鄒林志 ， 杜麒麟，黃 濤， 唐 劍，徐 鴻

(1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，成都 610000;2.中鐵二院工程集團有限責任公司 環(huán)境科學研究院，成都 610000;3.西南交通大學 土木工程學院，成都 610000)

城市的發(fā)展離不開交通的建設，地鐵作為城市交通的主力軍，不僅減少了公路運輸壓力，也給城市經(jīng)濟發(fā)展帶來了活力。在興建城市軌道交通的同時，人們也正積極的探索如何解決停車場的占地與城市用地緊張的矛盾。由此，地鐵上蓋物業(yè)[1]成為了當下一個集約化用地的典范。而“地鐵上蓋物業(yè)”，顧名思義就是指和地鐵入口、出口相連的一些建筑物。通常在車站、車輛段、停車場五百米的范圍以內具備寬闊通道、商業(yè)設施或者其他的公共設施等相連接在一起的物業(yè)叫作地鐵上蓋物業(yè)。這種模式早已在世界上的多個國家應用與發(fā)展。目前，國內多個大中型城市[2-3]也正積極的探索適合本區(qū)域的地鐵上蓋物業(yè)的發(fā)展模式。

然而，眾所周知的軌道交通三大污染問題：噪聲、振動、電磁輻射，其中居民生活反響最大的就是振動問題。地鐵停車場上蓋物的推廣應用使得振動問題更加突出。已知地鐵停車場咽喉區(qū)屬于道岔較多，線路復雜的區(qū)域。車輛進出庫時，車輛輪軌的撞岔，與鋼軌產(chǎn)生較大激勵。因此，相比庫內線，道岔段的振動更容易降低建筑物內人的居住舒適度，削弱建筑的適用屬性[4-5]。目前，國外關于地鐵停車場上蓋物業(yè)振動的研究，基本集中于利用工程措施改變結構本身的自振頻率和結構剛度，達到減振降噪的作用。也有通過實驗模擬分析列車運行時的振動力學特性及傳播規(guī)律[6～9]。在國內研究中也是如此，面臨實地研究不足，缺乏試驗數(shù)據(jù)，地鐵車輛運行時建筑振動的預測模型不適用等情況[10-11]。并且從工程應用角度考慮，由于地鐵停車場地下雙層空腔結構的建筑形式，以及道岔分布密集，車輛通過道岔段時，車輛和軌道系統(tǒng)的耦合振動[12-13]，經(jīng)鋼軌通過扣件和道床傳到線路基礎，再由周圍阻尼較小鋼筋混凝土介質傳遞到地面層；再加上振源距離部分上蓋建筑距離較近，導致地鐵停車場上蓋建筑的振動仍有超過標準限值的風險。

故本文以地下雙層型地鐵停車場的咽喉區(qū)道岔段斷面為研究對象，通過行車測試，研究了地鐵停車場道岔段的環(huán)境振動大小及規(guī)律，分析傳統(tǒng)的振動預測模型[14]適用性，為今后的地鐵地下類停車場上蓋物業(yè)的開發(fā)建設提供了參考。

1 地鐵地下停車場工況

本次測試主要為我國某城市地下雙層地鐵停車場地面層，負一層及負二層。該地鐵地下停車場約占用土地81 000m2，工程地上部分由上蓋物業(yè)、白地開發(fā)及地鐵運行控制中心(OCC)三部分組成。地下部分為雙層地鐵停車庫。地鐵停車場出入線道床形式均為整體道床，采用50kg/m鋼軌，通過使用GJ-III型減振扣件及阻尼鋼軌的措施達到減振降噪的效果。其中，上蓋物業(yè)一期工程部分地塊臨近道岔咽喉區(qū)。

2 測試儀器及點位布置概況

本次測試儀器主要采用一臺目前國內先進的24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、六個INV891-2型拾振器(實際測試時應多準備兩個可用于備用或同位對比測試)、一臺計算機、DASP工程分析軟件及其它配套線路。利用其具有1/3倍頻程分析功能的振動測量儀器特點，測量和分析0～200 Hz頻率范圍內的各個1/3 倍頻程中心頻率的振級。因測試目的是研究該地下雙層型地鐵停車場上蓋物業(yè)的振動規(guī)律及特點，所以我們采用了對比測試法，即地鐵停車場各層道岔與直線段測點的縱向對比以及各橫斷上中下三層地面的振級。具體測點布置及方如下：此次測試車輛采用地鐵A型車，6節(jié)編組，如圖1所示。為模擬車輛運行最不利條件，試驗將測試負一二樓列車同時進出庫的情況。為了消除隨機誤差[15]，記錄車輛出入10趟次的數(shù)據(jù)，測試及分析對象均為地鐵停車場各樓層地面鉛垂向的振動情況。如圖2所示，本方案在咽喉區(qū)軌道正上方布設2處監(jiān)測斷面，其中一處位于道岔段，為了進行對比，另一處位于工況類似的直線段。分別對每個斷面的地面層，負一層，負二層設振動監(jiān)測點位，每個點位布置兩個探頭，一個位于鋼軌外30cm處，一個位于方形水泥支撐柱(近軌方向)，共布設2個監(jiān)測斷面，6處監(jiān)測點，如圖2、圖3、圖4所示。根據(jù)地鐵出入庫行車規(guī)范要求：咽喉區(qū)車速不得高于10km/h，因此車輛處于低速狀態(tài)，車輛試驗運行速度需與日常要求一致，為6km/h。

圖1 負一層現(xiàn)場Fig.1 Negative floor site

圖2 測點設置平面圖Fig.2 Layout of measuring points

圖3 測點設置橫斷面圖Fig.3 Cross-sectional profile of measuring point

圖4 測點設置縱斷面圖Fig.4 Longitudinal section profile of measuring point

3 地鐵停車場測試數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)處理及評價標準

首先，我們對此次采集的數(shù)據(jù)進行編輯濾波，得到各測點的加速度時程圖，進一步對時程數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換得到振動頻譜，依照我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB10071-88)，振動加速度級的計算公式[16]：

式中：a——振動加速度有效值，m/s2;

a0——基準加速度，a0=10-6m/s2;

計算得到振動加速度級。

本文將依照數(shù)據(jù)的完整性、無明顯畸變、信噪比高、無工頻干擾或工頻干擾不嚴重的原則，各測點選取10個有效數(shù)據(jù)，各有效數(shù)據(jù)截取時長為列車完全通過測點所需時間。分析其時域及4～200Hz頻率范圍內的振動頻譜[17]分布情況。在結果數(shù)據(jù)處理時需要去掉誤差較大的值，并將有效的數(shù)據(jù)做算術平均，以減小數(shù)據(jù)誤差。

結合《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及測量方法標準》(JGJ/T170—2009)，將處理得到的建筑物振動加速度級按 Z 計權因子[18]修正后可得到的Z振級值，進而可計算的分頻振級均方根值，即總振級值。這樣可在時域和頻域內研究分析地鐵地下停車場的環(huán)境振動情況。

表1 振動影響區(qū)域分類及建筑物室內振動限值Tab.1 Classification of vibration affect area and indoor vibration limits of buildi (dB)

已知該地鐵上蓋物業(yè)計劃修建住宅、商業(yè)混合，根據(jù)標準中城市軌道交通沿線建筑物室內振動限值，該地區(qū)應按照格1中二類建筑物室內振動限值執(zhí)行，即晝間4～20Hz頻率范圍內采用1/3倍頻程中心頻率上按不同因子修正后的最大加速度振級不超過70dB，夜間不超過67dB。因此，此次試驗中地鐵車輛無論是通過直線段還是道岔段所引起的地面層振動均未不得超過標準限值，如果超過相關限值，未來的地鐵停車場應增加相關減振措施，以保證在未來的地鐵運行過程中對此斷面區(qū)間上開發(fā)的居住、商業(yè)混合區(qū)的居民生活工作影響較小，滿足國家的相關標準。

3.2 地面背景振動

圖5 道岔段地面背景振動時程曲線Fig.5 Background vibration course curve of turnout section

圖6 試測地面振動加速度時程曲線Fig.6 Test ground vibration acceleration course curve

首先，為了確?，F(xiàn)場的試驗環(huán)境良好，無其他干擾，試驗時停止現(xiàn)場一切施工及其他車輛運行，并測試了地面層背景環(huán)境振動，并記錄了一趟次負一層單獨行車入庫時，地面層振動的加速度時程圖。根據(jù)國內多個地鐵車輛段振動的測試經(jīng)驗分析，一般在無列車通過，無其它人為因素影響的狀態(tài)下地面環(huán)境振動的加速度幅值一般0.005～0.01 m/s2之間居多,相比有列車通過時的加速度值會存在數(shù)量級的差別。如圖5所示，地面振動加速度幅值集中于0.008m/s2內，時程曲線波形呈均勻，無雜波及不規(guī)整波形現(xiàn)象[19]。而如圖6所示，當車輛通過負一層測點時，地面振動明顯，證明測試條件良好。

3.3 各橫斷面對比分析

3.3.1 道岔段橫斷面分析

表2 道岔段橫斷面各測點VLzmax與總振級值Tab.2 VLzmax and the total vibration level value of the measuring points in turnout section (dB)

由于該停車場的空腔結構，負二層的軌道鋪設于地基層[20]，使得振動傳遞的規(guī)律更加復雜多樣化。通過分析研究，地下雙層地鐵停車場車輛運行所引起的振動存在一定的規(guī)律。如表2所示，負二層的總振級最小為51.0dB，負一層的總振級最大為69.0dB，地面層為65.7dB。振動從負一層傳遞到地面層的插入損失值為3.3dB。地下負一層含有相關運營管理人員的工作區(qū)域，因此，負一層軌道增加相應的減振措施或控制車輛速度，可以改善工作區(qū)內人體感知情況，減少地鐵停車場建筑的結構病害[21]。

圖7 停車場道岔段橫斷面對比折線Fig.7 Comparison of turnout cross section vibration of parking lot

如圖7地鐵停車場道岔段橫斷面對比折線所示，道岔段橫斷面各測點VLzmax也同樣存在負二層的值最小，負一層的值最大的規(guī)律，其主振頻率為25～100Hz之間。在4～200Hz內，負一層各倍頻程中心頻率振動加速度級均大于地面層各中心頻率振動加速度級。值得注意的是，在頻率4～16Hz之間，負二層的振動加速度級均大于負一和地面層。這一點也輔助性的證明了地鐵停車場建筑振動的復雜性。

3.3.2 直線段橫斷面分析

通過分析直線段橫斷面各層的地面振動情況，我們發(fā)現(xiàn)停車場地面振動的傳遞呈現(xiàn)出一種新的規(guī)律：隨著樓層的增高，各樓層地面的總振級也隨之增大。三者中，地面的總振級最大為63.6dB，負一層總振級為59.8dB；負二層的總振級最小，為53.6dB。

表3 直線段橫斷面各測點VLzmax與總振級值Tab.3 VLzmax and the total vibration level value of the measuring points in straight line section (dB)

同樣，如表3所示，各樓層的VLzmax也隨著樓層數(shù)的增大而增大，其主振頻率在25～100Hz之間。其中，地面層在分頻50Hz上出現(xiàn)最大值61.7dB；負一層在分頻31.5Hz上出現(xiàn)最大值54.0dB；而負二層則在分頻63Hz上出現(xiàn)最大值：45.5dB。如圖8所示，在頻率4～10Hz內，負二層各中心頻率上的振動加速度級均大于其他樓層，10～31.5Hz內，負一層各中心頻率振動加速度級均大于地面層及負二層，31.5～125Hz間地面層各中心頻率振動加速度級大于其他樓層的各中心頻率振動加速度級。

圖8 停車場直線段橫斷面對比折線Fig.8 Comparison of cross-sectional vibration in the line section of the parking lot

3.4 各層振動情況對比分析

3.4.1 地面層道岔段與直線段對比分析

圖9 停車場地面道岔段直線段倍頻程關系折線Fig.9 The octave curves of the straight line section segment of turnout section of the parking lot

當負一層，負二層同時行車運行時，地面層道岔段的總振級為65.7dB，直線段的總振級為63.6dB，兩者差值為2.1dB，道岔段的振動強于直線段的振動。另外從如圖9停車場地面層1/3倍頻程關系折線中可知，在4～31.5Hz間，直線段地面振級均大于道岔段的振級；在31.5～200Hz間，道岔段地面振級均大于直線段的振級。道岔段地面的倍頻程中心頻率50Hz處出現(xiàn)Z振級最大值62.2dB，而直線段地面的倍頻程中心頻率31.5Hz處出現(xiàn)Z振級最大值56.0dB。由此可見，道岔段與直線段地面的振級均低于標準限值，對人體的影響不大，不會降低上蓋物業(yè)的使用功能。

3.4.2 負一層道岔段與直線段對比分析

如圖10負一層的1/3倍頻程關系折線所示，當上下地鐵輛車以相同時間出發(fā)，相同的速度同時出入庫時，負一層道岔段的總振級為69.0dB，直線段的總振級為59.8dB，兩者間出現(xiàn)9.2dB的較大差值。從整個負一層地面振動倍頻程頻率4～200Hz分析，道岔段各響應頻率上的振級均大于直線段各響應頻率上的振級。道岔段在1/3倍頻程50Hz處出現(xiàn)最大值為64.0dB，直線段在31.5Hz處出現(xiàn)最大值：54.0dB。

圖10 停車場負一層道岔段直線段倍頻程關系折線Fig.10 Octave relation curve of the straight line section of turnout section in the parking lot negative floor

3.4.3 負二層道岔段與直線段對比分析

負二層為地基層。經(jīng)測試分析，負二層道岔段地面振動總振級為58.5dB，直線段為53.6dB。負二層道岔段地面在倍頻程中心頻率40Hz處出現(xiàn)最大振動加速度級：51.0dB，直線段則在較大的63Hz處出現(xiàn)最大振動加速度45.5dB。車輛通過道岔和直線段所引起的負二層地面(建筑地基層)振動加速度級差值較小，在頻率0～50Hz間，負二層道岔段的振動加速度級均超過直線段振動加速度級。然而，如圖11所示，隨著頻率的增加，當中心頻率范圍在50～200Hz間時，道岔段的振動加速度級小于直線段的振動加速度級。整體分析，負二層的振動對樓層影響貢獻較小。

圖11 停車場負二層道岔段直線段的關系折線Fig.11 Octave relation curve of the straight line section of turnout section in the parking lot negative second-floor

3.4.4 傳統(tǒng)模型適用性分析

《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2008)中的模型主要適用于預測地鐵正線運行所引起的周圍環(huán)境的地面振動情況。通過運用建筑物類型修正CB以及距離修正CD，對停車場地面層振動進行預測計算。由此所得的預測值與地下雙層型地鐵停車場的頂層地面的振動情況差異較大。說明該預測模型式不在適用此類情況。因此，相應的模型應該盡快研究開發(fā)，以便未來的地鐵上蓋物業(yè)的開發(fā)做參考。

4 結 論

目前，地鐵停車場上蓋物業(yè)的環(huán)境振動問題主要與停車場內的地基、結構、軌道、車輛以及上部開發(fā)建設的房屋使用類型、大小、結構等密切相關。而此次測試的亞洲最大地下雙層地鐵停車場，以其獨特的地下雙城建筑結構，較大的建筑面積以及上部預開發(fā)的上蓋物業(yè)，使得它的特殊性與研究價值尤為突出。通過對該地下雙層地鐵停車場道岔段與直線段兩個縱斷面的測試數(shù)據(jù)分析，研究結論如下。

4.1 道岔段橫斷面上，振動無明顯規(guī)律。負一層的地面振動最大；而直線段橫斷面上，振動則呈現(xiàn)隨樓層的增高而增大的規(guī)律。

4.2 車輛引起的道岔段地面層振動大于直線段地面層振動。因此，咽喉道岔段的減振和隔振防護很重要。

4.3 該地鐵停車場為地下雙層的空腔結構，車輛通過測點時所引起的地面層和負一層的振動均大于負二層(底基層)的振動，且差值較大。

4.4 道岔段地面層的主振頻率和直線段地面層的主振頻率較低，一般振動頻率的高、中、低頻定義是相對的，在隔振設計中，通常6～100Hz的振動定義為中頻振動。根據(jù)《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價要求》(GB-13441-2007)人體健康、舒適與感知考慮頻率為0.5～80Hz。我們所測試的主振頻率基本在30～50Hz，并且綜合考慮VLmax未超過標準限制，所以判斷列車通過時引起的地面振動對停車場建筑中人體不利影響較小。

4.5 在分頻4～12.5Hz內，負二層的振級大于其它層地面振級，而低頻振動對精密儀器設備易產(chǎn)生影響和損壞。因此，負二層應注意地鐵運行設備的相關保護和維護等措施。

4.6 預測模型及中的各項修正值不適用于地下雙層型的地鐵停車場的地面振動預測相關要求，模型無法預測，今后需對該類型區(qū)域振動情況需進一步深入研究，建立適用性較高的模型。

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