宋瑞祥，張學(xué)剛，孫國棟，張 璋，王 亮

（1.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054； 2.中國金茂北京公司，北京 100020）

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，可利用土地資源越來越匱乏，軌道交通車站、車輛段上蓋及沿線物業(yè)發(fā)展迅猛[1]。軌道交通雖然方便了人們?nèi)粘３鲂?，其產(chǎn)生的振動與噪聲污染問題也越來越受到重視。其中地面及高架線路主要以噪聲為主要污染源，地下線路則以振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲為主。統(tǒng)計表明，在一些地區(qū)軌道交通引起的振動已成為公眾最為敏感的環(huán)境振動源之一[2]?？梢妼μ幱诟哒駝訁^(qū)域的敏感建筑采取振動治理措施，創(chuàng)造安寧舒適居住環(huán)境顯得十分必要。針對軌道交通的減振降噪措施研究亦成為當(dāng)前研究的熱點問題。

1 軌道交通減隔振措施概述

1.1 軌道振源減振

為了降低列車輪軌間輻射出的振動，最為直接有效的方法是采用特殊的振源減振措施。國內(nèi)外實踐經(jīng)驗表明，采用改進(jìn)的車輛系統(tǒng)[3]，定期打磨鋼軌[1,4]，安裝特殊的減振扣件、軌枕[5–7]；設(shè)置浮置板道床[8]等均能有效降低輪軌相互作用，從源頭上主動降低輻射的振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲。

1.2 傳播途徑控制措施

當(dāng)主動減振措施不足以滿足要求時，于振源及保護(hù)對象之間設(shè)置溝、墻、排樁等人工屏障稱為隔振屏障技術(shù)。該措施通過改變振動波在介質(zhì)中傳遞的反射、散射及衍射，阻隔或削弱振動在傳播途徑上的能量。

屏障設(shè)置靠近振源時，直接屏蔽由振源向外傳遞的波動能量。對于地面或埋深較淺的振源，理論上較淺屏障即可起到隔振作用；而遠(yuǎn)場被動隔振設(shè)置在靠近建筑物一側(cè)，需埋深更深方能有效隔離傳遞至建筑物的振動。有研究表明隔振溝深度對隔振效率影響最大，其次是位置和寬度[9]。

1.3 建筑物自身防護(hù)

當(dāng)以上措施無法實施時，一般考慮對受振體自身采取隔振防護(hù)設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)對振源輻射的環(huán)境振動的敏感度與其基礎(chǔ)類型及結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。質(zhì)量大、基礎(chǔ)剛度大的結(jié)構(gòu)對振動衰減有利，受振動影響較小。由于地下軌道交通振源由土壤傳遞至建筑基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)作特殊隔振設(shè)計可有效地改變其固有頻率，加速衰減傳遞至上部結(jié)構(gòu)的振動能量。

受振體自身防護(hù)措施根據(jù)保護(hù)范圍不同一般分為兩大類：一類是制作室內(nèi)減振樓板或鋪設(shè)隔振層，調(diào)整樓板自振頻率。一般應(yīng)用于放置精密儀器或?qū)Ω粽裼刑厥庖蟮姆块g；另一類為在基底或基礎(chǔ)豎向構(gòu)件頂部設(shè)置阻尼單元，如柔性墊或彈簧隔振支座等，對建筑基礎(chǔ)隔離區(qū)進(jìn)行整體隔振；本文主要討論建筑隔振基礎(chǔ)措施的適用性。

2 建筑隔振基礎(chǔ)

2.1 基底鋪設(shè)減振墊

在建筑基礎(chǔ)底面及側(cè)面設(shè)置聚氨酯或類似彈性減振材料可一定程度上阻隔振動傳播路徑，減弱振動對上部結(jié)構(gòu)的影響。此類措施根據(jù)鋪設(shè)方式不同大致分為滿鋪、線鋪、點鋪及建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)彈性隔離等形式，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響主要分為以下兩方面：

（1）基坑工程

基底減振墊方案中，因為側(cè)墊鋪設(shè)的需要，基坑需要比基底略大，需留出至少一人作業(yè)空間。側(cè)板規(guī)格一般為1.5 m左右。

（2）基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)

為了滿足承載力要求，墊材強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到或高于相應(yīng)區(qū)域抗力值要求，否則將對地基及結(jié)構(gòu)豎向承載力產(chǎn)生不利作用。鋪設(shè)后相當(dāng)于底板下方墊材厚度增加。已有國外案例表明此類措施對結(jié)構(gòu)安全及設(shè)計成本基本無影響。但應(yīng)考慮彈性墊材的變形問題，驗算鋪設(shè)后結(jié)構(gòu)變形是否滿足有關(guān)要求。

2.2 安裝鋼彈簧隔振支座

彈簧整體隔振通過在振動傳遞主要途徑上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件處設(shè)置鋼彈簧隔振器，使振動波向建筑物的傳遞得到有效隔離，降低建筑物整體振動響應(yīng)，并將振動控制大部分人可接受的感知值以下，滿足人居振動舒適度要求。

彈簧隔振方案用于多層建筑的基礎(chǔ)隔振已相對成熟，實測表明其能取得較好的減振降噪效果。但由于對基礎(chǔ)采用鋼彈簧系統(tǒng)隔離后需結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)深入配合并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使得隔離區(qū)、非隔離區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計仍能滿足相關(guān)規(guī)范要求，勢必會增加設(shè)計難度與成本。一般而言，鋼彈簧基礎(chǔ)隔振方案需結(jié)構(gòu)配合的項包括但不限于：

（1）對建筑物高度的影響

若采取的減振方案將彈簧設(shè)在地下某層，則該層以上部分與主體結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開，結(jié)構(gòu)計算高度亦應(yīng)從該層算起，將可能導(dǎo)致原多層建筑按高層建筑考慮，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震等級提升，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)增加，地震水平剪力及彎矩增大。

（2）變形縫處特殊處理

結(jié)構(gòu)設(shè)縫斷開后需設(shè)置雙柱、雙梁，且考慮段開處水平無側(cè)限問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計可能需進(jìn)行超限審查，增加設(shè)計成本周期。

（3）擋土墻厚度變化

由于減振彈簧在主體結(jié)構(gòu)地下部分設(shè)結(jié)構(gòu)縫，原擋土外墻將成為懸臂結(jié)構(gòu)。由于與地鐵隧道相鄰，根據(jù)安評要求，增加擋土墻變形控制難度。

（4）基礎(chǔ)開挖深度的影響

由于基坑開挖深度受安評限制，基礎(chǔ)埋深若從地下部分起算，仍需滿足規(guī)范最小埋深要求，從而可能導(dǎo)致基坑深度超挖。

3 基礎(chǔ)隔振在實際工程中的應(yīng)用

3.1 減振墊應(yīng)用

德國慕尼黑Panorama Towers，基底滿鋪18 mm厚，對安裝/未安裝減振墊進(jìn)行實測，彈性墊固有頻率16 Hz，實測對20 Hz以上隔振效果明顯，40 Hz處基底鉛垂振動插入損失8 dB[10]；奧地利Linz大劇院隔振項目采用聚氨酯材料鋪設(shè)于基底構(gòu)件進(jìn)行整體隔振，實測表明隔離后建筑振動控制在要求限值以下[11]；莫斯科某17層辦公大樓采用條鋪式隔振方案（38 mm厚）對不同樓層振動進(jìn)行實測。實測振動平均減少20 dB，6層以上減少10 dB[12]。

3.2 鋼彈簧隔振支座應(yīng)用

鋼彈簧支座主頻一般可達(dá)3 Hz～5 Hz，隔振頻率范圍較寬，安裝及后期維護(hù)方便，在國內(nèi)外中低層建筑隔振領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

如圖1所示，上海交響樂團(tuán)排練廳采用鋼彈簧隔振支座后，仿真結(jié)果表明看臺區(qū)振動較未隔振平均下降8.5 dB，為70.5 dB；最大值下降15 dB，為73.2 dB[13]；

圖1 上海某交響樂團(tuán)排練廳鋼彈簧隔振支座案例

香港葵青劇院采用彈簧隔振裝置來隔離鐵路列車通過時車輪與不平順的軌道撞擊而引起的振動。該劇院設(shè)計2 000座，荷載30 000 t，彈簧系統(tǒng)固有頻率3.5 Hz，經(jīng)檢測其隔振性能良好，達(dá)到了預(yù)期效果[14]。此外，英國曼徹斯特音樂廳設(shè)計2 400座，位于火車線路旁，荷載30 000 t，彈簧系統(tǒng)固有頻率3.5 Hz[15]；法國巴黎機(jī)場喜來登大酒店，設(shè)計荷載28 000 t，隔振頻率為 3.5 Hz[16]。

4 某鄰近地鐵大型混合地塊隔振需求

本節(jié)以北京地區(qū)某鄰近地鐵線路大型住宅-商用混合地塊為例，分析兩種不同基礎(chǔ)隔振措施的適用性。

4.1 工程概況

如圖3所示，北京某混合地塊擬建8棟建筑。大部分建筑地下部分互聯(lián)互通，且采用共用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)基本信息如表1所示。

開發(fā)地塊西側(cè)主干路下方有已運(yùn)營地鐵線路經(jīng)過。該線路于2010年通車運(yùn)營，含正線（上、下行）及出入段線（上、下行）4條軌道。其中，正線、出入段線均由北向南敷設(shè)，且出入段線在地塊南部逐漸向東偏移。地鐵線路與項目擬開發(fā)建筑位置關(guān)系如表2及圖2所示。

表1 擬建建筑基本信息一覽表

表2 敏感建筑與軌道振源位置關(guān)系

1）為建筑結(jié)構(gòu)外輪廓線至地鐵線路外軌中心線距離，下同。

圖2 擬建敏感建筑物與地鐵線路位置關(guān)系平面圖

該地鐵線路是一條中等運(yùn)量的獨立運(yùn)營線路，全長23.25 km，設(shè)車站14座，在本地塊用地范圍內(nèi)均為地下線。起點（本項目附近）及終點分別設(shè)置停車場及車輛段。采用國標(biāo)B型車6輛編組，正線列車通過本地塊平均車速約40 km/h。投稿時，出入段線結(jié)構(gòu)及軌道已建設(shè)完畢但尚未啟用，根據(jù)有關(guān)資料其時速約25 km/h～30 km/h；項目范圍內(nèi)正線及出入段線鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，普通道床區(qū)段扣件為彈條Ⅰ型。目前正線運(yùn)營時間為6:00－22:00，列車運(yùn)行高峰間隔為5′0″，平峰9′30″。

圖2及表3為線路源強(qiáng)已實施減振措施區(qū)間。紅色部分鋪設(shè)鋼彈簧浮置板道床；綠色為軌道減振器（“科隆蛋”）；紫色部分為無措施普通道床。

表3 已實施軌道（振源）減振措施

需注意的是，本項目在正線K0+450（出入段線CHK0+250）以北無源強(qiáng)減振措施，正好對應(yīng)本項目3#、4#樓擬建位置附近。已有環(huán)評預(yù)測分析指出，地鐵列車通過時將對地塊多棟建筑產(chǎn)生一定振動影響。

4.2 場地環(huán)境振動現(xiàn)狀實測

為充分了解地鐵振源傳播規(guī)律，對列車振動源強(qiáng)及其影響下擬建建筑附近場地土的振動情況進(jìn)行了實測?，F(xiàn)場測試時地鐵正線已投入運(yùn)營，但出入段線尚無列車開行。本次測試工作的隧道內(nèi)實測主要針對正線開展；同時根據(jù)建筑設(shè)計資料劃出地面各地塊建筑樓前0.5 m處測點同期監(jiān)測，以了解振動源強(qiáng)頻譜特性并反映列車通過時場地土振動衰減規(guī)律。

以ZK0+477里程測試斷面為例，為其在場地中的平面位置及隧道內(nèi)測點位置如圖3所示。場地測點D5-2至D5-6距振源隧道壁水平距離依次為：24 m、46 m、75 m、104 m及140 m。

圖3 場地振動實測測點分布示意圖

該斷面對應(yīng)線路振源采用軌道減振器減振措施，無彎道，采用明挖法施工，矩形三洞單線形式，隧道結(jié)構(gòu)上部設(shè)有結(jié)構(gòu)隔墻。正線列車運(yùn)行至此時車速約53 km/h。取某列車通過時隧道壁測點（D5-1）振動的典型時域波形及1/3倍頻程如圖4所示，得知隧道壁振動主頻為40 Hz。

統(tǒng)計連續(xù)20列車通過時隧道內(nèi)及地表測點的最大Z振級情況于表4及圖5，可知測點振動水平隨距離增加呈衰減趨勢。

進(jìn)一步觀察各敏感建筑樓前測點，4#住宅樓鄰近正線一側(cè)樓前測點在20列車通過的情況下最大Z振級VLZmax平均61.6 dB，最大值63.2 dB；6#樓測點平均值62.1 dB，最大值67.1 dB；7#樓平均值64.5 dB；最大值70.5 dB。可見，受正線左線運(yùn)行影響，部分列車通過工況下有敏感建筑樓前環(huán)境振動值已超過國家規(guī)范限值。

4.3 擬建建筑本體受環(huán)境振動影響預(yù)測

城市軌道交通產(chǎn)生、傳播振動的機(jī)理及影響因素復(fù)雜多樣。為了盡量保證預(yù)測結(jié)果的可信度，本項目根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)、選用地標(biāo)模型計算公式[17]、數(shù)值仿真等三種手段預(yù)測地塊敏感建筑物受地鐵環(huán)境振動影響的具體情況。將預(yù)測結(jié)果與國標(biāo)[18]進(jìn)行比較，結(jié)果如表5所示。

圖4 ZK0+477斷面隧道壁典型單趟列車時域波形和1/3倍頻程

表4 連續(xù)20列車通過時隧道內(nèi)及場地土測點最大Z振級

圖5 ZK0+477斷面最大Z振級衰減規(guī)律(近軌20列車平均)

根據(jù)對地鐵振源、振動傳播途徑及建筑結(jié)構(gòu)的具體分析，預(yù)測結(jié)果表明，部分敏感建筑受鄰近地鐵線路環(huán)境振動已超過相關(guān)限值，應(yīng)采取必要的隔振措施。

5 基礎(chǔ)隔振技術(shù)可行性分析

5.1 減振墊方案應(yīng)用分析

根據(jù)項目實際情況，可采用條式和點式支撐相結(jié)合的方式在地下一層墻柱頂部安裝聚氨酯柔性材料。其中柱頂采用點式支撐，墻頂采用條式材料支撐，厚度37.5 mm，長度和寬度依照結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，強(qiáng)度根據(jù)墻柱軸力圖進(jìn)行計算。同時，為保證彈性材料充分發(fā)揮作用，應(yīng)避免固體傳聲出現(xiàn)，在建筑周圍設(shè)縫，并用彈性材料進(jìn)行填充。在覆土與窗井側(cè)墻之間鋪設(shè)側(cè)面墊板，一方面可彈性隔振，同時對橫向力具有約束作用。隔振墊材布置如圖6所示，鋪設(shè)總面積約592 m2。

表5 連續(xù)20列車通過時建筑物測點最大Z振級

圖6 減振墊方案（條鋪）示意圖

經(jīng)計算，聚氨酯柔性墊材方案的隔振效率（傳遞函數(shù)）如圖7所示。該方案可將4#樓鉛垂向固有頻率控制在12 Hz左右，對20 Hz以上頻率振動能起到有效隔減作用。

5.2 鋼彈簧方案應(yīng)用分析

圖7 聚氨酯墊材振動傳遞函數(shù)

鋼彈簧隔振支座方案在既有地鐵隔振案例中已取得較明顯效果。針對4#住宅樓使用功能要求，如圖8所示，鋼彈簧支座隔振層設(shè)于負(fù)3層頂部，含部分地下結(jié)構(gòu)。隔離區(qū)與非隔離區(qū)結(jié)構(gòu)脫開，且水平設(shè)置不小于100 mm變形縫。支座基本參數(shù)為：隔振系統(tǒng)折算質(zhì)量11 099 t，豎向支承剛度5 438.6 kN/mm。

圖8 4#樓地下室彈簧隔振方案示意

按上述參數(shù)針對4#樓隔離區(qū)進(jìn)行仿真建模，輸入地鐵振動傳遞至支座處的振動加速度，并進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)：安裝彈簧隔振器后，支座系統(tǒng)固有頻率降低至3 Hz～4 Hz。各樓層測點振級為57 dB～62 dB之間，基本達(dá)到夜間振動限值要求。在此基礎(chǔ)上，利用導(dǎo)則[19]模型對結(jié)構(gòu)輻射二次噪聲進(jìn)行估算，結(jié)果為29 dB(A)～32 dB(A)，亦滿足限值要求。

需注意的是，采用減振彈簧方案將對結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定影響。由于隔離區(qū)設(shè)在地下-4層，-3層及以上計入建筑高度，導(dǎo)致4#樓由原來的19.05 m增加為28 m，成為高層住宅建筑，抗震等級剪力墻提高為一級，框架提高為二級，建筑材料成本將相應(yīng)增加。同時，地下結(jié)構(gòu)設(shè)置隔離區(qū)可能使結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行超限審查或進(jìn)行性能化設(shè)計，這些都將帶來結(jié)構(gòu)設(shè)計的額外成本。

5.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

由分析表明，采用兩種不同的建筑基礎(chǔ)防護(hù)方案均可有效隔離振動傳遞至上部結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步對比兩種措施經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，減振墊方案需鋪設(shè)面積約592 m2，按每平米2 700元估算，總費用約160萬元；彈簧支座方案主要考慮建筑豎向荷載，4#樓恒載3 808 t，活載533 t，共計3 968 t（恒載+0.3倍活載）；按單價400元/t考慮，該措施總費用約159萬元。與減振墊方案較為接近。需要說明的是，以上費用為包含設(shè)計、材料、安裝調(diào)試及質(zhì)保等項目的總費用。

6 結(jié)語

本文討論了兩種不同建筑隔振基礎(chǔ)措施在地鐵周邊項目開發(fā)中的應(yīng)用，從工程應(yīng)用角度介紹了措施材料、減振效率及施工流程。以北京已運(yùn)營地鐵周邊某項目開發(fā)為案例，探討了建筑隔振基礎(chǔ)措施的可實施方案。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，評價措施實施后的隔振效果、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及其對常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。分析表明，柔性減振墊及鋼彈簧支座均能有效隔離軌道振源傳遞至敏感建筑的振動水平，使其降低至有關(guān)規(guī)范要求限值以下。兩者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近，鋼彈簧支座固有頻率更低，但其對結(jié)構(gòu)、基坑等其他專業(yè)的影響將增加設(shè)計難度，產(chǎn)生額外成本，建議在對局部隔振有較高要求的情況下考慮；柔性減振墊除基底沉降需滿足要求外對其他專業(yè)影響較小，整體性好，且結(jié)構(gòu)形式適用性更廣，適合一般基底隔振工程應(yīng)用。