倍頻程加速度級

表3為試提速階段樓前0.5 m測點時域z振級峰值。由表3可以得出，隨著車速的增加，列車運行引起的地面時域z振級峰值明顯增大，相對于先鋒扣件，梯形軌枕對車速的敏感度較高。車速從25 km/h增加到45 km/h時，上行線路和下行線路地面振動監(jiān)測點的時域z振級峰值分別增大了3.3dB和4.5dB。

表3 試提速階段樓前0.5 m測點時域z振級峰值 dB

考慮到青島嘉園居民要求，為切實保障居民的生活質(zhì)量，北京市軌道交通建設管理有限公司和京港地鐵運營有限公司決定將青島嘉園環(huán)境振動控制在《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB10070—1988)中“特殊住宅區(qū)”標準65 dB的限值內(nèi)。根據(jù)試提速測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計推算結果，在車速為40 km/h時，青島嘉園小區(qū)環(huán)境振動能夠滿足此要求。

表4為行車速度40 km/h時，青島嘉園建筑物內(nèi)時域z振級峰值。可以看出，列車以40 km/h速度運行時，上行和下行工況，青島嘉園建筑物室內(nèi)時域z振級峰值均小于65 dB，滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB10070—1988)中的“特殊住宅區(qū)”標準要求。

表4 40 km/h時建筑物內(nèi)時域z振級峰值

4 結語

對于城市軌道交通運營引起的環(huán)境振動問題，應從前期環(huán)境影響評價、軌道減振設計選型、減振產(chǎn)品和減振軌道結構施工質(zhì)量等環(huán)節(jié)進行綜合控制，盡量避免新建線路投入運營后產(chǎn)生振動超標和擾民問題。后期的治理不但會造成建設投資的大幅增加，而且受已形成的土建結構和運營的限制，往往不得不采取限速措施，從而對運營組織造成影響。

近年來，雖然各相關單位對城市軌道交通運營引起的環(huán)境振動問題的重視程度不斷增加，軌道減振的運用比例不斷提高，但新建線路運營后振動擾民投訴仍屢有發(fā)生，根本性的問題仍未得到有效解決，主要體現(xiàn)在振動預測評價體系、減振產(chǎn)品性能認證和減振軌道設計3個方面。

(1)我國《環(huán)境影響評價技術導則—城市軌道交通》(HJ453—2008)采用經(jīng)驗鏈式公式作為環(huán)境振動預測計算方法，由于全國各地地質(zhì)差異以及沿線建筑物結構動力特性千差萬別，經(jīng)驗鏈式公式得出的環(huán)評預測值精度較低。

(2)我國尚未建立統(tǒng)一、完善的軌道減振產(chǎn)品檢測與評價方法，難以客觀地認識各種軌道產(chǎn)品的減振性能。

(3)地鐵線路及沿線敏感目標環(huán)境振動要求發(fā)生變化時，補充環(huán)評工作不夠及時，造成軌道減振設計選型與實際環(huán)境振動要求脫節(jié)，新建線路運營后振動超標問題頻發(fā)[12]。

為解決上述問題，提出以下建議。

(1)從振動傳播方式出發(fā)，全面考慮振源特性，地層特性以及建筑物動力特性三方面對振動產(chǎn)生和傳播的影響，研究高精度的地鐵運營引起的環(huán)境振動預測方法[13-14]。

(2)建立國家認可的城市軌道交通軌道產(chǎn)品認證檢驗機構，開展軌道減振產(chǎn)品減振性能認定專項研究工作，統(tǒng)一產(chǎn)品減振性能的測試方法以及減振性能評價指標，建立城軌交通市場準入制度，為城軌市場提供安全、可靠、高性能的減振產(chǎn)品。

(3)地鐵線路及沿線敏感目標環(huán)境振動要求發(fā)生變化時，應及時補充環(huán)評報告，設計單位應按補充環(huán)評報告結果修改減振軌道設計與選型，避免因設計問題而產(chǎn)生的環(huán)境振動超標。

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Study on Excessive Vibration in Buildings Caused by Urban Rail Transit

LIU Li1, WANG Wen-bin1, CHEN Xi2, SUN Ning1

(1.Urban Rail Transit Center of China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China；2.Beijing MTR Construction Administration Corporation, Beijing 100037, China)

The environmental vibration impact of different track structures, the distance between buildings affected and metro line, the vibration characteristics of stratigraphy and the state of vehicles on the buildings of Qingdao Jiayuan residential area are investigated through vibration test in tunnel, in building and on ground. The results show that the cause of the excessive vibration in Qingdao Jiayuan is near-field forced-vibration induced by the operation of metro operation. The ladder-sleeper track of down-line is effective in vibration isolation and the environmental vibration is under the limit. In comparison with the ladder-sleeper track, the environmental vibration contributed by fasteners DTⅥ2 of up-line is 6dB higher, exceeding the limit. Based on cause analysis, such countermeasures are put forward as speed limiting, fasteners improvement, and increasing speed in grades, and the nuisances are resolved and the environmental vibration impact on Qingdao Jiayuan is brought under the limit of 65dB of for“special residential areas”.

Urban rail transit； Vibration in buildings； Excessive vibration； Evaluation criteria

2015-01-09；

2015-02-02

國家自然科學基金(51278043)

劉力(1982—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于中國鐵道科學研究院，工學碩士，E-mail：liuli800814815@163.com。

1004-2954(2015)08-0150-05

X593

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.032