地铁振动的地下连续墙隔振实测分析★

李 宁

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)



·岩土工程·地基基础·

地铁振动的地下连续墙隔振实测分析★

李 宁

(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438)

通过现场实测上海某地铁沿线场地设置地下连续墙前后的振动变化情况，从时域和频域角度，分析了地下连续墙对地铁振动的隔振效果及规律，测试分析结果表明：地下连续墙对地铁运营引发的地面中高频及低频振动均有较好的隔振效果，可作为一种减小地铁振动对环境影响的有效隔振手段。

地下连续墙，地铁振动，隔振效果，加速度

1 概述

对于轨道交通系统，地铁列车在轨道上行驶时，车轮与轨道接触引起轨道周期性的振动、车轮在轨道接缝处引起的冲击振动会经钢轨通过道床传到隧道结构，再通过隧道结构传递到周围的土层中，进而通过土层向四周传播，诱发附近地下结构以及地面建筑物的二次振动。

为减少振动对环境影响，填充沟等屏障隔振方式在工程中得到应用。地下连续墙作为一种围护结构，因可适用于各种复杂地质条件、整体刚度大、整体性好、可减少工程施工对周围环境的影响等优点得到广泛应用。从屏障隔振的角度来看，混凝土地下连续墙相当于填充材料为混凝土的填充沟，属于一种刚性连续屏障。文献[1]研究了空沟和填充沟渠屏障的隔振效果，研究表明填充沟屏障可以减少80%的振动。文献[2]研究了影响屏障的主要参量，得出了刚性屏障不会产生明显的入射波全投射的现象，在实际工程中首先选择刚性屏障。文献[3]采用类比调查与理论估算相结合的手段，分析研究了上海音乐厅迁移后受地铁运行振动影响的程度和范围，认为在上海音乐厅的防振措施中仅有地下连续墙的方案存在可行性。文献[4][5]分别采用数值方法分析了地下连续墙对地铁振动的隔振规律。由于数值计算在参数取值、计算假定方面与实际均有所差异，得出的结论与实际规律可能有所偏差。并且，地铁引起的振动通过土层向建筑物内传播的过程非常复杂，有很多不确定性因素有待于研究，建筑物的实测资料有时比数值分析更重要[6]。

综上，有必要开展地下连续墙对地铁振动隔振效果的实测研究。本文通过实测的方式对地铁振动的地下连续墙隔振及相关规律进行了探讨。

2 地下连续墙隔振效果实测分析

2.1 测试场地环境

本次地下连续墙隔振效果测试在上海市某地铁沿线工地进行。在工地建筑红线范围内设置有厚度为0.8 m、深度为20 m的钢筋混凝土地下连续墙进行基坑围护。北侧公路路面下为东西走向的某地铁区间隧道，埋深8 m左右。为减小施工振动影响，本次振动测试在午间工地施工活动停止时进行。

2.2 测试设备

主要测试设备包括美国国家仪器公司的NIUSB6210采集卡、中国地震局工程力学研究所的941型放大器、941B型超低频拾振器及北京东方振动和噪声技术研究所的DASP-V10测试分析软件工程版。

2.3 测点布置

为验证钢筋混凝土地下连续墙对地铁振动的隔振效果，在场地设置地连墙前后同一时间段地铁经过时，分别对地连墙远离地铁一侧地面相同测点1，2，3处的地面铅垂向振动响应进行测试分析，比较设置地连墙前后的场地振动差异。

测点布置如图1所示，地面测点1，2，3距离地铁隧道下行线中心线分别为15.5 m，24.3 m和32.3 m，距离地连墙分别为9.5 m，18.3 m和26.3 m，测点连线垂直于地连墙。每个测点布置1个拾振器，测试方向为铅垂向，测试振动指标为加速度。

2.4 数据分析评价方法

1)隔振效果的时域评价方法。

本文采用振动加速度级VAL来描述振动强度，单位为dB(分贝)，其定义见式(1)。

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

其中，arms为加速度有效值；a0为基准加速度值，大小为10-6m/s2。

同时，为更直观地看出隔振前后振动变化量，还采用屏障隔振研究中普遍采用的振幅衰减系数AR[7]作为隔振效果评价指标，其表达式如式(2)所示。

(2)

若某测点隔振后的振幅衰减系数为AR，则表明隔振后该点的振动减小了(1-AR)×100%。

通过以下推导过程可以获得振动加速度级变化量ΔVAL与AR之间的换算关系。

令隔振前后的同一测点的振动加速度级分别为VAL1和VAL2，对应的加速度有效值分别为a1和a2，则根据式(1)得:

(3)

即:

AR=10ΔVAL/20

(4)

本文中拟采用上述方法在时域内评价地连墙对地铁振动的隔振效果。

2)隔振效果的1/3倍频程评价方法。

1/3倍频程法是国际上用于分析环境微振动的标准频域方法。其具体计算过程如下：

a.将采集到的加速度时程曲线进行快速傅叶变换(FFT)转换至频域，并计算功谱密度函数(PSDF)：

(5)

其中，|Y(f)|为加速度时程曲线经过FFT变换的振幅；T为时域内选取的时程。

b.将频率轴划分为若干宽频带，每个宽频带上下限频率分别为fu和fl，中心频率为:

fc=21/6×fl=2-1/6×fu

(6)

c.在每一宽频段中计算累计的中心频率功密度函数积分值Ey(fc):

(7)

d.计算中心频率fc的RMS(Root-Mean-Square)频谱值:

(8)

即可得到以中心频率为横坐标的加速度频域曲线。

本文采用1/3倍频程法在频域内分析地连墙对不同频率区间范围内地铁振动的隔振效果。

2.5 地铁振动的地连墙隔振效果分析

1)地连墙隔振效果时域分析。

现场记录了地连墙隔振前后、相同时间段内7辆地铁列车经过测线时各测点振动加速度数据。绘制隔振前后各测点典型加速度时程曲线如图2所示，列举隔振前后各测点加速度级与平均振动加速度级如表1所示，绘制隔振前后各测点平均振动加速度级随距离变化如图3所示。

由图2知，设置地连墙前，地铁列车经过时引发振动从测点1传播至测点3过程中呈衰减趋势，振动加速度时程曲线振幅依次减小。设置地连墙后，同时段地铁列车经过时，各测点振动幅值较设置地连墙前有明显减小。由表1及图3可更清楚地看出，设置地连墙后，同时段7辆地铁列车经过测线时，测点1，2，3的平均振动加速度级依次减小了9.8 dB(67.6%)，2.76 dB(27.2%)和1.75 dB(18.2%)，振幅衰减系数AR分别为32.4%,72.8%和81.8%。可见，地铁经过时，地连墙对其远离地铁一侧的地面振动有明显隔振效果。地面测点距地连墙越近，隔振效果越好，振动减小幅度越大；随着距离的增大，测点处隔振效果逐渐变差，测点振动开始逐渐趋近但仍小于隔振前振动级别。

表1 隔振前后各测点地铁

dB

2)地连墙隔振效果频域分析。

以上从时域角度分析了地铁振动的地连墙隔振效果，该隔振效果是不同频段振动减小的综合体现。为了解地连墙对哪个频段的地铁振动影响较显著，下文拟从频域角度开展进一步分析。为方便描述，定义设置地连墙后，测点振动减小的频率区间为“有效隔振频率区间”。

图4为对应于图2所示隔振前后各测点典型加速度时程的1/3倍频程曲线。由图4知，设置地连墙前，地铁列车经过时，各地面测点振动频率主要集中于50 Hz～80 Hz中高频段，与文献[8]中“地铁运行引起的地面振动的主要频率成分在60 Hz～80 Hz之间”的结论基本一致。设置地连墙后，距地连墙最近的测点1有效隔振频率区间为1 Hz～8 Hz，16 Hz～20 Hz，31.5 Hz～100 Hz；测点2有效隔振频率区间为1 Hz～6.3 Hz，50 Hz～80 Hz；测点3有效隔振频率区间为1 Hz～6.3 Hz，40 Hz～100 Hz。各测点的公共有效隔振频率区间为1 Hz～6.3 Hz，50 Hz～80 Hz，这两个频率区间内各测点处的振动加速度级减小量如表2所示。

表2 地连墙隔振后各测点

dB

由表2知，地连墙对地铁振动主频所在50 Hz～80 Hz中高频段的振动成分有显著隔振效果。其中，随测点至地连墙距离的增大，50 Hz～80 Hz中高频段地铁振动加速度级减小量由11.26 dB～14.94 dB逐步减小至3.89 dB～7.37 dB，隔振效果逐步减弱。此外，地连墙对1 Hz～6.3 Hz低频段振动成分也有明显隔振效果，但该频段地铁振动隔振效果随测点距离变化规律性不强。

3 结语

本文基于现场实测振动数据，从时域和频域角度分析了钢筋混凝土地下连续墙对地铁振动的隔振效果及规律。主要结论如下：

1)由时域分析结果知，地铁经过时，地连墙对其远离地铁一侧的地面振动有明显隔振效果。其中，地面测点距地连墙越近，隔振效果越好，振动减小幅度越大；随着测点至地连墙距离的增大，振动减小幅度也随之减小。

2)由频域分析结果知，地连墙对地铁振动主频所在50 Hz～80 Hz中高频段的振动成分有显著隔振效果。对1 Hz～6.3 Hz低频段振动成分也有明显隔振效果。

3)各测点50 Hz～80 Hz中高频段地铁振动隔振效果随测点至地连墙距离的增大而逐步减弱；各测点1 Hz～6.3 Hz低频段地铁振动隔振效果随测点距离变化规律性不强。

4)地下连续墙可视为填充材料为混凝土的填充沟，对地铁运营引发的地面中高频振动和低频振动均有不同程度的隔振效果，可作为一种减小地铁振动对环境影响的有效隔振手段。

[1] Adam M,Von Estorff O.Reduction of train-induced building vibration by open and filled trenches[J].Computers and Structures，2005，83(1)：11-24.

[2] 邱 畅，高广运，岳中琦，等.屏障隔振系统失效机理的探讨[J].西北地震学报，2003，25(3)：198-203.

[3] 周裕德，祝文英，应乐惇，等.地铁振动对上海音乐厅迁址影响分析及对策措施[A].上海市环境科学学会第11届学术年会论文集[C].上海：上海市环境科学学会，2004：28-31.

[4] 朱玉星.地铁运行激励下土层振动的有限元分析与隔振研究[D].上海：同济大学，2007.

[5] 栗润德.地铁列车引起的地面振动及隔振措施研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[6] Andersen L，Nielsen S R K.Reduction of ground vibration by means of barriers or soil improvement along a railway track[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2005，25(7)：701-716.

[7] Metrikine A V,Vrouwenvelder A C W M.Surface ground vibration due to a moving train in a tunnel[J].Journal of Sound and Vibration，2000，234(1)：43-66.

[8] 席兆凯，陈清军.地铁运行引起地面振动与噪声的实测分析[A].第23届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C].北京：工程力学杂志社，2014：379-385.

The underground continuous wall isolation vibration measurement analysis on subway vibration★

Li Ning

(ShanghaiRockandSoilEngineeringDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Shanghai200438,China)

Through the field measured the vibration change situation before and after along a subway site in Shanghai setting of underground continuous wall, from the time domain and frequency domain, this paper analyzed the vibration isolation effect and rule of underground continuous wall to subway vibration, the test and analysis results showed that: the underground continuous wall had good vibration isolation effect to ground mid-high frequency and low frequency vibrations caused by subway operation, could be used as a effective vibration isolation methods reducing the influence of subway vibration to environmental.

underground continuous wall, subway vibration, vibration isolation effect, acceleration

1009-6825(2016)18-0051-03

2016-04-16★：上海市科委科研计划项目(项目编号：10231200704)

李 宁(1980- )，男，博士，工程师

TU435

A