我國地鐵與建筑物合建體系研究評述

鄭國琛

(福建江夏學院 工程學院，福建 福州 350108)

近年來我國的地鐵建設方興未艾，地鐵交通逐漸成為各大中型城市的交通“骨干”。地鐵需近距離地穿越商業中心及居民區，由此引發鄰近建筑物振動，進而造成室內2次噪聲，此問題已受到廣泛關注且成為研究熱點[1-4]。然而，隨著城市基礎建設迅猛發展，部分城市開發已趨于飽和。為了充分利用城市中有限的土地空間資源，獲取更大的軌道交通周邊商業價值[5]，在同一場地中，既能滿足地鐵通行需求，又能滿足不同功能工業與民用建筑需求的地鐵與建筑物合建體系作為一種特殊的建筑形式應運而生[6]。地鐵與建筑物合建體系(以下簡稱為合建建筑)將地鐵通行線路與地面建筑同步設計和施工，進行聯合營建，具有良好的經濟效益、環境效益和社會效益：①合建建筑可以有效利用地鐵站臺或區間段的用地空間，提升土地利用率，節約用地成本，同時可以提高地鐵核心區域的集聚力，推動區域經濟快速發展；②合建建筑建成后，若能有效地控制振動噪音和2次振動影響，輔以提升節能環保效應與改善區域防汛，可提升合建建筑的環境價值；③合建建筑集約用地，資源整合、土地增值以及保護地鐵周邊的城市環境與土地資源，能有效地提高其社會價值，同時通過提高合建建筑科技創新水準，打造地標式景點或城市特色景觀節點，可以顯著提升城市形象，使得合建建筑成為城市文明與文化宣傳的窗口和名片。因此，采用軌道交通進行地鐵與建筑物合建體系，在我國大中型城市當前的環境中能達到經濟效益、環境效益和社會效益共贏的最優目標，具有較強的可行性和巨大的市場潛力。但由于該體系建筑所處的振動環境較為惡劣，采用的振動控制技術復雜，目前還處于發展階段。為此，本文總結我國合建建筑類型及特點，評述合建建筑動力響應特性、振動傳遞規律和振動控制的研究進展，綜合分析合建建筑特殊的振動特點及振動環境，指出當前工程及研究領域現存問題并提出了相關建議。

1 合建建筑類型及特點

合建建筑是地鐵站臺或區間線路建設在建筑物內，與建筑物主體用地重合。地鐵需要借助地下獨立線，甚至直接借助建筑結構的地下樓板層穿越建筑物[7]。依據地鐵線路基礎與建筑物間的關系，可將合建建筑分為分離式和合并式2種類型[8]，如圖1所示。

圖1 合建建筑示意圖

分離式合建建筑。地鐵線路基礎與建筑物基礎分離，地鐵運行產生的振動波經軌道結構基礎傳至土體，由土體傳至建筑物。其傳播途徑與地鐵引發鄰近建筑物振動相似[9-11]，但特點是地鐵線路基礎與建筑物基礎間距離極短，而土體對振動的濾波作用需要一定的距離才能有效體現[12]，因此，分離式合建建筑振動傳播途徑雖與地鐵鄰近建筑相似，但卻無法有效發揮土體濾波作用，勢必會造成合建建筑的振動強度顯著高于鄰近地鐵建筑物。同時由于傳播的土體范圍小，因此也無法在土體的傳播途徑中采取相應的減隔振措施。

合并式合建建筑，地鐵線路直接建設在建筑物內，其基礎與建筑物樓板直接貼合。由于地鐵線路與建筑結構進行剛性整體性連接，其特點為地鐵振動波未經過土體、無障礙傳導至建筑物上部結構，引發建筑物上部結構直接振動，其傳播路徑為地鐵—建筑物[13]，與地鐵誘發的振動響應規律有明顯不同，且與分離式合建建筑相比，合并式合建建筑勢必對建筑物安全及樓層內部人們日常生活和精密儀器使用造成程度更高的不利影響。

2 合建建筑動力響應規律

獲取動力響應規律，可采取2種研究方法。其一針對既有實際工程進行實測[14-15]，獲取有效采樣數據，進而分析特定建筑的動力響應規律，采用此種方法獲取的數據精度高，結論準確，但適應性一般；其二可以由某典型案例入手，利用大型軟件進行數值分析或模態分析[16-17]，獲取的規律具有一定普遍意義，且也能保證一定的研究精度。

2.1 工程實例實測

將地鐵站臺或區間線與地上建筑合建[18-19]，有利于城市地下空間的開發和降低項目建設成本，因此在我國部分城市已有一定數量的工程實例。

京滬高鐵虹橋站位于上海虹橋，地面2層，分別為高鐵候車層和高鐵站臺層，地下2層，分別為地鐵2號線的站臺層和地鐵10號線的站臺層，振動環境較為復雜。為了獲取速度和加速度樣本，研究人員分別在地面2層和地下2層的樓板中央設置速度傳感器和加速度傳感器[20]。實測結果表明了合建建筑的振動強度隨著至地鐵線距離的增大而逐漸減小；上部結構的振動頻段與地鐵振源一致；上部結構的水平向振動加速度峰值約為豎向的0.8倍，甚至在部分頻段超過豎向。

某辦公樓與地鐵站臺合建建筑，地面7層，為混凝土框架結構，上部結構的層高和跨度較為標準，地下2層，為2條線路地鐵站臺。某博物館與地鐵區間線合建建筑，地面3層，混凝土框架結構，由于建筑物的使用功能，上部結構內部設計較為復雜，層高和跨度未有標準設計，均有不同程度的變化，地下2層，為地鐵穿行區間線。針對這2幢建筑開展現場振動實測[21]。實測結果表明，2幢合建建筑豎向激振頻段均為20～80 Hz間與地鐵振源輸出振動頻段基本一致；但由于2幢建筑的體型與尺寸的不同，低頻段(4～10 Hz)的振動敏感頻帶顯著不同，2個實際工程的累積參振質量分布也有較大差異。

2.2 數值分析

某地鐵線路與大型市政結構合建工程，地鐵通行區間段使用4軌道矩形隧道，線路走向垂直于建筑物長度方向。建筑物主樓地面9層，地下1層，副樓地面5層或3層，地下1層。部分地鐵隧道圍護結構與建筑物基礎剛結。針對此結構建立車輛—軌道—土體—建筑物系統空間動力分析模型，對地鐵運行致建筑物的振動影響進行數值分析[22]。結果表明：地鐵引發上部結構的振動主頻段為20～80 Hz，與振源振動頻段一致，結構的開間尺寸對主頻段會有一定影響；建筑物豎向振動約為水平振動的1.6倍，兩者處于同一數量級；建筑物的近振源區域的振級隨著車速的減小而減小。

針對上述同一合建建筑，利用分離式設計建立列車—軌道耦合模型和隧道—土層—建筑物有限元模型針對隧道的基底剛度對上部結構的振動影響開展數值分析[23]。結果表明：基底剛度對建筑物的豎向振動有顯著影響，影響頻段為1～5 Hz；隨著基底剛度的增大，隧道下沉位移減小，但振動速度突變擴大，振動周期性下降，上部建筑振動未有效減弱，呈現不規律變化。

針對馬泉營車輛段地鐵—房建的既有合建建筑，建立列車—軌道—基礎—上部結構空間耦合動力分析模型，研究了合建建筑采用分離式和合并式體系的振動特性規律[24]。研究結果表明，分離式合建建筑的上部結構振動形態隨著樓層的升高呈現波浪式增長態勢，合并式合建建筑的振動形態隨著樓層的升高呈現底層較大，上層減弱，整體平穩的態勢。

2.3 合建建筑動力響應規律特征

由以上研究成果可以看出，合建建筑在地鐵振動的影響下，呈現一定的振動規律共性。其中建筑物的振動強度隨著地鐵車速的增大而增強，隨著列車重量的減少而下降，這一規律與地鐵運行引發鄰近建筑物振動規律基本一致，除此之外，合建建筑還出現了如下特有的動力特征。

(1)由于既有合建建筑工程中地鐵穿行空間與上部結構整體剛接，地鐵振動波能無障礙地向上部建筑物傳播，因此導致合建建筑上部結構激振頻段與地鐵振源系統的輸出頻段基本一致，為中高頻段，與鄰近地鐵的建筑物低頻振動有顯著不同，且振動衰減幅度較小。

(2)由于上部建筑的結構形式、體型、結構尺寸和剛度變化等影響，不同的合建建筑上部結構低頻敏感頻段差異較大，對建筑物和建筑內人和設備的影響也有明顯不同。

(3)與鄰近地鐵的建筑物以豎向振動為主振動狀態[25-27]明顯不同，合建建筑的水平向振動與豎向振動處在同一數量級，甚至在部分頻段，部分樓層出現水平向振動響應數值超越豎向振動。

(4)地鐵振源的基底剛度(含分離式的隧道和合并式的樓板)對建筑物的低頻敏感頻段影響顯著，且基底剛度的變化對上部結構振動影響規律不清晰，因此有必要對特定的合建建筑開展相應的基底剛度參數選取研究。

(5)分離式合建建筑的動力響應振動形態呈現波浪式增長態勢，與鄰近地鐵建筑物振動形態規律一致[28]，但合并式合建建筑振動形態卻有明顯不同，呈現由下至上逐漸緩慢減小至趨于穩定態勢，這是由于無衰減的地鐵振動波直接傳導至上部建筑物，由結構自身介質提供振動波的濾波及衰減作用所致。

3 振動控制合建建筑

由合建建筑特點可知，地鐵振動波缺乏土體的傳播及衰減，無障礙地由地鐵振源直接傳導至上層建筑物，較鄰近地鐵的建筑物來說，合建建筑振動環境更嚴峻，振動影響更惡劣，振動控制要求更迫切。因此，若需有效地降低合建建筑結構安全危害及建筑物內人和設備振動的不利影響，應從振源部分降低地鐵振動強度和上部結構進行減振隔振的合理設計這兩方面開展振動控制工作。

3.1 地鐵振源振動控制

對于合建建筑的振動控制，對振源系統實施振動控制是最直接、最有效的方法[29]，目前的研究也較為集中和成熟。從振動發生的機理出發，考慮影響振動強度的因素，降低振源部分的激振強度可以從列車車體部分和軌道結構部分采取減隔振措施，分別如下。

(1)對于列車車體部分，日本學者經過測試后指出，車廂體的輕質化可以有效地降低地鐵振動強度[30]；通過數值計算結合工程實踐，文獻[31]指出選擇合適的車軸配置，文獻[32]采用阻尼車輪或修正車輛踏面等相關措施均能有效地降低振源的激振強度。文獻[33]通過混合試驗方法，證明了車輛速度、車輪缺陷類型和大小能顯著影響振源的振動水平。

(2)對于軌道結構部分，首先降低輪軌接觸缺陷和軌道波磨損耗是減少振源振動強度的重要因素[34-35]，其次鋼軌剝落長度和密度也對激勵強度有重要影響[36]。其次依據相關試驗結果，將鋼軌的規格由50 kg·m-1提升至60 kg·m-1時，實測結果表明軌道結構輸出振動強度降低2～4 dB[37]；同時鋼軌接縫處的激振強度可達非接縫處的3～5倍，使用無縫鋼軌，是消除接縫振動的最佳方案[38]。此外，采用優質的減振扣件和優化設計的減隔振軌道系統也是降低地鐵振源振動的有效措施。文獻[39]通過建立道床—合建建筑二維動力有限元模型，分析了普通軌道、科隆蛋減振扣件軌道和鋼彈簧浮置板軌道對上部結構的振動影響差異，結果表明2種減振軌道能在不同的頻帶區間有效地降低上部結構振動強度，減振幅度約為1/2～9/10。若能在軌道結構中布置采用慣性技術的彈性減振器，將使輪軌振動降低至6～14 dB[40]。表1為部分軌道型式與減振扣件組合優化的減振效果對比[41]。

表1 部分軌道型式與軌道減振扣件組合減振效果

3.2 上部結構振動控制

上部結構受地鐵振動的影響與結構形式、自振頻率等動力特性密切相關。將上部結構整體浮置可阻斷地鐵振動波向上部結構傳播的直接通道，有效地降低上部結構整體振動影響[42]。常用的隔振裝置為鋼彈簧隔振器，配合橡膠塊和阻尼器輔助消耗地震能量。據相關工程測試結果，采用鋼彈簧的基礎隔振層后，可降低上部結構約1/4的振動強度，隔振效果明顯[43]。

若該合建建筑具有特殊的使用功能，如博物館、音樂廳、影劇院或精密儀器實驗室等，需要對振動采取更高要求的特殊控制措施。此時針對上部結構內特殊的振動敏感區域采用局部彈性浮置隔振，利用性能優異的隔振裝置將樓板與基座脫開，可以更為經濟和高效地進行有針對性的振動控制。文獻[44]設計出1種新型的平衡隔振裝置，可以直接用于局部精密的浮置被動隔振，驗證結果表明該裝置可以有效的隔離低頻振動并能降低40%左右的激振強度，針對特別重要區域，亦可參考地震工程所使用的成本更高但隔振效果更為優異的主動隔振[45]。

4 存在問題及相關建議

(1)適合于合建建筑的通用動力耦合模型。當前針對地鐵臨近建筑物振動動力耦合模型主要針對地鐵振源—土體—建筑物進行建模[24，46]，通常采用分離模型，即將地鐵振源與土體—建筑物分開建模，同時重點考慮了土體耦合影響。而分離式合建建筑地鐵振動波的傳播路徑雖含有土體，但土體傳播距離極短，合并式合建建筑地鐵振動波的傳播路徑為地鐵振源—建筑物，未含有土體。由此可知地鐵振源、極短距離的土體、建筑物(含基礎)已成為一個相互作用的整體，因此分析地鐵運行引發臨近建筑物振動的已較為成熟的車軌耦合系統、隧道—土體—建筑物分離模式已不適用于合建建筑。當前合建建筑的研究主要是基于工程實例進行實測或數值分析，缺乏對該體系動力響應通用規律進行深化研究，因此，針對合建建筑的振動特性和特殊的振動波傳播路徑，設計包含地鐵振源參數和振源與建筑物邊界耦合的地鐵振源—建筑物基礎(含土體)—建筑物的通用動力耦合模型，研究2種形式的合建建筑時域與頻域特征，獲取該結構形式具有一定普遍意義的動力響應規律是提高合建建筑數值分析模型效率的有效途徑。

(2)軌道實際振動控制效果。隨著地鐵建設蓬勃發展，軌道類減振降噪新產品日益增多，新技術、新措施的應用也層出不窮，已有實例說明一些軌道減振產品在試驗和分析中能較好地抑制振源系統的高頻振動，但在后期對建筑物的跟蹤測試結果卻不盡如人意，無法達到設計效果。有部分地鐵建設中過度使用減振降噪技術，反而在使用過程中鋼軌產生較為嚴重的波磨損耗。由于合建建筑的振動路徑的特殊性，若要采用軌道減振降噪技術，需要采用具有針對性的試驗驗證該技術的振動控制效果和適用性。

(3)匹配合建建筑的振源頻率。通過既有工程實例實測結果可知，上部結構存在10 Hz以下的低頻敏感帶，與結構的自振頻率密切相關[2]，因此振源部分輸出頻率如果與之重合，可能會產生共振，造成不可估量的嚴重后果。因此設計地鐵振源部分時，可針對合建結構的自振頻率，設計出固有頻率附近的反力幅值與之匹配的軌道結構，盡可能使地鐵振源的振動主頻和合建建筑的低頻敏感頻段有效避開，避免合建建筑受到地鐵振動波的影響而產生共振。在保證優化頻率不變的同時，調整軌道結構的各項參數組合(例如幾何尺寸，豎向剛度和阻尼等)，用以匹配經濟性、耐久性和可維護性。

(4)適合于合建建筑的隔振裝置。由既有成果可知，合建建筑的上部結構水平向和豎向振動在同一數量級，這與地鐵臨近建筑以豎向振動為主的研究結論有顯著不同，因此針對合建建筑上部結構的振動控制，無法適用目前較為成熟的專用降低豎向振動的以鋼彈簧為代表的隔振器，它需要水平向和豎向同時隔振。為解決此問題，可借鑒當前成熟的以隔離水平向地震的疊層鋼板橡膠隔震裝置和以隔離豎向振動的彈簧隔振裝置，設計開發能同時阻隔豎向和水平向振動的組合隔振器，滿足合建建筑的整體浮置或局部浮置的隔振要求。

(5)整體或部分浮置合建建筑的參數優化研究和關鍵部位的構造設計。合建建筑為新型結構形式，而采用隔振技術的浮置合建建筑的系統研究尚未開展，且既有研究成果顯示，水平層間隔振結構隔振層下部絕對加速度有放大趨勢，同時由于地鐵激勵源對合建建筑水平向和豎向振動影響均不可忽略，勢必造成浮置層上下柱有沖切和局壓影響，其內力分布會出現新的狀態和規律，同時由于往復振動易使浮置層處產生疲勞隱患。因此，針對浮置的合建建筑體系參數優化和浮置區域關鍵部位構造設計需要深入研究和探討，可從以下2個方面考慮：①提出1種既能滿足浮置層上部結構的舒適度，又能最大限度地降低浮置層下部結構的絕對加速度的浮置隔振層的優化設計方法，重點優化上下部頻率比(下部頻率應由地鐵激勵主振頻段和下部結構自振頻率共同作用產生)、質量比和浮置隔振層阻尼比；②通過相關抗沖切和局壓試驗及疲勞試驗，設計適合的，具有針對性的浮置隔振層上下柱構造措施和抗疲勞措施。

5 結 語

地鐵與建筑物合建體系有現實的工程需求和土地利用價值，也具有較強的經濟效益、環境效益和社會效益。但我國針對該新型建筑體系的研究工作處于初級階段，理論通用模型建立和振動機理分析亟待進行。本文從合建建筑的振動及特點、動力響應規律和振動控制等3個方面對工程實踐和科研成果進行了回顧，系統歸納和總結了主要研究成果。總體而言，合建建筑由于整體研究起步較晚，雖然已經獲得了一些研究成果，但在數值分析理論精細化和通用化、理論減振效果適用性、減振產品開發和減振技術參數分析和優化應用等方面還存在較大的研究空間，由此，本文對目前存在的問題做了初步探討，并給出相關建議，為后續研究者提供參考。