地鐵振動對鄰近建筑物影響及圍護樁減振效果研究

李鵬飛 盧 帥 狄啟光 劉建友

(1.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

截至2019年底，中國已有40個城市開通地鐵運營線路208條，線路運營里程達6 736.2 km。地下鐵路能在我國發(fā)展如此迅速，與它具有運量大、速度快、不占用地上空間等獨特優(yōu)勢息息相關。目前，地鐵建設仍處于黃金發(fā)展期，越來越多的城市正致力于地鐵建設。

然而，地鐵給城市交通帶來便利的同時，也帶來了諸多問題。隨著地鐵線路網(wǎng)愈發(fā)密集，地鐵線路不可避免會穿越或臨近居民住宅、高校科研建筑等。而地鐵運行所產(chǎn)生的振動會危害周圍建筑的結構安全，同時對周圍居民的正常生活和科研工作都造成了巨大影響，已被國際上公認為七大公害之一[1]。

近年來，眾多學者在地鐵運行對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響方面進行了研究。閆維明等對某地鐵運營誘發(fā)的環(huán)境振動進行了現(xiàn)場測試，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)提出評價建筑物受地鐵振動影響時應以垂直方向振動為主[2]；栗潤德等對地鐵運行及地面交通引發(fā)的地面垂向振動加速度進行了現(xiàn)場測試[3]；和振興等建立了簡化后的三維有限元數(shù)值模型，對列車通過時引起的地面振動進行分析計算[4]。此外，一些學者在降低地鐵振動影響的隔振措施方面也進行了很多研究。XIA Tangdai等建立了平面彈性波散射問題的新形式解，從樁的排數(shù)、行間距、樁數(shù)等角度分析單排樁或多排樁隔振的效果[5]；CHEN Yitjin等將兩種方法預測的地面振動值與現(xiàn)場實測地面振動值進行對比，提出在需要采取減振方案的情況下，有限元預測法相比半經(jīng)驗評估法預測值更加適用[6]；LU Jianfei等通過對頻域積分方程進行數(shù)值求解得到樁-土系統(tǒng)的時域響應，并與實測數(shù)值進行對比，表明兩個結果具有很好的一致性[7]；李卉等采取在建筑基礎下方鋪設減振墊的方法實現(xiàn)建筑物的整體隔振[8]；馮牧等通過有限元模型研究了隔振溝溝深、溝長等因素對減振效果的影響[9]；李克飛等采用現(xiàn)場測試的方法對普通減振扣件、Ⅳ型減振扣件和梯形軌枕的減振效果進行了研究[10]；李志毅等詳細討論了多排樁影響隔振效果的幾個因素，得出每一排樁的樁間距是影響隔振效果的重要因素[11-12]。

盡管眾多學者對地鐵振動影響和隔振措施進行了較為廣泛的研究，但國內(nèi)對于排樁隔振應用于實際工程中的研究較少，對于施工完成中基坑圍護樁作為隔振措施進行減振隔振的效果研究更加缺乏。以下對北京某集體租賃住房項目施工完成后基坑圍護樁不予拆除并作為減振措施的建筑物減振效果展開研究。

1 工程概況

某擬建集體租賃住房項目具有較高環(huán)境噪聲與振動保護要求，總建筑面積為42 780.36 m2，緊鄰北京地鐵X號線(埋深16～25 m)。該項目共有5棟住宅樓和1棟商業(yè)配套樓，建筑物與地鐵平面位置關系如圖1所示。目前，該項目尚未施工，建筑群區(qū)域為一片空地，圖中測點1～5為5個地面振動測試點。

圖1 地鐵X號線與建筑物位置關系平面

擬建項目基坑采用“支護樁+預應力錨桿”的支護體系，靠近地鐵側基坑圍護樁采用800 mm@1 500 mm，樁長21.1 m的雙排樁。擬建建筑群的基本情況、與地鐵線路的水平和豎向距離如表1所示，其中，5號樓距離地鐵線路最近。在圖1中取橫剖面1-1，如圖2所示。地層由上至下按成因年代可劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀沉積層三大類，并按巖性及工程特性進一步劃分為5個大層。依次為：①人工堆積層的素填土，厚度約2.8 m；②新近沉積層的黏質粉土層，厚度約3.7 m；③第四紀沉積的稍密卵石層，厚度約7 m；④第四紀沉積的密實卵石層，厚度約7 m；⑤第四沉積層的飽和卵石層，厚度大于8 m。

表1 擬建建筑群與地鐵的位置關系

圖2 地鐵X號線與5號樓剖面(1-1剖面)(單位：m)

2 地鐵運行引起地面振動的現(xiàn)場測試

為驗證預測模型的準確性，先對地鐵運行引起地面振動進行現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試采用江蘇聯(lián)能生產(chǎn)的941B型號加速度傳感器，靈敏度為319.4 mV/m·s-2，最大允許加速度為20 m·s-2，頻率范圍為0.25～256 Hz，質量為1 kg，工作溫度為-10 ℃～50 ℃。數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)采用北京東方振動和噪聲技術研究所開發(fā)的DASP軟件，同時采用4芯屏蔽導線減少其他環(huán)境因素的干擾。

圖3 加速度傳感器

圖4 各測點三分之一倍頻程振動加速度級

表2給出了5個測點與地鐵左線中心線的水平和豎直距離，測點具體布置見圖1。現(xiàn)場測試得到了各測點振動加速度的時程曲線，經(jīng)過轉換計算可以得到1/3倍頻程Z計權振動加速度級，如圖4所示。可以看出，隨著頻率的增大，各測點振動加速度級均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，振動加速度級的峰值對應的頻段在12.5～20 Hz，主要貢獻頻段是10～80 Hz，即當頻率增大到10 Hz后，各測點Z振級快速增大，而當頻率增大到80 Hz后，各測點振動加速度級則迅速降低，直至為0。

表2 測點與地鐵線路的位置關系

圖5為各測點最大Z振級隨距地鐵左線中心線水平距離的變化趨勢，地表的振動加速度振級隨距離增加不是單調遞減，而是存在波動衰減的現(xiàn)象。測點1與地鐵線路的水平距離與地鐵埋深大致相等，其最大Z振級不僅小于與地鐵水平距離更近的測點5，還小于更遠的測點2，處于變化曲線波谷的位置，與馬蒙等得出的結論相印證[13]。

圖5 各測點最大Z振級隨距地鐵左線中心線水平距離的變化趨勢

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用MIDAS/GTS有限元軟件建立地鐵-土體-建筑一體化振動模擬預測模型，如圖6所示。模型中地層與隧道支護結構均采用實體單元，建筑結構剪力墻和樓板采用2D板單元，梁采用1D梁單元模擬。剪力墻和樓板的材料特性設定為彈性，按照C30混凝土參數(shù)取值，彈性模量取31.0 GPa，泊松比取0.20，密度取2 500 kg/m3。土體本構模型采取Mohr-Coulomb模型，地質參數(shù)根據(jù)該項目地質勘查報告確定，如表3所示。此外，隧道支護彈性模量取31.5 GPa，泊松比取0.167，密度取2 500 kg/m3。

表3 土體參數(shù)

圖6 地鐵-土體-建筑一體化振動模擬模型(單位：m)

列車荷載的模擬采用MIDAS/GTS軟件的移動輪載分析方法。根據(jù)車輛信息取相應的軸間距，列車軸重取17 t，運行速度取80 km/h，列車編組為6節(jié)，每節(jié)車廂長23 m，將以上列車參數(shù)輸入列車動力荷載表格，施加列車荷載到左、右線兩條軌道共184個節(jié)點。將列車駛入三維有限元隧道模型鋼軌上第一對節(jié)點的時間設定為0 s，此時開始施加列車荷載；列車以80 km/h的速度駛過三維隧道模型鋼軌上的184個節(jié)點需9.4 s，列車駛出三維隧道模型后停止施加列車荷載。得到鋼軌上某節(jié)點的移動列車荷載時程曲線如圖7所示。

圖7 列車動力荷載時程曲線

分別選取地下三層、地下一層、地上一層、地上五層、地上十層5個典型樓層，選取五層典型樓板上距離隧道水平距離最近點作為拾振點。模型共分兩種工況進行計算：①無圍護樁工況地鐵-土體-建筑耦合計算模型；②有圍護樁工況地鐵-土體-建筑耦合計算模型。

圍護樁為樁徑800 mm@1 400 mm、樁長21.1 m的雙排樁，數(shù)量按照實際工況添加，共42根，如圖8所示。圍護樁采用1D梁單元模擬，材料特性設定為彈性，按照C30混凝土參數(shù)取值，彈性模量取31.0 GPa，泊松比取0.20，密度取2 500 kg/m3。

圖8 有圍護樁工況地鐵-土體-建筑耦合計算模型

3.2 模型可靠度驗證

選取5號樓地上一層樓板上距離隧道最近的一點(與圖1中測點1平面位置大致相同)為拾振點，根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，將結構振動的時域數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，轉化為頻域數(shù)據(jù)，進一步分析得到1/3倍頻程振動加速度級，如圖9所示。可以看出，隨著振動頻率的增大，數(shù)值模擬結果與實測結果呈現(xiàn)出相同變化趨勢，且在頻率較小(<12.5 Hz)時，二者吻合性很好；當頻率>12.5 Hz后，與測點1的實測數(shù)據(jù)對比，數(shù)值模擬結果主要貢獻頻率的振動加速度級比現(xiàn)場實測偏大，其原因為工程場地堆土和地鐵滿載率較低。數(shù)值模擬結果在大于80 Hz的頻率模型預測值衰減明顯，其原因為建筑基礎和地下結構部分對地鐵運行產(chǎn)生的振動起到一定削弱作用。總體而言，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測變化規(guī)律基本一致，證明該模型預測值可靠性較高，精度符合要求。

圖9 地上一層與測點1的三分之一倍頻程振動加速度級曲線

3.3 數(shù)值模擬結果與分析

通過三維數(shù)值模擬結果，計算出每個樓的振動情況。結果顯示，5號樓最接近地鐵線路受地鐵運行產(chǎn)生的振動影響最為顯著，故以5號樓為例分析建筑物受地鐵振動的影響。

通過分析計算，各典型樓層加速度峰值及最大Z振級如表4所示。根據(jù)數(shù)值模擬預測結果，對數(shù)據(jù)進一步整理得到各典型樓層最大Z振級變化曲線(見圖10)。分析可知，地下三層到地上一層最大Z振級變化過程是逐漸減小的，而地上一層到地上十層的最大Z振級變化過程是先減小再增大的。

圖10 各典型樓層Z振級變化規(guī)律

為保證建筑物的振動控制要求，減少地鐵產(chǎn)生的振動影響，需要一定的減振措施。地鐵減振措施主要包括控制振源、切斷振動傳播途徑和保護受振物體等三類[14]。已有學者對排樁隔振進行了理論分析和模型及現(xiàn)場試驗，并且采取排樁隔振在國外一些工程中已經(jīng)得到應用[15-17]。而該項目樓體竣工后基坑圍護樁不予拆除，故可以將其作為一種設置在振動傳播途徑的減振措施。

施作圍護樁作為減振措施后進行分析計算，表4為5號樓有圍護樁工況與無圍護樁工況的各典型樓層加速度峰值及Z振級，圖11對比了施作圍護樁前后的Z振級變化，圍護樁作為振動控制措施的控制效果十分明顯，各層樓最大Z振級均下降7～9 dB，其中，地上五層的振動控制效果最佳。

表4 5號樓各典型樓層加速度峰值及Z振級

圖11 施作圍護樁前后各典型樓層Z振級對比

圖12 施作圍護樁前后地下三層豎向振動加速度對比

圖12、圖13分別為建筑物地下三層和地上五層施作圍護樁前后豎向振動加速度的對比圖，可以看出，在未施作圍護樁的工況下，地鐵運行引起的建筑物地下三層豎向振動加速度峰值和地上五層豎向振動加速度峰值分別出現(xiàn)在36 Hz、38 Hz處，振動主頻均在30～40 Hz范圍內(nèi)，屬于低頻振動。地上五層樓板豎向振動加速度相較于地下三層，其在較低的15～20 Hz頻段相差不大，而在30～40 Hz頻段大幅度衰減，說明建筑結構對30～40 Hz的豎向振動具有一定削弱作用，而對較低頻段15～20 Hz的豎向振動影響不大。施加圍護樁作為減振措施后，圍護樁對振動主要貢獻頻段振動加速度的控制效果十分明顯。

圖13 施作圍護樁前后地上五層豎向振動加速度對比

4 結論

依托北京某住房項目，對地鐵振動對鄰近建筑物的影響展開研究。在現(xiàn)場布置5個測點，對地鐵運行引起的場地振動進行現(xiàn)場監(jiān)測；再通過有限元軟件建立地鐵-土體-建筑一體化振動模擬預測模型對地鐵振動影響進行計算。得出了以下結論。

(1)根據(jù)現(xiàn)場5個測點的測試結果，得到地鐵運行引起的地面振動加速度級變化趨勢：隨著頻率的增加，振動加速度級先增大后減小。其峰值對應的頻段在12.5～20 Hz，其主要貢獻頻段為10～80 Hz頻段。

(2)通過現(xiàn)場地面振動加速度測試結果與數(shù)值模擬預測結果相對比，驗證了數(shù)值模擬模型的可靠性。證明通過建立數(shù)值模擬模型來預測地鐵引起建筑物振動是一種可行的方法。

(3)對于10層左右的建筑物，地鐵運行振動引起的動力響應隨著樓層的增加，存在一個先減小后增大的過程，地面首層和頂層的動力響應最為顯著。

(4)在施作圍護樁作為減振措施之后，各典型樓層的最大Z振級下降7～9 dB，最大降幅為13.5%，平均每層典型樓層的最大Z振級降低了10.6%。因此，圍護樁是一種有效的減振措施。

(5)地鐵運行引起的建筑物豎向振動屬于低頻振動，振動主頻在30～40 Hz范圍，建筑結構對30～40 Hz的建筑物豎向振動起到一定的削弱作用。