地铁环境振动对建筑场地影响实测分析*

高广运 耿建龙 毕俊伟 游远洋

( ①同济大学地下建筑与工程系 上海 200092)

( ②同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092)

0 引 言

近年来，随着我国城镇化建设的不断推进，城市人口不断聚集，大城市尤其是特大城市中交通问题日益突出。地铁以其安全、便捷、准时、运量大等特点，已成为解决城市交通问题的重要手段( 刘涛等，2018) 。由于城市用地紧张及地铁出行的便利性，建筑物距地铁的距离不断缩小，加之城市地面交通的影响，使交通环境振动对建筑物的影响越发严重。为避免交通环境振动对居民正常生产生活造成影响，许多学者先后评估了地铁等交通环境振动对建筑物的影响，分析了环境振动变化规律并开展了相应的隔振、减振措施研究。在所有研究方法中，现场实测是评估地铁环境振动最可靠的研究手段。

目前，地铁运行引起建筑物振动响应的实测研究已有较多成果。结合欧盟2003 年的CONVURT( The Control of Vibration from Underground Railway Traffic) 项目，Chatterjee et al. ( 2003) 和Degrande et al. ( 2006) 分 别 对 巴 黎 地 铁 RER B 线 的citéUniverisitaire 站和伦敦地铁Berkloo 线的Regent's Park 段进行测试，系统观测了隧道不同位置处、地表和临近建筑物的振动。高广运等( 2014，2016) 于2014 年测试了上海地铁一号线人民广场站区间隧道的振动，并结合数值计算研究了振动波在地表的衰减规律; 在2016 年实测了上海地铁二号线龙阳路站附近的地面振动，分析了不同频段的振动衰减规律以及波动的影响因素。杨爱武等( 2017) 分析了正弦波和方波循环荷载作用下软黏土的动力特性。张逸静等( 2017) 研究了圆曲线段地铁运行振动加速度及主频变化。许晨等( 2018) 开展了地铁荷载作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验，分析了地裂缝活动及地铁列车振动对位于地裂缝处地层的动力响应规律。宗刚等( 2018) 实测了上海地铁沿线某工程建设前后的振动，研究了建筑物对场地振动的影响。

在环境振动评价方面，我国采用振动加速度级作为评价指标，出台了多部规范规定了轨道交通引起的振动限值及测量方法。上海市在2010 年颁布了《城市轨道交通( 地下段) 列车运行引起的住宅建筑室内结构振动与结构噪声限值及测量方法》( DB 31/T470-2009) 来评价轨道交通环境振动。国际标准化组织提出采用分布在1/3 倍频段的速度和加速度有效值作为振动评价指标，并于1985 年颁布了规定各种建筑物振动限值的ISO 2631 标准。Amick( 1997) 研究指出测试数据的处理采用何种度量单位( 位移、速度、加速度) 并没有本质的差别，但最好是在频域内采用均方根值( RMS) 进行分析。

本文对某中心城区地铁13 号沿线某拟建住宅办公楼场地进行24 h 环境振动测试，采用ISO 2631 标准中规定的1/3 倍频程法，分析不同时段地铁运行等交通环境因素引起的建筑场地地面振动特性，并得到了一些有益的规律与结论，为该场地办公住宅楼的建设提供了依据，并可为类似条件下住宅办公楼的现场环境振动测试及结构设计提供重要参考。

1 工程概况

该拟建办公住宅楼场地位于某市中心城区，场地地势整体较为平坦，属于滨海平原地貌单元。在地勘揭露的75.45 m 深度范围内均为第四纪松散沉积物，属第四系河口、滨海、浅海、溺谷、沼泽相沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，具有典型层状分布特点。

场地处于中心城区繁华地段，场地北侧为城市主干道宁夏路，交通繁忙; 南侧为一辅路顺义路，车辆较少; 地铁13 号线近距离从场地下方穿过，地铁3/4 号线较远距离从场地西侧通过，东侧较远处还有地铁11 号线运行。地铁运行和路面交通引起的环境振动会对该场地造成影响。地铁13 号线与建筑的位置关系如图1 所示。

本次测试依据国际标准ISO 2631 中采用的1/3倍频程分析法，从加速度和速度有效值两方面分析场地振动特性，并依据ISO 2631 关于居民住宅和办公室的控制标准( 表1) 评价地铁环境振动对拟建建筑的影响。

2 现场振动测试

图1 地铁与建筑场地的相对位置Fig. 1 The relative position of the subway and the building site

表1 ISO 2631 关于住宅办公区环境振动限值规定Table 1 Environmental vibration limits of ISO 2631 on residential and office areas

为测试交通环境振动对拟建居民办公楼场地的影响，结合实际工程建设需要，选择距地铁轨道中心线28 m，距道路中心线72 m 处的位置布置测点，实测拟建工程场地不同时段3 个方向( 南北向、东西向、竖向) 上的速度与加速度。

本次测试采用意大利进口测试仪TROMINO。该仪器集采集系统、3 分量加速度( 速度) 感应系统及数据存储系统于一体，连续采集数据，随采随存，可长时间无间断采集。本次测试速度采集设置为低增益模式，其振动响应频率为0.01 ～300 Hz，加速度采集分辨率为0.001 gal，采样频率设定为512 Hz，完全符合该拟建场地的环境振动测试要求。测试仪器以及测试现场如图2 所示。

在测点位置处去除表面的石块、杂物及浮土后，将仪器调平并指北后固定在坚硬的土层上，记录下测试时间后开始进行测试。测试从当日17:17 开始至次日17:55 结束，历时24 h，每2 h 为一个测试时段。在本次测试过程中，由于仪器存储的限制，需在次日凌晨5:27 ～7:50 之间将仪器中存储的数据导出，因此缺失该时段的数据。在次日下午测试过程中，由于电池电量用尽，缺失15: 26 ～15: 54 时段内的数据。

图2 测试仪器以及现场测试图Fig. 2 Test instrument and test site

为更好地分析不同时段场地振动特性，参考地铁13 号线运行时刻表，将各测试时段划分为平峰、早高峰、晚高峰和无地铁运行4 种工况进行分析，具体划分情况见表2。本次测试中，有地铁运行的3个工况( 早高峰、晚高峰、平峰) 累计测试了8 个时段，无地铁运行的1 个工况测试了3 个时段。

表2 测试工况Table 2 Measuring case

3 测试数据分析

3.1 1/3 倍频程分析法

1/3 倍频程指各振动频段的范围，相邻两个1/3倍频程中心频率之比为21/3，且每个1/3 倍频程的上下两端截止频率之比也为21/3，如下式:

式中，f0为该频段的中心频率; f1、f2分别为该频段的下、上截止频率。对实测加速度时程进行傅里叶变换( FFT) 得到对应的频域曲线，并计算时间［0，T］内的功率谱密度函数( PSDF) :

式中，|X( F) |为加速度时程曲线经过FFT 的振幅;T 为时域内选取的时程。由式( 3) 计算可得第i 个1/3 倍频程内数据的有效值( RMS)

式中，M 为第i 个频段内的频率个数。重复以上过程，即可得到所有频段的振动加速度1/3 倍频程谱。1/3 倍频程分析法的优点是只要在图中绘制出任何一种响应曲线，均可从图中读出某一振动频率的对应振动加速度、速度和位移，无需再进行转换，且这种方法可以使振动的频率影响在初期就体现出来( 高广运等，2018) 。

3.2 场地振动测试分析

基于MATLAB，采用1/3 倍频程分析法对实测数据进行分析，并将ISO 2631 中关于住宅办公区的标准与处理结果绘制在同一图上进行对比分析。图3 为场地11 个测试时段南北、东西、竖直3 个方向的1/3 倍频程频谱图，各时段最大速度和加速度有效值如表3 所示。

表3 各时段最大速度和加速度有效值统计表Table 3 Statistical table of maximum speed and acceleration RMS at each period

在有地铁运行的8个时段( 图3a ～图3c，图3g ～图3k) 内，测点振动加速度幅值介于10－4～100gal 之间，且不同时段内各方向上振动加速度随频率的变化规律相近，但3 个方向的振动加速度在不同频率处的相对大小有差异。在1 ～7 Hz 之间，3 个方向的振动加速度值相近且幅值较小; 在7～20 Hz 之间，竖向振动加速度值大于水平向，两个水平方向振动加速度值相近，振动幅值有所增大; 在20～60 Hz 之间，水平向振动加速度值大于竖向，两个水平方向振动加速度值接近，该频段内出现峰值振动; 在60 ～200 Hz 之间，振动加速度幅值呈现竖向＞东西向＞南北向的规律，在此频段范围内振动幅值减小至较小值。

在无地铁运行的3 个时段( 图3d ～图3f) 内，测点振动加速度幅值介于10－5～10－1gal 之间。振动加速度随频率的变化规律在不同时段中相近，然而各方向上振动加速度在不同频率处的相对大小仍有差异。在1～3 Hz 之间3 个方向的振动加速度幅值相近且幅值较小; 在3～20 Hz 和80～200 Hz 之间竖向振动加速度有效值大于水平向，两个水平方向振动加速度值相近，振动幅值有所增大; 在20 ～80 Hz之间3 个方向振动加速度有波动，在该频段内出现振动加速度最大值。

对比分析图3 和表3 可知，有无地铁运行时场地振动有较大差异。无地铁运行时的地面最大振动加速度介于0.03 ～0.05 gal 之间，有地铁运行时为0.4～0.8 gal，比无地铁时高出1 个数量级，地铁运行引起的环境振动对场地有重要影响。

在有地铁运行的3 个工况中，4 个平峰运行测试时段的地面振动加速度最大值均为0.4 gal; 早高峰运行时段地面振动加速度最大值为0.5 gal; 晚高峰运行时段多种交通环境振源共同作用下场地振动加速度达到最大值0.8 gal，高于其他所有测试工况。

由图3 分析可知，有地铁运行的3 个工况内均有明显的加速度和速度峰值，可以读出地铁运行引起的场地振动主频。其中，17:17～21:18( 图3a ～图3b) 和7:50 ～15:26( 图3g ～图3j) 这6 个时段的主频为40 Hz; 15:54 ～17:54( 图3k) 时段内振动主频介于40～50 Hz 之间; 21:22 ～23:22( 图3c) 时段内振动主频为50 Hz。3 个无地铁运行时段内未出现明显的振动主频。

所有时段中，低频范围内( 2 ～8 Hz) 测点南北向、东西向和竖向的振动加速度有效值最大分别约为0.028 gal、0.024 gal 和0.030 gal，远 小 于ISO 2631 标准中关于居民住宅的限值1.0 gal; 中高频范围内( 8～250 Hz) 测点南北向、东西向和竖向振动速 度 有 效 值 最 大 分 别 为 26.715 μm·s－1、18.112 μm·s－1和11.073 μm·s－1，也远小于标准限值200 μm·s－1。

4 结论与建议

通过对某中心城区拟建住宅办公楼场地进行24 h 环境振动测试，利用1/3 倍频程法分析了实测速度和加速度值，研究了该拟建场地不同时段的环境振动特性，评价了地铁环境振动对场地的影响，主要结论如下:

图3 测点3 个方向24 h 1/3 倍频程图Fig. 3 1/3 octave band spectral analysis of three directions for measuring point

( 1) 8 个有地铁运行和3 个无地铁运行测试时段内振动加速度随频率的变化有各自相近的变化规律，然而各测试时段内3 个方向上振动加速度在不同频率处的相对大小存在差异。无地铁运行时振动加速度幅值介于10－5～10－1gal 之间，有地铁运行时介于10－4～100gal 之间，并在晚高峰时段达到最大值0.8 gal，地铁运行对场地环境振动有重要影响。

( 2) 地铁荷载作用下场地振动主频介于40 ～50 Hz 之间，无地铁运行时场地没有出现明显的振动主频。

( 3) 低频段内( 2～8 Hz) 场地振动加速度最大值约为0.030 gal，中高频段内( 8 ～250 Hz) 场地振动速度最大值为26.715 μm·s－1，拟建场地各时段内振动均满足国际标准ISO 2631 中关于此类建筑场地振动控制的要求。

(4) 本次场地环境振动测试是在项目尚未动工的特定环境条件下进行的。随着项目的建成并投入运行，各种振源必将接踵而至; 同时，随着相邻建筑物和道路的建设以及宁夏路交通量的增加，振动情况更复杂，将增大对该场地的影响。因此，在项目设计施工时，应充分考虑这一不利因素，采取必要的隔振、减振措施，将环境振动控制在标准容许范围内，确保拟建办公住宅楼的正常使用。