地鐵物業(yè)減振降噪設(shè)計(jì)及測試分析

王 建

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵以其占用地面空間少、速度快、運(yùn)量大、方便、準(zhǔn)時(shí)、舒適等優(yōu)點(diǎn)而成為解決城市交通擁堵問題的重要手段［1］，但其對(duì)周邊環(huán)境的噪聲、振動(dòng)影響也日益顯現(xiàn)，在國際上振動(dòng)己被列為七大公害之一。

文獻(xiàn)［2］顯示:當(dāng)?shù)罔F列車在區(qū)間以時(shí)速50 ～70 km/h 運(yùn)行時(shí)，在北京(隧道埋深為9 ～16 m)對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)影響范圍為40 ～50 m;在上海(隧道埋深為10 ～16 m)對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)影響范圍為20 m。由此可見，最簡單的處理措施是控制周邊建筑與軌道交通車站、區(qū)間的距離。另外，軌道交通沿線的土地整理、開發(fā)已成為主要融資方式，其中，地鐵站+物業(yè)一體化的大型綜合體更是最重要的開發(fā)形式。如何減少間隔距離，同時(shí)控制對(duì)地鐵物業(yè)的噪聲、振動(dòng)影響，給設(shè)計(jì)人員提出了很高的要求。

筆者總結(jié)了地鐵物業(yè)——南海金融城的減振降噪設(shè)計(jì)方案，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境測試數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了后評(píng)估，認(rèn)為其設(shè)計(jì)方案、結(jié)論具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地鐵物業(yè)減振降噪設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目概況

南海金融城項(xiàng)目為廣佛地鐵金融高新區(qū)站上蓋建筑，位于廣佛線南海金融城站及金融城—長桂路區(qū)間地塊內(nèi)，車站(150 m)、區(qū)間(160 m)線路斜穿地塊。車站正上方布置4 ～5 層裙樓，車站南側(cè)布置4 棟住宅塔樓(142 m)，區(qū)間西北側(cè)為辦公、酒店塔樓(170 m)，且部分核心筒落在區(qū)間隧道上需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.2 降噪設(shè)計(jì)

城市軌道交通一般按專有路權(quán)設(shè)計(jì)，其軌行區(qū)與外界是完全隔離的，這就為地下線與有地下室的物業(yè)進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)提供了便利條件。

降噪一般有隔聲、吸聲、消聲三種方式。對(duì)于采用封閉運(yùn)行的地下段，隔聲是最有效的處理方式。勻質(zhì)單層板與雙層板結(jié)構(gòu)(板-空氣-板)的平均隔聲量可分別按以下估算［3］:

圖1 雙層板空氣層厚度和附加隔聲量的關(guān)系

金融高新區(qū)站站廳層為滿足防火及人防要求，與南海金融城物業(yè)分隔結(jié)構(gòu)采用400 mm 厚砼墻;站臺(tái)層高出物業(yè)車庫，為滿足人防、水土側(cè)壓要求，兩者之間設(shè)置700 mm 厚砼墻。在區(qū)間，地鐵結(jié)構(gòu)與物業(yè)采用脫離布置，物業(yè)底板厚600 mm、地鐵隧道頂板厚500 mm，中間留有100 mm空氣層，在傳播路徑上盡量減少其影響。根據(jù)式(1)～式(2)可計(jì)算出車站與區(qū)間結(jié)構(gòu)的平均隔聲量，結(jié)果如表1所示，從表1可以看出結(jié)構(gòu)隔聲的效果明顯。

表1 車站與區(qū)間結(jié)構(gòu)隔聲量

1.3 減振設(shè)計(jì)

對(duì)于采用封閉運(yùn)行的地下交通系統(tǒng)，其內(nèi)部噪聲對(duì)外部環(huán)境不會(huì)造成較大干擾，但是振動(dòng)的影響相對(duì)較大。根據(jù)振動(dòng)傳播特征(見圖2)，可在振源、傳播途徑上分別采取控制設(shè)計(jì)。

圖2 軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)關(guān)系

1.3.1 振源控制設(shè)計(jì)

1)金融城站及其相鄰區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)采用鋼彈簧浮置板道床，與普通軌道結(jié)構(gòu)相比能使振動(dòng)加速度級(jí)減少20～30 dB［3］，其效果最為明顯且可控。

2)金融城站為島式車站，區(qū)間左右線分離，通過底板拉通，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，并在中間底板上回填黏土，一方面可滿足抗浮要求，另一方面可有效增加受振質(zhì)量，減少振動(dòng)速度級(jí)。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］可知，地鐵隧道墻體的振動(dòng)速度級(jí)Lv(dB)與地鐵隧道結(jié)構(gòu)平均厚度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為

式中，d為地鐵隧道結(jié)構(gòu)的平均厚度，一般為0.4～1.25 m。

從式(3)得出:隧道結(jié)構(gòu)的平均厚度增加一倍，振動(dòng)速度級(jí)降低17 dB;隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大一倍，振動(dòng)速度級(jí)降低6 dB。

1.3.2 傳播路徑控制設(shè)計(jì)

地鐵振動(dòng)在土壤介質(zhì)傳播的衰減由兩部分組成，一部分是阻尼衰減，另一部分則是由于距離的增加而引發(fā)的輻射衰減。其中，輻射衰減是傳播衰減的主要貢獻(xiàn)者，而阻尼衰減相對(duì)較小，在地鐵影響范圍內(nèi)，衰減量一般小于5 dB［5］，為隔阻振動(dòng)向建筑物傳播，可增大建筑物與地鐵的距離。另外，振動(dòng)在傳播中的能量損失和介質(zhì)內(nèi)部顆粒的密實(shí)度有較大關(guān)系，密實(shí)度越高，其損失越小，因此，在砼結(jié)構(gòu)中更易對(duì)地鐵周邊的建筑造成影響，設(shè)計(jì)時(shí)若將建筑結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)完全分離亦可隔阻振動(dòng)。

振動(dòng)的Z計(jì)權(quán)速度級(jí)隨距離衰減的關(guān)系［6］，有

式中，CD為振動(dòng)速度級(jí)隨距離的衰減量(dB);a，b為待定系數(shù)，通過類比測量得到;R為預(yù)測點(diǎn)至隧道底部外軌中心線的直線距離，m，有

式中，L為預(yù)測點(diǎn)至外軌中心線的水平距離，m;H為預(yù)測點(diǎn)至軌頂面的垂直距離，m;λ為底層阻尼因子，見表2。

表2 阻尼因子與地層的關(guān)系

1)總平面設(shè)計(jì)。由于本綜合體有對(duì)振動(dòng)噪聲較為敏感的住宅，也有標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低的辦公樓、商業(yè)裙樓，因此，在平面布置上需體現(xiàn)“增加傳播距離”的原則。車站需要停車方便上下乘客換乘，線路直順且后期維護(hù)保養(yǎng)條件好，可在其附近布置住宅;而區(qū)間相對(duì)振級(jí)較大，可布置辦公樓、酒店;商業(yè)裙樓則直接布置在線路正上方，總平面布置如圖3所示。

圖3 物業(yè)與地鐵的平面關(guān)系

2)立面設(shè)計(jì)。根據(jù)車站、區(qū)間不同的振動(dòng)特性，物業(yè)與地鐵結(jié)構(gòu)采用兩種不同的處理形式:在車站，物業(yè)與地鐵共用樓板、側(cè)墻;但在區(qū)間，物業(yè)結(jié)構(gòu)和地鐵結(jié)構(gòu)采用全分離設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)最小間距為100 mm。物業(yè)與地鐵立面關(guān)系如圖4所示。

圖4 物業(yè)與地鐵的立面關(guān)系

2 地鐵振動(dòng)測試

2.1 測試方案

2.1.1 測試布置

南海金融城項(xiàng)目地鐵振動(dòng)測試的主要參量為振動(dòng)頻率及測點(diǎn)鉛垂向加速度時(shí)程，評(píng)價(jià)指標(biāo)為鉛垂向振動(dòng)加速度的最大Z振級(jí)VLz，max。實(shí)際測量時(shí)還測量了水平加速度時(shí)程，并對(duì)其振級(jí)VL進(jìn)行了分析以供參考。綜合考慮評(píng)估需求、現(xiàn)場在建工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工情況和地鐵運(yùn)行狀況等因素，將現(xiàn)場分為7個(gè)測區(qū)，共布置47個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測試，如表3所示。

表3 南海金融城測區(qū)分組

設(shè)置測區(qū)1和測區(qū)7的目的，主要是為考察地鐵振動(dòng)在與軌道垂直的水平方向(Y向)的傳播規(guī)律和對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。此外，在其中距軌道較近的測點(diǎn)1-1、1-10、1-11、7-1、7-10、7-11還采集了鉛垂向(Z向)的加速度時(shí)程以供分析;設(shè)置測區(qū)2～測區(qū)6的目的主要是為考察地鐵振動(dòng)在鉛垂方向(Z向)的傳播規(guī)律和對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

2.1.2 測試儀器和設(shè)備

本次測試采用某研究所研制的智能信號(hào)采集處理分析儀(型號(hào):INV306DF)、大容量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)(DASP 2003專業(yè)版)、中國地震局研制的超低頻測振儀(941B型)及拾振器(941B型)，在結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置布置測點(diǎn)并采樣。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置圖如圖15所示，現(xiàn)場測試儀器如圖5所示，現(xiàn)場測試儀器如圖6所示。

圖5 振動(dòng)測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置

圖6 現(xiàn)場測試儀器

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

2.2.1 振級(jí)與距離的關(guān)系

測區(qū)1和測區(qū)7各測點(diǎn)的最大水平振級(jí)與距軌道中心線水平距離的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，最大水平振級(jí)分布在40～60 dB的區(qū)間，水平向振動(dòng)的最大振級(jí)有隨距軌道中心線距離的增加而減小的趨勢，但在部分測點(diǎn)出現(xiàn)了反彈。這說明在離開地鐵隧道中心的一定距離處存在水平振動(dòng)放大區(qū)，這個(gè)距離依地層條件、隧道埋深、地基基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)特性而定。本文討論的地鐵金融城站典型區(qū)段，距軌道中心線20～45 m。

圖7 最大水平振級(jí)隨距離的變化

測區(qū)1各測點(diǎn)的晝間(6∶00—22:00)、夜間(22∶00—6∶00)最大鉛垂振級(jí)與距軌道中心水平距離的關(guān)系如圖8所示。從圖中可以看出，最大晝間鉛垂振級(jí)分布在50～60 dB的區(qū)間，最大夜間鉛垂振級(jí)分布在50～55 dB的區(qū)間，其值均較水平向的相應(yīng)值要大，這充分說明地鐵運(yùn)行引起的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)以鉛垂向?yàn)橹鳌Ａ硗猓畲筱U垂振級(jí)在整體上隨著距軌道中心線距離的增加而減小，在個(gè)別測點(diǎn)出現(xiàn)微小反彈，但變化值不大。

測區(qū)2～6各測點(diǎn)的最大鉛垂振級(jí)與測點(diǎn)標(biāo)高的關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出，最大鉛垂振級(jí)在底部2層略有起伏，在以上各樓層變化幅度不大，振動(dòng)在鉛垂向的傳播大體上隨著高度的增加而有逐步衰減的趨勢，在局部因與結(jié)構(gòu)特性等因素相關(guān)而稍有波動(dòng)。

2.2.2 振級(jí)頻率與距離的關(guān)系

測區(qū)1各測點(diǎn)的晝間1/3倍頻程中心頻率段上的鉛垂振級(jí)，隨距軌道中心線距離的變化如圖10所示。從圖中可以看出，4 Hz以下的振動(dòng)隨距離變化衰減顯著，但在10～25 m處出現(xiàn)波動(dòng);而5～20 Hz的振動(dòng)，總的來說隨距離的增大稍有增加，但變化不大;起主要作用的中心頻率為25 Hz和31.5 Hz，兩者均在距軌道中心最近的測點(diǎn)達(dá)到最大值，之后衰減明顯，到約17.46 m處的鉛垂振動(dòng)能量已經(jīng)衰減約1/3;40～80 Hz中心頻段的振動(dòng)同樣隨距離的增加衰減明顯，各頻段在不同的距離處各自產(chǎn)生一定的波動(dòng)，這是由場地的土層變化引起波動(dòng)干涉的結(jié)果。從圖中還可以看出，起主要控制作用的中心頻率為31.5和40 Hz。

圖8 最大鉛垂振級(jí)隨距離的變化

圖9 最大鉛垂振級(jí)隨標(biāo)高的變化

圖10 測區(qū)1鉛垂振動(dòng)1/3倍頻程中心頻率的振級(jí)隨距離的變化

圖11 測區(qū)3鉛垂振動(dòng)1/3倍頻程中心頻率的振級(jí)沿高度變化

測區(qū)3各測點(diǎn)1/3倍頻程中心頻率段的鉛垂振級(jí)隨高度的變化如圖11所示。從圖中可以看出，10 Hz以下的振動(dòng)隨距離變化的規(guī)律不明顯，有放大也有衰減，但總體變化不大;10 Hz以上的振動(dòng)，總的來說在1層(標(biāo)高6.400)以下逐層增大，而在1層達(dá)到最大值后又呈衰減趨勢。這些不同頻率段振動(dòng)的衰減或放大應(yīng)是結(jié)構(gòu)剛度及邊界條件變化引起干涉的結(jié)果。從圖中還可看出，起主要控制作用的中心頻率為25、31.5和40 Hz。

2.2.3 綜合評(píng)價(jià)

選取測區(qū)1、測區(qū)3、測區(qū)7為典型測區(qū)，各測點(diǎn)的鉛垂向1/3倍頻程振級(jí)如圖12所示，圖中還給出了GB/T 50335—2005《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》［7］規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率上的振動(dòng)加速度級(jí)1級(jí)限值。可見，實(shí)測的各點(diǎn)1/3倍頻程加速度級(jí)均滿足該規(guī)范的要求;也能滿足GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 10070《環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)分別要求的晝間75 dB的限值要求。

圖12 典型測區(qū)鉛垂振動(dòng)1/3倍頻程振級(jí)分析

3 結(jié)論

1)通過車站及相鄰區(qū)間采用鋼彈簧浮置板道床、車站范圍地鐵與物業(yè)結(jié)構(gòu)合并、區(qū)間范圍地鐵與物業(yè)結(jié)構(gòu)脫離、軌行區(qū)厚度按600+100+500 mm設(shè)置的整體方案，可有效控制地鐵引起的振動(dòng)及噪聲對(duì)物業(yè)的不良影響，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)水平向振級(jí)明顯小于鉛垂向振級(jí)，且水平向能量的衰減要快于鉛垂向，對(duì)結(jié)構(gòu)起主要影響的是鉛垂向的振動(dòng)。

3)總體來說，鉛垂向振動(dòng)和水平向振動(dòng)有隨距離增大而衰減的趨勢，鉛垂向振動(dòng)有隨高度增加而衰減的趨勢，但受土層分布、結(jié)構(gòu)剛度及邊界條件等因素影響，在特定距離范圍內(nèi)的振動(dòng)存在波動(dòng)。

4)僅通過加大距離來減少振動(dòng)的效果不明顯。測試顯示，水平距離增加15 m，振級(jí)減少3～5 dB，隨樓層高度的增加，鉛垂振級(jí)尚有增大的現(xiàn)象，最大可達(dá)5 dB。

5)對(duì)1/3倍頻程中心頻率的分析表明，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)振動(dòng)起主要作用的中心頻率集中在20～60 Hz。

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