地铁车辆段咽喉区上盖建筑振动响应规律研究

何蕾，宋瑞祥，邬玉斌，吴琼

（北京市劳动保护科学研究所，北京 100054）

引言

地铁车辆段上盖物业遵循以公共交通为导向的新城市发展理念，在节约利用土地的同时反哺轨道建设，是当前各大城市建设的热点。然而由于上盖建筑与地铁线路零距离接触，噪声振动污染成为限制车辆段上盖开发规划的关键因素。尤其车辆段咽喉区线路道岔密集，轮岔冲击振动显著，隔振手段有限，咽喉区上盖成为住宅、幼儿园、养老设施等振动敏感建筑的禁区，每个车辆段约6hm2的咽喉区覆盖面积仅作为绿化或配套设施规划，造成大面积土地浪费，不利于上盖空间功能合理布局及高效利用。

针对咽喉区道岔线路的振动影响，国内学者先期开展了大量研究工作。邹超[1]、邹林志[2]等通过现场测试手段分析了咽喉区线路运营产生的振动加速度在周边场地上及车辆段结构中的时、频域衰减规律，邬玉斌[3]等结合有限元计算分析了咽喉区邻近落地建筑振动响应规律，何蕾等[4]通过现场振动监测统计分析了车速对咽喉区上盖建筑环境振动的影响规律。但在实际运营条件下，咽喉区上盖建筑室内振动响应特性及影响规律鲜有分析研究。

本文以现场试验为手段，展开实际运营条件下的咽喉区上盖框架结构建筑室内振动响应分布特性及线路影响规律的研究，为车辆段上盖建筑规划设计及振动控制提供依据。

1 试验方案

1.1 测试对象

测试地点为北京地区某地铁车辆段，采用6B车型，其咽喉区采用碎石道床，道床下铺设橡胶弹性道砟垫，道岔结构均为固定辙叉式7号单开道岔。咽喉区以高10.6m钢筋混凝土框架结构覆盖，以上盖某钢框架结构办公建筑为对象展开测试分析。

该办公建筑位于咽喉区中部，正下方股道线路为7～14股道，并含4组单开道岔，南侧距离15股道水平距离11.0m，距离18股道18.4m，建筑与线路平面位置关系如图1所示。

图1 测试建筑与咽喉区线路位置关系

1.2 测点布置

建筑内部中央为连通大厅，四周环绕布置独立隔间办公室，于邻近拐角的室内地面（瓷砖）中央设置垂向振动加速度测点。其中一层房间面积为41.8m2，二层、三层房间面积为15.8m2，测点分布见图2。

图2 建筑室内测点位置

1.3 测试仪器及时间

采用B&K8344型振动加速度传感器及B&K3560型PULSE数据采集仪，对室内振动连续监测3天。每日出库时间集中于早晨4:40～7:17和上午9:46～10:50（约1h），回库时间集中于下午16:24～17:55（约1h）及晚上19:27～24:29，其中上下午的出入库时间和办公时间有重合，共计约2h。

2 试验结果

2.1 时频域振动响应特性

建筑正下方7股道同一列车出入库时室内2层的波形曲线如图3所示。出库波形呈现典型纺锤形，通过时间约60s；入库工况下波形呈现“三段式”，显示有停车等待迹象，通过时长约140s，且峰值加速度出库高于入库。

图3 正下方股道出入库时典型波形曲线

建筑正下方7股道出入库时各楼层室内1～100Hz典型频谱曲线如图4所示。出入库工况下各楼层室内峰值频率均出现在10.7Hz和16.5Hz左右。总体上看，振动沿各楼层向上传播过程呈现高频衰减、低频放大的趋势。首层振动在40～60Hz区间频率成分丰富，至二层和三层有明显减弱；20～40Hz区间内二层室内振动有微弱突出，至三层降低显著；20Hz以内则由一层传播至上部楼层后有放大趋势，一层10.7Hz振动加速度为0.000 522m/s2（入库）和0.000 661m/s2（出库），三层室内振动加速度放大至0.001 1m/s2（入库）和0.001 51m/s2（出库），增大约2.1～2.3倍。

图4 正下方股道出入库时典型频谱曲线

2.2 列车个体的影响

同一股道连续7列车出库时，室内二层监测得到10.7Hz峰值振动加速度及均方根加速度值见图5。可见不同车次运行时上盖建筑室内振动加速度响应具有一定的离散性，振动加速度均方根值相比平均值最大偏离17.4%，这10.7Hz单频振动加速度相比平均值最大偏离33.8%，这与不同司机的驾驶习惯、车速、车轮踏面磨耗等情况密切相关。

图5 同一股道不同列车出库时振动加速度

2.3 运营线路与建筑间相对位置关系的影响

监测实际运营条件下咽喉区各股道线路出库时室内二层测点在10.7Hz单频振动加速度平均值见图6。5～14股道位于建筑正下方，其中5～8股道、9～12股道、13～14股道分别分属同一跨，且7/8股道位于所测房间正下方。9/10股道列车行驶时诱发楼板振动明显弱于12股道，主要原因为9、10股道在建筑正下方直线通过，且9股道无道岔结构、10股道道岔结构临近周边无结构柱，根据邹超等[2]分析，直线区间线路源强明显低于道岔区间，因而9股道线路源强偏小，10股道振动能量经过较长距离的岩土阻尼衰减，而12股道连续两次侧向进岔（两岔心间距34m），且第一组道岔紧邻咽喉区立柱（2.5m），激励源高于其他线路且振动能量缺乏岩土阻尼阻尼衰减，噪声可噪声可沿立柱及转换层传播至建筑结构。

图6 实际运营条件下列车出库时室内二层振动加速度

图7为监测所得振动加速度与测试房间与线路水平距离的关系。可见，总体上振动加速度随房间与线路水平距离增大呈现降低的趋势，相关系数达到0.7以上，但距离相近的各线路运行诱发的室内振动响应仍有较大差别。一方面由于线路中轮岔冲击振动异于普通线路区间，道岔在线路中的位置以及列车直侧向进岔方式使得线路激励源变得复杂，另一方面对于咽喉区上盖建筑结构，振动传播路径为轨道结构—路基—结构柱—结构转换层—建筑立柱，轨道结构与咽喉区框架结构柱之间的距离以及上部结构转换方式成为振动衰减的主要环节，而咽喉区结构柱网分布往往不规则，因而并不能仅依据线路水平距离位置关系判断各股线路对建筑结构的振动影响。

图7 线路与所测房间水平距离对振动加速度的影响

3 结论

以北京某地铁车辆段咽喉区上盖某三层办公建筑为例，以现场试验的方法分析了实际运营条件下道岔区上盖框架结构建筑室内振动响应及影响规律，得到如下结论：

（1）出库波形呈现典型纺锤形，入库时列车停车等待信号，波形呈现“三段式”，且峰值加速度出库高于入库。

（2）振动沿各楼层向上传播过程呈40Hz以上高频衰减、20Hz以下低频放大的趋势，三层相比首层在10.7Hz处单频振动加速度增大约2.1～2.3倍。

（3）同一股道不同列车运行时建筑室内振动加速度响应具有一定的离散性，振动加速度均方根值相比平均值最大偏离17.4%。

（4）总体上，振动加速度随房间与线路水平距离增大呈现降低的趋势，相关系数约为0.7，但距离相近的各线路运行诱发的室内振动响应仍有较大差别，轨道结构与咽喉区框架结构柱间的距离以及上部结构转换方式是振动衰减的主要环节，应作为振动响应的重点考虑因素。