地铁沿线建筑环境振动及减振措施效果研究

张婧，邬玉斌，宋瑞祥，何蕾，刘必灯，吴丹

（北京市劳动保护科学研究所，北京 100054）

1 引言

为缓解交通拥堵，国内各大城市都在积极发展公共交通系统，其中地铁交通以其方便、快捷、准时、载客量大等优点，成为人们日常出行的重要交通工具。地铁在给人们日常出行带来便利的同时，也会引起环境振动及噪声污染[1～4]。随着城市轨道交通线网逐渐加密及城市用地日益紧缺，地铁线路距离建筑物越来越近，如何采取有效措施，尽量减小地铁运行引起的环境振动及噪声影响，确保周边建筑能够满足相应的振动噪声标准要求，在提高土地开发利用率的同时也能提升周边建筑内居民的舒适度，已成为地铁周边物业开发急需解决的问题。

为解决地铁运行引起的振动噪声污染问题，从根本上还是要对地铁运行引起的振动问题进行预测和控制。根据振动产生机理、传播规律以及受振体的响应特点，减振降噪可以从振源[5、6]、振动传播路径[7、8]和受振体[9、10]三方面采取对策。随着城市用地逐渐紧缺，建筑物和轨道交通线路距离越来越近，甚至出现线路下穿建筑的案例。对于这种轨道交通线路附近的近距离建筑物而言，单一的振动源强减振措施一般无法满足需求，而传播途径减振措施又会受到城市地下管网的限制，这使得受振体自身防护成为治理轨道交通运行所致近距离建筑振动超标量大时的重要途径，并因此成为研究热点。

本文以北京某地块临近地铁线路的建筑物为例，采用类比测试和数值仿真相结合的研究方法，对地铁运行下建筑物室内振动响应进行预测分析，并对建筑物自身减振措施进行效果预测。

2 项目概况

选取北京某地铁线路周边建筑为研究对象，该建筑的结构边线距轨道中心线7.2m，建筑物与线路平面位置关系见图1。该建筑物为剪力墙结构，建筑基础为筏板基础，建筑层高2.9m，地上22层，地下部分2层，通过通道与地库连接。地铁线路目前尚未开通运行，线路拟采用列车类型为A型车8辆编组，通过时速为89.4km/h。区间隧道为单线单洞马蹄形隧道，地铁轨面距地面约21m。地铁线路拟采用特殊减振——液体阻尼钢弹簧浮置板道床措施。

图1 建筑与线路相对位置关系

3 地铁振动影响预测分析

由于线路尚未开通运行，先选取与本项目地铁线路条件相似的其他营运地铁线路进行实测，采用类比实测和数值仿真相结合的方法预测地铁运行引起该建筑的室内振动情况。

3.1 地铁振动源强类比测试

根据地铁线路条件选取相似线路进行实测，类比线路与本项目振源线路类比性分析见下表。由下表可见类比振源与该项目源强在多数类比因素上具有一致性或相似性，车速差异通过《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》[11]附录D提供的预测模型进行修正。对类比线路源强展开实测，经过数据处理和分析，确定68.5dB作为本文的参考隧道壁源强最大Z振级。

该项目与类比线路参数对比表

3.2 地铁振动影响数值仿真分析

3.2.1 建立模型及确定荷载

参照实际工程结构建立“隧道—土层—建筑物”有限元模型，见图2。土体采用实体单元模拟，建筑楼板、剪力墙等结构采用壳单元模拟，钢轨及梁柱采用梁单元模拟，扣件采用弹簧单元模拟，土层参数按照实际地勘资料确定。模型四周及底部边界处设置黏弹性人工边界以满足半无限空间的单向辐射条件。

图2 隧道—土层—建筑三维有限元模型

轮轨力采用类比断面钢轨加速度实测数据计算反演求得，轮轨力时域及频域曲线见图3。

图3 轮轨力时程曲线及频谱分布

3.2.2 仿真模型校验

提取靠近该建筑隧道洞壁处四个节点的竖向加速度值，经计算得最大Z振级，见图4。由图4可知，计算值与实测值较为吻合，模型精度较为可靠。

图4 隧道洞壁处拾振点计算值与实测值对比

根据建筑与源强的相对位置关系，选取靠近地铁线路一侧单元各层中六处典型位置作为拾振点提取竖向加速度值，位置见图5。

图5 建筑物室内拾振点位置

3.2.3 建筑物环境振动仿真结果分析

经计算，该建筑室内各楼层所有拾振点的振动加速度有效值为0.001 9～0.018 2m/s2。图6所示为各楼层所有拾振点的平均加速度有效值随楼层变化的情况。由图6可知，楼板的平均振动加速度有效值随楼层增高大致呈先降低后升高的波动分布规律。

图6 建筑物振动加速度有效值随楼层变化趋势

4 振动控制措施效果分析

为提升居住品质，对该建筑进行基础隔振设计。在原模型基础上进一步建立了建筑基础减振措施有限元模型，隔振材料通过实体单元进行模拟，隔振材料—建筑有限元模型见图7。其中减振垫材料为聚氨酯弹性材料，根据基底压力应确定减振垫型号及厚度。减振垫铺设位置见图7。模型拾振点位置与建筑物基础不铺设减振垫时位置相同（见图5）。

图7 隔振材料-建筑物有限元模型

经计算，铺设减振垫后各楼层所有拾振点的振动加速度有效值为0.001 2～0.011 3m/s2。图8为建筑物各楼层铺设减振垫前后的平均加速度有效值的对比图，由图8可看出，实施减振措施后，所有楼层室内的平均振动加速度有效值均有不同程度降低，相比未铺设减振垫下降。

图8 各楼层减振量

5 结论

综合采用类比测试和数值仿真法对北京市某地铁线路周边建筑进行环境振动和控制措施效果分析研究，结论如下：

（1）采取振动控制措施前，建筑室内振动加速度有效值为0.001 9～0.018 2m/s2，建筑物楼板的平均振动加速度有效值随楼层增高大致呈先降低后升高的波动分布规律。

（2）为进一步提升居住品质，在建筑物基础铺设减振垫。采用控制措施后，建筑物室内振动加速度有效值为0.001 2～0.011 3m/s2，各楼层的平均振动加速度有效值都有不同程度下降，相比未铺设减振垫时最大下降47%，控制措施效果较为明显。

该研究成果可为类似工程的临近地铁建筑物受地铁振动影响预测分析及受振体减振措施设计提供参考。