馬 寧 趙富壯 鄔玉斌 鄭永軍 宋瑞祥**

(1.北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 100067， 北京；2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所， 100054， 北京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

隨著地鐵線網(wǎng)的不斷加密，地鐵不可避免地近距離接觸甚至下穿城市燃?xì)夤芫W(wǎng)或設(shè)施，地鐵列車運(yùn)行對(duì)臨近燃?xì)夤艿阑蛟O(shè)施產(chǎn)生長(zhǎng)期、間歇性的環(huán)境振動(dòng)影響，以及如何對(duì)其進(jìn)行控制，已引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)列車通過(guò)鐵路橋時(shí)對(duì)鄰近地下天然氣管道的振動(dòng)影響進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[2-4]采用數(shù)值仿真計(jì)算方法，對(duì)城際鐵路或地鐵下穿燃?xì)夤艿酪鸬恼駝?dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。但關(guān)于燃?xì)庠O(shè)施隨地鐵列車振動(dòng)的響應(yīng)特性、耐振限值及控制措施的研究國(guó)內(nèi)還少見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了燃?xì)庠O(shè)施自身運(yùn)行特點(diǎn)和周邊地鐵列車振動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)特性，對(duì)燃?xì)庠O(shè)施的耐振限值進(jìn)行了探討，并對(duì)某地鐵下穿燃?xì)庹{(diào)壓站的振動(dòng)控制方法進(jìn)行了介紹。

1 燃?xì)庠O(shè)備振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試分析

1.1 測(cè)試對(duì)象及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本文以某燃?xì)庹{(diào)壓站內(nèi)部設(shè)備為測(cè)試對(duì)象。該燃?xì)庹{(diào)壓站南側(cè)40 m處有1條運(yùn)營(yíng)中的地鐵線路。燃?xì)庹{(diào)壓站內(nèi)主要有過(guò)濾設(shè)備和調(diào)壓設(shè)備(見(jiàn)圖1)，其中：過(guò)濾設(shè)備位于燃?xì)庹臼彝?，調(diào)壓設(shè)備位于室內(nèi)。在燃?xì)庠O(shè)備上共布設(shè)了6個(gè)測(cè)點(diǎn)。在過(guò)濾設(shè)備上設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2 a))，其中：測(cè)點(diǎn)A1、A2為加速度傳感器，分別位于過(guò)濾設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地面和設(shè)備外壁面；測(cè)點(diǎn)V1為速度傳感器，位于設(shè)備支撐鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地面，靠近測(cè)點(diǎn)A1。在調(diào)壓設(shè)備上設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2 b))，其中：測(cè)點(diǎn)A3、A4為加速度傳感器，分別布設(shè)在入地調(diào)壓管道基礎(chǔ)地面和管道外壁；測(cè)點(diǎn)V2 為速度傳感器，位于入地調(diào)壓管道基礎(chǔ)地面，臨近A3測(cè)點(diǎn)。

a) 室外的過(guò)濾設(shè)備

a) 過(guò)濾設(shè)備測(cè)點(diǎn)

b) 調(diào)壓設(shè)備測(cè)點(diǎn)

1.2 數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)量

地鐵列車運(yùn)行對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響以豎向?yàn)橹鳎虼吮疚闹粚?duì)燃?xì)庠O(shè)備的豎向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試、分析。采用振動(dòng)加速度級(jí)作為燃?xì)庠O(shè)備振動(dòng)響應(yīng)的評(píng)價(jià)量。振動(dòng)加速度級(jí)L和振動(dòng)加速度有效值a的計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：

L——振動(dòng)加速度級(jí)，dB；

a——振動(dòng)加速度有效值，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，a0取10-6m/s2；

a(t)——加速度時(shí)程；

T——加速度持續(xù)時(shí)間, s。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域分析

圖3為過(guò)濾設(shè)備3個(gè)測(cè)點(diǎn)的典型實(shí)測(cè)振動(dòng)時(shí)程曲線。由圖3可知：地鐵列車對(duì)過(guò)濾設(shè)備基礎(chǔ)位置的振動(dòng)速度波形影響較大，存在明顯的因列車通過(guò)引起的振動(dòng)速度波形；地鐵列車通過(guò)對(duì)加速度波形的影響并不顯著，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯的地鐵列車振動(dòng)加速度波形，振動(dòng)加速度仍以設(shè)備的自振響應(yīng)為主。對(duì)比圖3 b)、圖3 c)可知，地鐵列車通過(guò)時(shí)，過(guò)濾設(shè)備的管道加速度峰值大于基礎(chǔ)加速度峰值。

a) 速度測(cè)點(diǎn)V1

b) 加速度測(cè)點(diǎn)A1

c) 加速度測(cè)點(diǎn)A2

由圖4所示的調(diào)壓設(shè)備3個(gè)測(cè)點(diǎn)的典型振動(dòng)實(shí)測(cè)波形可知：地鐵列車通過(guò)對(duì)振動(dòng)速度波形影響較大，而對(duì)加速度波形沒(méi)有明顯影響，即振動(dòng)加速度仍以調(diào)壓設(shè)備自身運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)為主。相比而言，管道外壁A4處的振動(dòng)加速度大于基礎(chǔ)位置A3處的振動(dòng)加速度。這是由于高壓氣體在調(diào)壓設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)首先導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動(dòng)，并向外輻射聲音，振波再經(jīng)過(guò)管道和鋼支撐結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)位置。

2.2 實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜分析

由圖5所示的調(diào)壓設(shè)備3個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)振動(dòng)頻譜圖可知：地鐵列車通過(guò)對(duì)調(diào)壓設(shè)備基礎(chǔ)位置低頻振動(dòng)加速度和速度的影響均較為明顯，其振動(dòng)影響主頻為20～80 Hz，對(duì)80 Hz以上的高頻振動(dòng)影響不明顯。對(duì)于設(shè)備管道，除54 Hz存在1個(gè)較大的因地鐵列車通過(guò)引起的振動(dòng)波峰外，其他頻率對(duì)地鐵列車振動(dòng)影響不明顯。燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行主要產(chǎn)生100 Hz以上的高頻振動(dòng)，基礎(chǔ)位置的速度振動(dòng)主要集中在20～100 Hz，這與地鐵列車引起的速度振動(dòng)響應(yīng)頻率較為接近。

a) 速度測(cè)點(diǎn)V2

b) 加速度測(cè)點(diǎn)A3

c) 加速度測(cè)點(diǎn)A4

a) 速度測(cè)點(diǎn)V2

b) 加速度測(cè)點(diǎn)A3

c) 加速度測(cè)點(diǎn)A4

2.3 實(shí)測(cè)加速度振級(jí)分析

為分析地鐵列車通過(guò)對(duì)燃?xì)庠O(shè)備的振動(dòng)影響強(qiáng)度，通過(guò)速度測(cè)點(diǎn)V1、V2的時(shí)域波形識(shí)別列車通過(guò)時(shí)段，經(jīng)連續(xù)測(cè)試獲取了5列地鐵列車通過(guò)及燃?xì)庠O(shè)備自身運(yùn)行共同作用下的豎向加速度數(shù)據(jù)。采用上文所述的加速度振級(jí)計(jì)算方法，對(duì)實(shí)測(cè)的加速度振級(jí)進(jìn)行分析。

圖6為測(cè)點(diǎn)A1、A2的典型實(shí)測(cè)加速度振級(jí)時(shí)程圖。由圖6可知，地鐵列車通過(guò)時(shí)，燃?xì)庠O(shè)備自身(A2處)、基礎(chǔ)位置(A1處)的加速度振級(jí)有明顯的加強(qiáng)作用(加速度振級(jí)幅值可增加10 dB以上)。單列地鐵列車通過(guò)的振動(dòng)影響持續(xù)時(shí)間約為18 s。

圖6 測(cè)點(diǎn)V1、V2的典型實(shí)測(cè)加速度振級(jí)時(shí)程曲線

參考GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》，燃?xì)庠O(shè)施自身運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)采用加速度級(jí)等效值作為評(píng)價(jià)量，地鐵振動(dòng)采用加速度振級(jí)最大值作為評(píng)價(jià)量。測(cè)試選取5列地鐵列車，計(jì)算列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的平均振動(dòng)加速度級(jí)最大值。表1為各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度振級(jí)實(shí)測(cè)值。由表1可知：無(wú)地鐵列車通過(guò)時(shí)，與過(guò)濾設(shè)備的測(cè)點(diǎn)A1、A2相比，調(diào)壓設(shè)備自身運(yùn)行引起A3、A4的振動(dòng)加速度級(jí)較大，說(shuō)明調(diào)壓設(shè)備自身運(yùn)行的振動(dòng)強(qiáng)度更大；地鐵列車通過(guò)時(shí)，燃?xì)庠O(shè)備管道和基礎(chǔ)的振動(dòng)均有加強(qiáng)，相比燃?xì)庠O(shè)備自身運(yùn)行的振動(dòng)加速度級(jí)等效值，測(cè)點(diǎn)A1、A2、A3、A4處在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度振級(jí)最大值平均值分別大19.9 dB、17.0 dB、11.5 dB和12.4 dB。相比而言，地鐵列車運(yùn)行對(duì)室外過(guò)濾設(shè)備的振動(dòng)影響更為明顯。

3 燃?xì)庠O(shè)備應(yīng)對(duì)列車振動(dòng)的控制案例分析

3.1 應(yīng)對(duì)地鐵列車振動(dòng)的控制措施

目前地鐵列車振動(dòng)控制措施主要有源強(qiáng)減振、傳播途徑隔振和受振體控制。其中，源強(qiáng)減振主要指軌道減振措施，包括鋼軌減振、扣件減振、軌枕減振和道床減振等。地鐵的源強(qiáng)減振措施技術(shù)成熟、效果明顯，是地鐵列車振動(dòng)控制的優(yōu)選方案，但對(duì)已經(jīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)完成或已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路而言，該措施的實(shí)施難度較大。

表1 地鐵列車通過(guò)時(shí)實(shí)測(cè)的振動(dòng)加速度振級(jí)

傳播途徑隔振措施是在振源和受振體振動(dòng)傳播路徑介質(zhì)中設(shè)置空溝或異質(zhì)體，利用彈性波的反射、折射和衍射原理達(dá)到隔斷或阻礙振波傳播的目的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傳播途徑隔振措施開(kāi)展了大量的研究工作[5-6]，但受隔振屏障施工和維護(hù)難度影響，該措施在實(shí)際工程中的應(yīng)用較少。

當(dāng)以上措施均無(wú)法實(shí)施或不能滿足控制要求時(shí)，可對(duì)受振體自身采取隔振防護(hù)措施。如在建筑的基底或基礎(chǔ)豎向構(gòu)件頂部設(shè)置阻尼彈性單元(一般為彈性減振墊或彈簧隔振支座)[7-8]，通過(guò)降低建筑的豎向固有頻率來(lái)達(dá)到整體隔振的目的。對(duì)于燃?xì)庠O(shè)備，可以參考建筑基礎(chǔ)隔振方式進(jìn)行振動(dòng)控制。本文以實(shí)際的項(xiàng)目為例，介紹燃?xì)庠O(shè)備應(yīng)對(duì)地鐵列車振動(dòng)采取的自身振動(dòng)控制措施。

3.2 案例項(xiàng)目概況

擬在燃?xì)庹{(diào)壓站下方修建1條地鐵線路。地鐵線路、燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)備及主要管線的平面位置關(guān)系如圖7所示。燃?xì)庹{(diào)壓站內(nèi)設(shè)有調(diào)壓計(jì)量箱、燃?xì)庵袎赫{(diào)壓箱(以下簡(jiǎn)稱“調(diào)壓箱”)、過(guò)濾器等3個(gè)主要燃?xì)庠O(shè)備，3個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)平面尺寸分別為6.5 m×3.5 m、3.5 m×3.5m和6.5 m×3.5 m。

圖7 燃?xì)庹{(diào)壓站與地鐵線路的平面位置關(guān)系示意圖

該燃?xì)忭?xiàng)目所對(duì)應(yīng)的地鐵區(qū)間線路未采取軌道減振措施，地鐵軌面埋深約11 m。相比上文臨近地鐵的燃?xì)庠O(shè)備測(cè)試對(duì)象，本項(xiàng)目為地鐵下穿燃?xì)庠O(shè)備，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的振動(dòng)影響，因此有必要采取可行的控制措施，以降低地鐵列車對(duì)燃?xì)庠O(shè)備的振動(dòng)影響。

3.3 控制方案設(shè)計(jì)

考慮到地鐵隧道在施工期間可能引起上方燃?xì)庠O(shè)備基礎(chǔ)場(chǎng)地的不均勻沉降，燃?xì)庹具M(jìn)行臨時(shí)搬遷，待隧道施工完成后再遷回重建，因此該項(xiàng)目具備了燃?xì)庠O(shè)備自身振動(dòng)控制的實(shí)施條件。綜合考慮場(chǎng)地土不均勻沉降問(wèn)題，重建的燃?xì)庠O(shè)備采用“厚重筏板共用基礎(chǔ)+箱型基礎(chǔ)”形式，同時(shí)將新建燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施位置盡量遠(yuǎn)離地鐵線路。圖8為回遷后新建燃?xì)庠O(shè)施的基礎(chǔ)隔振方案。

a) 燃?xì)庠O(shè)施與地鐵線路平面位置關(guān)系圖

b) 燃?xì)庠O(shè)施剖面圖

控制措施的隔振效果可以用傳遞系數(shù)(傳遞率)β表示，計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中：

ζ——阻尼比；

f——源強(qiáng)的激振頻率,Hz；

f0——系統(tǒng)設(shè)計(jì)的固有頻率,Hz；

K——彈性墊的剛度,N/m；

M——減振墊上部承受的質(zhì)量,kg。

圖9 不同ζ下單自由度系統(tǒng)傳遞系數(shù)與頻率比關(guān)系曲線

由式(4)可知，當(dāng)減振材料上部承受的荷載確定后，隔振系統(tǒng)的固有頻率主要受彈性墊剛度影響，而彈性墊剛度又同減振材料的彈性模量和厚度相關(guān)。減振材料越厚，系統(tǒng)的固有頻率越低，隔振效果越好。

3.4 隔振措施實(shí)施效果分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案開(kāi)挖燃?xì)庹{(diào)壓站整體基坑，在基坑底部澆筑混凝土墊層。在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)彈性材料，用膠帶對(duì)墊塊縫隙進(jìn)行粘貼，同時(shí)覆蓋塑料膜，防止混凝土等雜物進(jìn)入減振墊縫隙。為保護(hù)減振墊層，在減振墊上方首先澆筑素混凝土保護(hù)層，進(jìn)而澆筑共用筏板基礎(chǔ)和箱型基礎(chǔ)，同時(shí)在箱型基礎(chǔ)側(cè)壁粘貼彈性減振材料。圖10為施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖。

4 結(jié)論

1) 燃?xì)庹{(diào)壓站附近地鐵列車對(duì)燃?xì)庠O(shè)備的振動(dòng)速度波形影響較為明顯，而對(duì)振動(dòng)加速度波形影響較小。

a) 底墊鋪裝

c) 側(cè)墊鋪設(shè)

2) 燃?xì)庠O(shè)備自身運(yùn)行產(chǎn)生的加速度以100 Hz以上的高頻振動(dòng)為主，而地鐵列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度主要集中在20～100 Hz。

3) 與燃?xì)庹{(diào)壓站水平距離40 m的地鐵線路對(duì)燃?xì)庠O(shè)備仍有較大的振動(dòng)影響，列車通過(guò)時(shí)加速度振級(jí)可增加11.5～19.9 dB。

4) 本文以實(shí)際地鐵線路下穿燃?xì)庹{(diào)壓站項(xiàng)目為例，依據(jù)隔振原理對(duì)燃?xì)庠O(shè)備的基礎(chǔ)被動(dòng)隔振措施進(jìn)行了探討分析，可為相似工程的地鐵環(huán)境振動(dòng)控制提供參考和借鑒。