变电站强夯振动对周边建筑物安全及人体舒适度的影响分析

刘金龙 徐帆 王智超

摘  要：强夯法可有效加固电力设施地基基础，但由于大能量夯击能的扩散，会对周边建筑物与居民产生一定的负面影响。结合强夯施工现场条件，对周边建筑物进行振动监测，测出不同距离下的振动速度，拟合出振动速度-夯检距关系曲线，并计算出建筑物安全距离。采用1/3倍频程分析法，计算建筑物内人体舒适度的容许振动加速度级，进而推算出人体舒适度符合规范容许值的距离节点。结合工程实践，计算得到强夯施工对周边建筑物的安全距离约为35 m，建筑物内符合规范的人体舒适度距离约为90 m。

关键词：强夯施工；振动监测；安全距离；人体舒适度

中图分类号：TP391 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）18-0171-05

Analysis of the Influence of Substation Dynamic Compaction Vibration on the Safety of Surrounding Buildings and Human Comfort

LIU Jinlong， XU Fan， WANG Zhichao

（Guangdong Tianxin Electric Power Engineering Testing Co.， Ltd.， Guangzhou  510663， China）

Abstract： The dynamic compaction method can effectively strengthen the foundation of power facilities， but due to the diffusion of large-energy ramming energy， it has a certain negative impact on surrounding buildings and residents. Combined with the construction site conditions of dynamic compaction， the vibration of surrounding buildings is monitored， and the vibration speeds at different distances are measured. The relationship curve between vibration speed and compaction distance is fitted， and the safety distance of the building is calculated. The 1/3 octave analysis method is used to calculate the allowable vibration acceleration level of human comfort in the building， and then calculate the distance node where the human comfort meets the allowable value of the specification. Combined with engineering practice， it is calculated that the safe distance of dynamic compaction construction to surrounding buildings is about 35 m， and the human comfort distance within the building that meets the specifications is about 90 m.

Keywords： dynamic compaction construction; vibration monitoring; safe distance; human body comfort

0  引  言

强夯法是大能量夯击地基土体，锤击引起的地面振动既向深层传递，也向四周扩散，引起四周岩土介质的振动，并以多种波的形式向四周传播，使远处的岩土及在其上的建筑物发生振动，进而对建筑造成一定程度的危害[1-3]。

在国家扩内需保增长的政策驱动下，城市基础设施建设提速，建筑密度不断增加。因此，拟建电力设施在地基处理阶段，难免会与周边建筑物所有者产生矛盾。经理论研究发现，强夯施工产生的夯击能以波的形式在地基中传播时，由于物质阻尼和几何阻尼的存在，振动会随着震源距的增加而衰减，当波动到一定距离后，波的强度很小，近乎对周围建筑物没有振动影响。然而，目前强夯施工只注重强夯振动对周边建筑物结构的影响评价，而忽视了对建筑内人体舒适度的考量。大多數强夯施工不会对周边建筑物结构产生较大影响，但存在居民因震感强烈对强夯施工工艺提出异议或阻挠的情况，在没有明确安全舒适距离标准的情况下，无法与居民有效沟通，从而导致工程进度滞后或改变工法。

在对振动特征和振动影响研究的基础上，评估建筑物内居民的舒适度，研究最佳施工距离，为设计提供技术参数，是保障高效施工的重要因素[4-6]。

1  安全距离评估方法

目前，强夯施工安全距离评估主要包括两种方法。

第一种，根据强夯施工现场条件，测出不同距离处的振动速度，拟合出振动速度与夯击距离的关系曲线，基于规范的最大容许振动速度计算出最小安全距离。基于最小安全距离，调整施工区域或施工工艺[7]。

第二种，在夯击过程中，直接对周边建筑物进行振动监测，获取各测点振动速度，以不同类型建筑物容许最大振动速度为判断标准，评估该施工距离是否对建筑物造成危害[8]。

现有评估方法仅考虑了振动波对于建（构）筑物的安全影响，未考虑建（构）筑物内人体对振动的容忍度。

2  人体舒适度评估方法

居民对强夯振动的反应主要表现为对强夯振动效应的主观感觉，这种主观感觉与强夯振动之间的关系尚缺少定量测定和描述。居民对强夯振动的承受能力与不同人员的年龄、体质和心理状态密切相关。采用振动计权分析法[9]，用振动计权加速度级（dB）表示振动限值。

3  工程应用

在强夯施工大面积开始之前进行强夯试验，利用安全距离评估方法，拟合出振动速度与夯击距离的关系曲线，计算出强夯施工最小安全距离。在最小安全距离处测量振动速度，对比规范规定的最大容许值，验证最小安全距离的可靠性。并对周边建筑物进行振动监测，在保证周边建筑物安全的前提下，对建筑物内居民的人体舒适度进行有效评价。

3.1  工程概况

该工程位于某市工业六区，厂址围墙东西宽约350 m，南北长约610 m，场地用地范围内用地面积为22.89 hm2，建（构）筑物占地面积为8.28 hm2。工程用地较为平整，在淤泥层之上，主要为荒地。采用强夯方式处理加固地基。强夯技术参数按淤泥层顶部厚度分档，具体如下：

强夯厚度7～9 m：3次点夯，1次满夯；点夯夯击能为6 000 kN·m，每次10击，满夯夯击能为1 000 kN·m，每次4击。

强夯厚度7 m：3次点夯，1次满夯；点夯夯击能4 000 kN·m，每次10击，满夯夯击能1 000 kN·m，每次4击。

强夯厚度5 m：1次点夯，1次满夯，点夯夯击能2 000 kN·m，每次8击，满夯夯击能1 000 kN·m，每次4击。

强夯厚度3～4 m：1次点夯，1次满夯，点夯夯击能1 500 kN·m，每次8击，满夯夯击能1 000 kN·m，每次4击。

强夯厚度＜3 m：2次满夯，满夯夯击能1 000 kN·m，每次4击。

当强夯产生的振动超过一定限值时，会对周围环境产生不利影响，严重时还会危及周围建（构）筑物以及地下设施的稳定和安全。因场地与已建成的居民楼距离较近，为确保居民安全，需要对强夯引起的民用建筑振动情况进行监测。

3.2  监测作业情况

本次监测共投入国产高精度爆破测振仪6台套。设备编号分别为DR001～DR006。

现场选定了3处试夯区，用5 000 kN·m夯击能开展强夯振动测试，点夯击数控制在1～5击之间，在每一击强夯施工过程中同步采集各个振动监测点的振动速度值和振动主频。夯击点1和2用于测试振动消散情况，获取安全振动速度下最小距离。夯击点3用于验证安全距离下附近建筑物振动情况，对建筑物安全与居民舒适度进行综合评价。

在夯点1和夯点2的主要影响区域各进行一次测试，每次均由近至远布设6套振动传感器采集设备，振动监测点距离试夯点大致在6～60 m。布点时尽可能保持各设备处于一条直线上，减少不同传输路径对振动速度的影响。在附近建筑物房屋顶楼楼面和房屋基础上各布设一个根据实际测量结果，房屋振动监测点距离试夯点在15～100 m左右。测点布设示意图如图1所示。

3.3  监测数据采集传输

进行强夯振动监测时，将传感器安装在预先布设好的位置，强夯引起的振动信号由强夯点经过土体介质传播到地面，振动传感器检测到振动信号后，将其转换成电信号传输到数据采集器，进而完成信号的放大、采集、存储等一系列工作。当传感器放置在房屋顶部、基础时，试夯试验共进行了5次，试夯点依次减小与传感器之间的距离；当传感器放置在施工场地内时，试夯试验共进行了3次，试夯点依次增大与传感器之间的距离。在试验过程中，数据采集器通过通信接口与服务器连接，可记录实时测量结果数据、监控仪器的工作状况，完成振动监测数据的处理工作。

3.4  强夯振动对建筑物的安全影响

由相关规范可知，建筑施工振动对建筑结构影响评价的频率范围应在1～100 Hz；建筑结构基础和顶层楼面的时域信号测试应取竖向和水平向两个主轴方向的振动速度，评价指标应取三者峰值的最大值及其对应的振动频率[10]。

强夯施工对建筑结构影响在时域范围内的容许振动值如表1所示。对于未达到国家现行抗震设防标准的城市旧房和镇（乡）村未经正规设计自行建造的房屋，容许振动值宜按表1中居住建筑的70%确定。

根据对本项目现场周边民用房屋的巡视检查结果，结合村民反馈情况，强夯振动施工影响范围内的房屋容许振动值，宜按表1所规定的居住建筑的70%确定。即振动频率在1～50 Hz条件下，顶层楼面容许振动速度峰值为8.4 mm/s；1～10 Hz条件下基础的容许振动速度峰值为3.5 mm/s，50 Hz条件下基础的容许振动速度峰值为8.4 mm/s。

3.4.1  安全距离计算

现场部分测量数据结果如表2所示。

根據量纲分析及强夯振动衰减规律分析，可知在强夯引起的地面质点最大振动速度v与测点距夯点距离s成幂指函数关系。应用数据分析软件，对实测数据进行曲线拟合，以R2值反映回归曲线的拟合程度，其取值范围在[0，1]之间，R2越趋近于1，说明回归方程拟合的越好；R2越趋近于0，说明回归方程拟合得越差。拟合结果如图2所示。

拟合结果如下：

s = 282.09 v -1.654

R2 = 0.989

由上述可知，R2趋近于1，所以该拟合公式效果较好。由实测数据可知，频率在1～10 Hz区间，则工业建筑、公共建筑基础振动容许值为12 mm/s，令v = 12 mm/s，则s = 4.628 30 m；同理，v = 5 mm/s，则s = 19.692 07 m；v = 3.5 mm/s，则s = 35.522 14 m；v = 3 mm/s，则s = 45.838 37 m。

综上所述，当夯击能为5 000 kN·m时，各建筑物类型的安全距离如图3所示。

3.4.2  建筑物安全性评价

由于现代建筑多为高层建筑，而振动则会随着楼层的增加被不断放大。因此，在确定各建筑物安全距离的基础上，还需监测对安全距离外最近的高层建筑物进行观测，以便更全面了解建筑物的安全性。

为了直观显示房屋楼顶与基础振速变化情况，绘制建筑物基础和顶部振动观测数据折线图如图4所示。

由统计结果可知：

5 000 kN·m夯击能下，房屋楼顶测点监测到的最大径向振速为0.6 cm/s（平均振速0.6 cm/s），切向方向的最大振速为0.3 cm/s（平均振速0.3 cm/s），垂直方向的最大振速为0.2 cm/s（平均振速0.2 cm/s）。

在5 000 kN·m夯击能下，各次夯击过程产生的振动主频均小于10 Hz，大致集中在3～5 Hz间。为了直观显示房屋楼顶与基础振速变化情况，绘制折线图如图5所示。

由统计结果可知：

5 000 kN·m夯击能下，房屋基础测点监测到的径向振速为0.2 cm/s（平均振速0.2 cm/s），切向的最大振速为0.1 cm/s（平均振速0.1 cm/s），垂直方向的最大振速為0.2 cm/s（平均振速0.2 cm/s）。

在5 000 kN·m夯击能下，各次夯击过程产生的振动主频均小于10 Hz，大致集中在3～5 Hz间。

综上所述，当夯击点在安全距离外，5 000 kN·m夯击能下，房屋楼顶和基础振速均未超过规范允许值。由此可得，此次夯击完成时，房屋结构处于安全状态。

3.5  强夯振动对建筑物内人体舒适度评价

3.5.1  参考依据

由相关规范可知，容许振动标准可采用1/3倍频程分析法，用分布在1/3倍频段的加速度（m/s2）或速度值（m/s）表示振动限值；也可采用振动计权分析法，用单一参数振动计权加速度级（dB）表示振动限值。采用1/3倍频程分析法，用加速度或速度值表示振动限值时，建筑物内人体舒适性的容许振动加速度和容许振动速度值，部分数据如表3所示。

对于不同使用功能的建筑物和不同性质的振动，由于使用要求和使用人群的不同，振动可忍性有很大变化，具体取值取决于社会背景、文化因素、心理状态及对居住的妨碍程度。表4给出了建筑物内人体舒适性容许振动修正系数（倍乘因子），对振动容许值进行调整。

3.5.2  舒适距离计算

本次研究采用振动计权分析法，用单一参数振动计权加速度级（dB）表示振动限值。

考虑到使用者工作、生活主要是在建筑物室内地面或楼面上，故竖向振动是主要影响因素。因此在进行舒适度距离计算和评价时，主要对竖向振动进行研究。鉴于现场施工进度稍缓慢，具体情况对应“每天只发生数次的冲击振动”，所以容许振动修正系数为30。根据振动修正系数（倍乘因子）对加速度进行调整，再按照振动加速度级的计算方法进行计算，得出不同使用功能建筑物和不同性质振动的计权加速度级容许值，实测值与容许振动值进行对比、分析、判断，进而得出安全距离。振动加速度级按照如下定义进行计算：

式中：VAL表示振动加速度级（dB）；b表示振动修正系数（倍乘因子）；a0表示基准加速度，取a0 = 10-6 m/s2（dB）；a表示实测或计算的振动加速度有效值（m/s2）。

根据实际情况可知，随着距离的增加，振动对人体舒适度的影响减少。各个场地周边建筑层高不一，因此对于舒适距离的确定可采取实测法进行推演。具体推演方法如图6所示。

在5 000 kN·m夯击能强夯条件下，对该项目周边不同距离建筑物进行监测。经整理、计算、汇总，部分结果如表5所示。

由表5可知，在夯击能为5 000 kN·m条件下，当建筑物与夯击点间的距离在0～90 m以内时，建筑物内人体舒适度不符合规范容许值；当建筑物与夯击点间的距离在≥90 m时，建筑物内人体舒适性符合规范容许值。

4  结  论

本文提出了一种强夯振动对周边建（构）筑物安全及人体舒适度的评价方法。结合具体工程项目，得出如下结论：

1）借助实测数据拟合曲线可得出建筑物结构安全距离。

2）根据现场建筑物实测数据推演出符合规范容许值的距离节点，可用于建筑物内人体舒适度评价。

3）在本工程实践中，同时保障周边建筑物安全与人体舒适的强夯施工距离约为90 m。

4）在其他工程应用中，需不断细化评价过程，准确计算出特定地区、特定强夯条件下的距离参数，科学指导施工、实现利益最大化。

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作者简介：刘金龙（1992—），男，汉族，河南洛阳人，中级工程师，硕士，研究方向：精密工程与工业测量。