臨近地鐵的燃氣設(shè)備振動特性及隔振措施分析*

馬 寧 趙富壯 鄔玉斌 鄭永軍 宋瑞祥**

(1.北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團有限責(zé)任公司， 100067， 北京；2.北京市勞動保護科學(xué)研究所， 100054， 北京∥第一作者， 高級工程師)

隨著地鐵線網(wǎng)的不斷加密，地鐵不可避免地近距離接觸甚至下穿城市燃氣管網(wǎng)或設(shè)施，地鐵列車運行對臨近燃氣管道或設(shè)施產(chǎn)生長期、間歇性的環(huán)境振動影響，以及如何對其進行控制，已引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。文獻[1]通過振動監(jiān)測，對列車通過鐵路橋時對鄰近地下天然氣管道的振動影響進行了分析評價；文獻[2-4]采用數(shù)值仿真計算方法，對城際鐵路或地鐵下穿燃氣管道引起的振動響應(yīng)進行了分析評價。但關(guān)于燃氣設(shè)施隨地鐵列車振動的響應(yīng)特性、耐振限值及控制措施的研究國內(nèi)還少見報導(dǎo)。本文通過現(xiàn)場測試，分析了燃氣設(shè)施自身運行特點和周邊地鐵列車振動荷載作用下的振動響應(yīng)特性，對燃氣設(shè)施的耐振限值進行了探討，并對某地鐵下穿燃氣調(diào)壓站的振動控制方法進行了介紹。

1 燃氣設(shè)備振動響應(yīng)測試分析

1.1 測試對象及測點布設(shè)

本文以某燃氣調(diào)壓站內(nèi)部設(shè)備為測試對象。該燃氣調(diào)壓站南側(cè)40 m處有1條運營中的地鐵線路。燃氣調(diào)壓站內(nèi)主要有過濾設(shè)備和調(diào)壓設(shè)備(見圖1)，其中：過濾設(shè)備位于燃氣站室外，調(diào)壓設(shè)備位于室內(nèi)。在燃氣設(shè)備上共布設(shè)了6個測點。在過濾設(shè)備上設(shè)3個測點(見圖2 a))，其中：測點A1、A2為加速度傳感器，分別位于過濾設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地面和設(shè)備外壁面；測點V1為速度傳感器，位于設(shè)備支撐鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地面，靠近測點A1。在調(diào)壓設(shè)備上設(shè)3個測點(見圖2 b))，其中：測點A3、A4為加速度傳感器，分別布設(shè)在入地調(diào)壓管道基礎(chǔ)地面和管道外壁；測點V2 為速度傳感器，位于入地調(diào)壓管道基礎(chǔ)地面，臨近A3測點。

a) 室外的過濾設(shè)備

a) 過濾設(shè)備測點

b) 調(diào)壓設(shè)備測點

1.2 數(shù)據(jù)分析及評價量

地鐵列車運行對環(huán)境振動影響以豎向為主，因此本文只對燃氣設(shè)備的豎向振動響應(yīng)進行測試、分析。采用振動加速度級作為燃氣設(shè)備振動響應(yīng)的評價量。振動加速度級L和振動加速度有效值a的計算式為：

(1)

(2)

式中：

L——振動加速度級，dB；

a——振動加速度有效值，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，a0取10-6m/s2；

a(t)——加速度時程；

T——加速度持續(xù)時間, s。

2 測試結(jié)果分析

2.1 實測振動數(shù)據(jù)的時域分析

圖3為過濾設(shè)備3個測點的典型實測振動時程曲線。由圖3可知：地鐵列車對過濾設(shè)備基礎(chǔ)位置的振動速度波形影響較大，存在明顯的因列車通過引起的振動速度波形；地鐵列車通過對加速度波形的影響并不顯著，實測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯的地鐵列車振動加速度波形，振動加速度仍以設(shè)備的自振響應(yīng)為主。對比圖3 b)、圖3 c)可知，地鐵列車通過時，過濾設(shè)備的管道加速度峰值大于基礎(chǔ)加速度峰值。

a) 速度測點V1

b) 加速度測點A1

c) 加速度測點A2

由圖4所示的調(diào)壓設(shè)備3個測點的典型振動實測波形可知：地鐵列車通過對振動速度波形影響較大，而對加速度波形沒有明顯影響，即振動加速度仍以調(diào)壓設(shè)備自身運行產(chǎn)生的振動為主。相比而言，管道外壁A4處的振動加速度大于基礎(chǔ)位置A3處的振動加速度。這是由于高壓氣體在調(diào)壓設(shè)備內(nèi)部流動首先導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動，并向外輻射聲音，振波再經(jīng)過管道和鋼支撐結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)位置。

2.2 實測振動數(shù)據(jù)頻譜分析

由圖5所示的調(diào)壓設(shè)備3個測點的實測振動頻譜圖可知：地鐵列車通過對調(diào)壓設(shè)備基礎(chǔ)位置低頻振動加速度和速度的影響均較為明顯，其振動影響主頻為20～80 Hz，對80 Hz以上的高頻振動影響不明顯。對于設(shè)備管道，除54 Hz存在1個較大的因地鐵列車通過引起的振動波峰外，其他頻率對地鐵列車振動影響不明顯。燃氣設(shè)備運行主要產(chǎn)生100 Hz以上的高頻振動，基礎(chǔ)位置的速度振動主要集中在20～100 Hz，這與地鐵列車引起的速度振動響應(yīng)頻率較為接近。

a) 速度測點V2

b) 加速度測點A3

c) 加速度測點A4

a) 速度測點V2

b) 加速度測點A3

c) 加速度測點A4

2.3 實測加速度振級分析

為分析地鐵列車通過對燃氣設(shè)備的振動影響強度，通過速度測點V1、V2的時域波形識別列車通過時段，經(jīng)連續(xù)測試獲取了5列地鐵列車通過及燃氣設(shè)備自身運行共同作用下的豎向加速度數(shù)據(jù)。采用上文所述的加速度振級計算方法，對實測的加速度振級進行分析。

圖6為測點A1、A2的典型實測加速度振級時程圖。由圖6可知，地鐵列車通過時，燃氣設(shè)備自身(A2處)、基礎(chǔ)位置(A1處)的加速度振級有明顯的加強作用(加速度振級幅值可增加10 dB以上)。單列地鐵列車通過的振動影響持續(xù)時間約為18 s。

圖6 測點V1、V2的典型實測加速度振級時程曲線

參考GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》，燃氣設(shè)施自身運行產(chǎn)生的振動采用加速度級等效值作為評價量，地鐵振動采用加速度振級最大值作為評價量。測試選取5列地鐵列車，計算列車通過時產(chǎn)生的平均振動加速度級最大值。表1為各測點的振動加速度振級實測值。由表1可知：無地鐵列車通過時，與過濾設(shè)備的測點A1、A2相比，調(diào)壓設(shè)備自身運行引起A3、A4的振動加速度級較大，說明調(diào)壓設(shè)備自身運行的振動強度更大；地鐵列車通過時，燃氣設(shè)備管道和基礎(chǔ)的振動均有加強，相比燃氣設(shè)備自身運行的振動加速度級等效值，測點A1、A2、A3、A4處在列車通過時產(chǎn)生的振動加速度振級最大值平均值分別大19.9 dB、17.0 dB、11.5 dB和12.4 dB。相比而言，地鐵列車運行對室外過濾設(shè)備的振動影響更為明顯。

3 燃氣設(shè)備應(yīng)對列車振動的控制案例分析

3.1 應(yīng)對地鐵列車振動的控制措施

目前地鐵列車振動控制措施主要有源強減振、傳播途徑隔振和受振體控制。其中，源強減振主要指軌道減振措施，包括鋼軌減振、扣件減振、軌枕減振和道床減振等。地鐵的源強減振措施技術(shù)成熟、效果明顯，是地鐵列車振動控制的優(yōu)選方案，但對已經(jīng)規(guī)劃設(shè)計完成或已開通運營線路而言，該措施的實施難度較大。

表1 地鐵列車通過時實測的振動加速度振級

傳播途徑隔振措施是在振源和受振體振動傳播路徑介質(zhì)中設(shè)置空溝或異質(zhì)體，利用彈性波的反射、折射和衍射原理達到隔斷或阻礙振波傳播的目的。國內(nèi)外學(xué)者對傳播途徑隔振措施開展了大量的研究工作[5-6]，但受隔振屏障施工和維護難度影響，該措施在實際工程中的應(yīng)用較少。

當(dāng)以上措施均無法實施或不能滿足控制要求時，可對受振體自身采取隔振防護措施。如在建筑的基底或基礎(chǔ)豎向構(gòu)件頂部設(shè)置阻尼彈性單元(一般為彈性減振墊或彈簧隔振支座)[7-8]，通過降低建筑的豎向固有頻率來達到整體隔振的目的。對于燃氣設(shè)備，可以參考建筑基礎(chǔ)隔振方式進行振動控制。本文以實際的項目為例，介紹燃氣設(shè)備應(yīng)對地鐵列車振動采取的自身振動控制措施。

3.2 案例項目概況

擬在燃氣調(diào)壓站下方修建1條地鐵線路。地鐵線路、燃氣調(diào)壓站設(shè)備及主要管線的平面位置關(guān)系如圖7所示。燃氣調(diào)壓站內(nèi)設(shè)有調(diào)壓計量箱、燃氣中壓調(diào)壓箱(以下簡稱“調(diào)壓箱”)、過濾器等3個主要燃氣設(shè)備，3個設(shè)備的基礎(chǔ)平面尺寸分別為6.5 m×3.5 m、3.5 m×3.5m和6.5 m×3.5 m。

圖7 燃氣調(diào)壓站與地鐵線路的平面位置關(guān)系示意圖

該燃氣項目所對應(yīng)的地鐵區(qū)間線路未采取軌道減振措施，地鐵軌面埋深約11 m。相比上文臨近地鐵的燃氣設(shè)備測試對象，本項目為地鐵下穿燃氣設(shè)備，勢必會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的振動影響，因此有必要采取可行的控制措施，以降低地鐵列車對燃氣設(shè)備的振動影響。

3.3 控制方案設(shè)計

考慮到地鐵隧道在施工期間可能引起上方燃氣設(shè)備基礎(chǔ)場地的不均勻沉降，燃氣站進行臨時搬遷，待隧道施工完成后再遷回重建，因此該項目具備了燃氣設(shè)備自身振動控制的實施條件。綜合考慮場地土不均勻沉降問題，重建的燃氣設(shè)備采用“厚重筏板共用基礎(chǔ)+箱型基礎(chǔ)”形式，同時將新建燃氣調(diào)壓站設(shè)施位置盡量遠離地鐵線路。圖8為回遷后新建燃氣設(shè)施的基礎(chǔ)隔振方案。

a) 燃氣設(shè)施與地鐵線路平面位置關(guān)系圖

b) 燃氣設(shè)施剖面圖

控制措施的隔振效果可以用傳遞系數(shù)(傳遞率)β表示，計算公式為：

(3)

(4)

式中：

ζ——阻尼比；

f——源強的激振頻率,Hz；

f0——系統(tǒng)設(shè)計的固有頻率,Hz；

K——彈性墊的剛度,N/m；

M——減振墊上部承受的質(zhì)量,kg。

圖9 不同ζ下單自由度系統(tǒng)傳遞系數(shù)與頻率比關(guān)系曲線

由式(4)可知，當(dāng)減振材料上部承受的荷載確定后，隔振系統(tǒng)的固有頻率主要受彈性墊剛度影響，而彈性墊剛度又同減振材料的彈性模量和厚度相關(guān)。減振材料越厚，系統(tǒng)的固有頻率越低，隔振效果越好。

3.4 隔振措施實施效果分析

根據(jù)上述設(shè)計方案開挖燃氣調(diào)壓站整體基坑，在基坑底部澆筑混凝土墊層。在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)彈性材料，用膠帶對墊塊縫隙進行粘貼，同時覆蓋塑料膜，防止混凝土等雜物進入減振墊縫隙。為保護減振墊層，在減振墊上方首先澆筑素混凝土保護層，進而澆筑共用筏板基礎(chǔ)和箱型基礎(chǔ)，同時在箱型基礎(chǔ)側(cè)壁粘貼彈性減振材料。圖10為施工現(xiàn)場實景圖。

4 結(jié)論

1) 燃氣調(diào)壓站附近地鐵列車對燃氣設(shè)備的振動速度波形影響較為明顯，而對振動加速度波形影響較小。

a) 底墊鋪裝

c) 側(cè)墊鋪設(shè)

2) 燃氣設(shè)備自身運行產(chǎn)生的加速度以100 Hz以上的高頻振動為主，而地鐵列車通過時產(chǎn)生的振動加速度主要集中在20～100 Hz。

3) 與燃氣調(diào)壓站水平距離40 m的地鐵線路對燃氣設(shè)備仍有較大的振動影響，列車通過時加速度振級可增加11.5～19.9 dB。

4) 本文以實際地鐵線路下穿燃氣調(diào)壓站項目為例，依據(jù)隔振原理對燃氣設(shè)備的基礎(chǔ)被動隔振措施進行了探討分析，可為相似工程的地鐵環(huán)境振動控制提供參考和借鑒。