地铁物业减振降噪设计及测试分析

王 建

(广州地铁设计研究院有限公司 广州 510010)

随着现代工业的快速发展和城市规模的不断扩大，地铁以其占用地面空间少、速度快、运量大、方便、准时、舒适等优点而成为解决城市交通拥堵问题的重要手段［1］，但其对周边环境的噪声、振动影响也日益显现，在国际上振动己被列为七大公害之一。

文献［2］显示:当地铁列车在区间以时速50 ～70 km/h 运行时，在北京(隧道埋深为9 ～16 m)对地面环境振动影响范围为40 ～50 m;在上海(隧道埋深为10 ～16 m)对地面环境振动影响范围为20 m。由此可见，最简单的处理措施是控制周边建筑与轨道交通车站、区间的距离。另外，轨道交通沿线的土地整理、开发已成为主要融资方式，其中，地铁站+物业一体化的大型综合体更是最重要的开发形式。如何减少间隔距离，同时控制对地铁物业的噪声、振动影响，给设计人员提出了很高的要求。

笔者总结了地铁物业——南海金融城的减振降噪设计方案，同时结合现场环境测试数据，对设计方案进行了后评估，认为其设计方案、结论具有很强的现实意义。

1 地铁物业减振降噪设计

1.1 项目概况

南海金融城项目为广佛地铁金融高新区站上盖建筑，位于广佛线南海金融城站及金融城—长桂路区间地块内，车站(150 m)、区间(160 m)线路斜穿地块。车站正上方布置4 ～5 层裙楼，车站南侧布置4 栋住宅塔楼(142 m)，区间西北侧为办公、酒店塔楼(170 m)，且部分核心筒落在区间隧道上需进行转换。

1.2 降噪设计

城市轨道交通一般按专有路权设计，其轨行区与外界是完全隔离的，这就为地下线与有地下室的物业进行降噪设计提供了便利条件。

降噪一般有隔声、吸声、消声三种方式。对于采用封闭运行的地下段，隔声是最有效的处理方式。匀质单层板与双层板结构(板-空气-板)的平均隔声量可分别按以下估算［3］:

图1 双层板空气层厚度和附加隔声量的关系

金融高新区站站厅层为满足防火及人防要求，与南海金融城物业分隔结构采用400 mm 厚砼墙;站台层高出物业车库，为满足人防、水土侧压要求，两者之间设置700 mm 厚砼墙。在区间，地铁结构与物业采用脱离布置，物业底板厚600 mm、地铁隧道顶板厚500 mm，中间留有100 mm空气层，在传播路径上尽量减少其影响。根据式(1)～式(2)可计算出车站与区间结构的平均隔声量，结果如表1所示，从表1可以看出结构隔声的效果明显。

表1 车站与区间结构隔声量

1.3 减振设计

对于采用封闭运行的地下交通系统，其内部噪声对外部环境不会造成较大干扰，但是振动的影响相对较大。根据振动传播特征(见图2)，可在振源、传播途径上分别采取控制设计。

图2 轨道交通引起的环境振动关系

1.3.1 振源控制设计

1)金融城站及其相邻区间轨道结构采用钢弹簧浮置板道床，与普通轨道结构相比能使振动加速度级减少20～30 dB［3］，其效果最为明显且可控。

2)金融城站为岛式车站，区间左右线分离，通过底板拉通，形成一个整体结构，并在中间底板上回填黏土，一方面可满足抗浮要求，另一方面可有效增加受振质量，减少振动速度级。

根据文献［4］可知，地铁隧道墙体的振动速度级Lv(dB)与地铁隧道结构平均厚度之间的经验关系式为

式中，d为地铁隧道结构的平均厚度，一般为0.4～1.25 m。

从式(3)得出:隧道结构的平均厚度增加一倍，振动速度级降低17 dB;隧道结构的质量增大一倍，振动速度级降低6 dB。

1.3.2 传播路径控制设计

地铁振动在土壤介质传播的衰减由两部分组成，一部分是阻尼衰减，另一部分则是由于距离的增加而引发的辐射衰减。其中，辐射衰减是传播衰减的主要贡献者，而阻尼衰减相对较小，在地铁影响范围内，衰减量一般小于5 dB［5］，为隔阻振动向建筑物传播，可增大建筑物与地铁的距离。另外，振动在传播中的能量损失和介质内部颗粒的密实度有较大关系，密实度越高，其损失越小，因此，在砼结构中更易对地铁周边的建筑造成影响，设计时若将建筑结构与地铁结构完全分离亦可隔阻振动。

振动的Z计权速度级随距离衰减的关系［6］，有

式中，CD为振动速度级随距离的衰减量(dB);a，b为待定系数，通过类比测量得到;R为预测点至隧道底部外轨中心线的直线距离，m，有

式中，L为预测点至外轨中心线的水平距离，m;H为预测点至轨顶面的垂直距离，m;λ为底层阻尼因子，见表2。

表2 阻尼因子与地层的关系

1)总平面设计。由于本综合体有对振动噪声较为敏感的住宅，也有标准相对较低的办公楼、商业裙楼，因此，在平面布置上需体现“增加传播距离”的原则。车站需要停车方便上下乘客换乘，线路直顺且后期维护保养条件好，可在其附近布置住宅;而区间相对振级较大，可布置办公楼、酒店;商业裙楼则直接布置在线路正上方，总平面布置如图3所示。

图3 物业与地铁的平面关系

2)立面设计。根据车站、区间不同的振动特性，物业与地铁结构采用两种不同的处理形式:在车站，物业与地铁共用楼板、侧墙;但在区间，物业结构和地铁结构采用全分离设计，结构最小间距为100 mm。物业与地铁立面关系如图4所示。

图4 物业与地铁的立面关系

2 地铁振动测试

2.1 测试方案

2.1.1 测试布置

南海金融城项目地铁振动测试的主要参量为振动频率及测点铅垂向加速度时程，评价指标为铅垂向振动加速度的最大Z振级VLz，max。实际测量时还测量了水平加速度时程，并对其振级VL进行了分析以供参考。综合考虑评估需求、现场在建工程的结构特点、施工情况和地铁运行状况等因素，将现场分为7个测区，共布置47个测点进行测试，如表3所示。

表3 南海金融城测区分组

设置测区1和测区7的目的，主要是为考察地铁振动在与轨道垂直的水平方向(Y向)的传播规律和对结构的影响。此外，在其中距轨道较近的测点1-1、1-10、1-11、7-1、7-10、7-11还采集了铅垂向(Z向)的加速度时程以供分析;设置测区2～测区6的目的主要是为考察地铁振动在铅垂方向(Z向)的传播规律和对结构的影响。

2.1.2 测试仪器和设备

本次测试采用某研究所研制的智能信号采集处理分析仪(型号:INV306DF)、大容量数据自动采集和信号处理系统(DASP 2003专业版)、中国地震局研制的超低频测振仪(941B型)及拾振器(941B型)，在结构适当位置布置测点并采样。数据采集系统设置图如图15所示，现场测试仪器如图5所示，现场测试仪器如图6所示。

图5 振动测试数据采集系统设置

图6 现场测试仪器

2.2 测试数据分析

2.2.1 振级与距离的关系

测区1和测区7各测点的最大水平振级与距轨道中心线水平距离的关系如图7所示。从图中可以看出，最大水平振级分布在40～60 dB的区间，水平向振动的最大振级有随距轨道中心线距离的增加而减小的趋势，但在部分测点出现了反弹。这说明在离开地铁隧道中心的一定距离处存在水平振动放大区，这个距离依地层条件、隧道埋深、地基基础及结构特性而定。本文讨论的地铁金融城站典型区段，距轨道中心线20～45 m。

图7 最大水平振级随距离的变化

测区1各测点的昼间(6∶00—22:00)、夜间(22∶00—6∶00)最大铅垂振级与距轨道中心水平距离的关系如图8所示。从图中可以看出，最大昼间铅垂振级分布在50～60 dB的区间，最大夜间铅垂振级分布在50～55 dB的区间，其值均较水平向的相应值要大，这充分说明地铁运行引起的建筑结构振动以铅垂向为主。另外，最大铅垂振级在整体上随着距轨道中心线距离的增加而减小，在个别测点出现微小反弹，但变化值不大。

测区2～6各测点的最大铅垂振级与测点标高的关系如图9所示。从图中可以看出，最大铅垂振级在底部2层略有起伏，在以上各楼层变化幅度不大，振动在铅垂向的传播大体上随着高度的增加而有逐步衰减的趋势，在局部因与结构特性等因素相关而稍有波动。

2.2.2 振级频率与距离的关系

测区1各测点的昼间1/3倍频程中心频率段上的铅垂振级，随距轨道中心线距离的变化如图10所示。从图中可以看出，4 Hz以下的振动随距离变化衰减显著，但在10～25 m处出现波动;而5～20 Hz的振动，总的来说随距离的增大稍有增加，但变化不大;起主要作用的中心频率为25 Hz和31.5 Hz，两者均在距轨道中心最近的测点达到最大值，之后衰减明显，到约17.46 m处的铅垂振动能量已经衰减约1/3;40～80 Hz中心频段的振动同样随距离的增加衰减明显，各频段在不同的距离处各自产生一定的波动，这是由场地的土层变化引起波动干涉的结果。从图中还可以看出，起主要控制作用的中心频率为31.5和40 Hz。

图8 最大铅垂振级随距离的变化

图9 最大铅垂振级随标高的变化

图10 测区1铅垂振动1/3倍频程中心频率的振级随距离的变化

图11 测区3铅垂振动1/3倍频程中心频率的振级沿高度变化

测区3各测点1/3倍频程中心频率段的铅垂振级随高度的变化如图11所示。从图中可以看出，10 Hz以下的振动随距离变化的规律不明显，有放大也有衰减，但总体变化不大;10 Hz以上的振动，总的来说在1层(标高6.400)以下逐层增大，而在1层达到最大值后又呈衰减趋势。这些不同频率段振动的衰减或放大应是结构刚度及边界条件变化引起干涉的结果。从图中还可看出，起主要控制作用的中心频率为25、31.5和40 Hz。

2.2.3 综合评价

选取测区1、测区3、测区7为典型测区，各测点的铅垂向1/3倍频程振级如图12所示，图中还给出了GB/T 50335—2005《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》［7］规定的1/3倍频程中心频率上的振动加速度级1级限值。可见，实测的各点1/3倍频程加速度级均满足该规范的要求;也能满足GB 10070—1988《城市区域环境振动标准》和GB 10070《环境振动标准》(征求意见稿)分别要求的昼间75 dB的限值要求。

图12 典型测区铅垂振动1/3倍频程振级分析

3 结论

1)通过车站及相邻区间采用钢弹簧浮置板道床、车站范围地铁与物业结构合并、区间范围地铁与物业结构脱离、轨行区厚度按600+100+500 mm设置的整体方案，可有效控制地铁引起的振动及噪声对物业的不良影响，满足相关规范要求。

2)水平向振级明显小于铅垂向振级，且水平向能量的衰减要快于铅垂向，对结构起主要影响的是铅垂向的振动。

3)总体来说，铅垂向振动和水平向振动有随距离增大而衰减的趋势，铅垂向振动有随高度增加而衰减的趋势，但受土层分布、结构刚度及边界条件等因素影响，在特定距离范围内的振动存在波动。

4)仅通过加大距离来减少振动的效果不明显。测试显示，水平距离增加15 m，振级减少3～5 dB，随楼层高度的增加，铅垂振级尚有增大的现象，最大可达5 dB。

5)对1/3倍频程中心频率的分析表明，对地铁结构振动起主要作用的中心频率集中在20～60 Hz。

［1］董霜，朱元清.地铁振动环境及对建筑影响的研究概况［J］.噪声与振动控制，2003，4(2):1-4.

［2］辜小安，任京芳.我国地铁环境振动现状及控制措施［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2003，30(5):206-209.

［3］马大猷.噪声与振动控制工程手册［M］.北京:机械工业出版社，2002:73-391.

［4］Lombaert G，Degrande G，Uanhauwere B，et al.The control of ground-borne vibrations from railway traffic by means of continuous floating slabs［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，297(3-5):946-961.

［5］彭胜群.地铁振动污染防治对策［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2004，31(3):110-112.

［6］HJ 453—2008环境影响评价技术导则:城市轨道交通［S］.北京:中国环境科学出版社，2008:1-48.

［7］GB/T 50335—2005住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2005:1-15.