區(qū)域環(huán)境振動對某擬建精密實驗室選址的影響分析

杜林林，蘭日清，祖曉臣，伍文科

（1.北京起重運輸機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，北京100007；2.清華大學(xué) 土木工程系，北京100084；3.國機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 國機(jī)集團(tuán)工程振動控制技術(shù)研究中心，北京100080）

隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，市內(nèi)道路、城市軌道交通、客運鐵路等在提高資源配置效率的同時，也對周邊環(huán)境產(chǎn)生了一定影響，提高了沿線環(huán)境振動水平[1]。囿于土地資源的有限性，部分城市所規(guī)劃建設(shè)高科技園區(qū)、科學(xué)城、精密實驗室愈發(fā)逼近交通干線。精密實驗室對環(huán)境振動要求極高[2]，振動超標(biāo)將嚴(yán)重影響儀器設(shè)備的正常工作。為避免精密實驗室因振動超標(biāo)無法正常投入使用從而造成二次投資，需對擬建場地的區(qū)域環(huán)境振動開展研究。

我國于1955年開始關(guān)注實驗室精密儀器的環(huán)境振動控制，京張鐵路運行振動對清華大學(xué)實驗室精密儀器的正常使用產(chǎn)生影響，最終采用了調(diào)整鐵路線路的方式進(jìn)行振動控制[3]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，伴隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，部分學(xué)者就交通振動對精密儀器的影響開展了研究工作。孫曉靜等[4]探討地鐵振動對精密儀器和設(shè)備的影響，提出了綜合治理原則及減振措施。栗潤德等[5]通過測試地鐵和車輛引起的地面垂向振動加速度，研究了地鐵振動對精密儀器的影響。于梅[6]通過分析精密儀器環(huán)境振動測量和評價方法存在的問題，闡述了深入開展環(huán)境振動對精密儀器影響規(guī)律和測量方法研究工作的重要性。馬蒙等[7]采用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的預(yù)測方法，基于周期性有限元-邊界元耦合方法和實測振動響應(yīng)傳遞比，開展了地鐵列車振動對精密儀器影響的預(yù)測研究。張鵬飛等[8-9]通過建立軌道-橋梁及橋墩-基礎(chǔ)-土體計算模型，分析了鐵路環(huán)境振動對沿線廠房內(nèi)精密儀器的影響。陳建琪等[10-11]在擬安裝精密鏜床設(shè)備的車間場地開展地脈動測試與高鐵激勵下的振動測試，研究了場地的動力性能與高鐵沖擊荷載激勵下的振動響應(yīng)特性，從整體上評價了環(huán)境振動對精密儀器、設(shè)備的影響，基于隔振理論提出了針對精密鏜床設(shè)備基礎(chǔ)的隔振方案。高廣運等[12-13]通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬方法，對蘇州某高科技電子工業(yè)廠區(qū)微振動水平進(jìn)行分析，對該廠房防微振設(shè)計提出了建設(shè)性意見；其通過分析自由場地及廠房主體結(jié)構(gòu)的微振動響應(yīng)特性，研究了某電子工業(yè)廠房主體結(jié)構(gòu)完工后的微振動特性。劉輝[14]基于實測數(shù)據(jù)分析，評價了不同交通工況下環(huán)境振動對浦東新區(qū)計量質(zhì)量檢測所實驗室的振動響應(yīng)。

以上研究對精密儀器環(huán)境振動控制及評估起到了指導(dǎo)作用，但其多集中于既有工程的環(huán)境振動影響評估及控制方面，缺乏對區(qū)域環(huán)境振動水平的整體性分析和評估。交通環(huán)境振動對沿線的影響主要取決于交通運輸形式和場地特點。振動強(qiáng)度在遠(yuǎn)離線路中心時有一定波動，但整體呈下降趨勢。為了分析評估區(qū)域環(huán)境振動強(qiáng)度，本文以某擬建精密實驗室為例，通過測試綜合分析城市區(qū)域環(huán)境振動特點，分類分區(qū)給出振動分布水平，為精確指導(dǎo)工程實踐提供有力支撐。

1 區(qū)域環(huán)境振動測試

某精密實驗室選址區(qū)域位于工業(yè)生產(chǎn)片區(qū)，周圍分布有高速鐵路、市內(nèi)道路、生產(chǎn)加工車間和工程施工場地。考慮到實驗室規(guī)劃及周邊生產(chǎn)建設(shè)情況，遠(yuǎn)期主要考慮高速鐵路、市內(nèi)道路對實驗室內(nèi)精密儀器的影響，即主要研究交通環(huán)境振動對實驗室選址的影響。

1.1 主要振源及場地條件分析

結(jié)合選址區(qū)域現(xiàn)狀和區(qū)域遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃可知，高速鐵路和市內(nèi)道路是影響擬建精密實驗室振動環(huán)境的主要振源。區(qū)域周邊高速鐵路運行列車主要包括和諧號系列動車組、復(fù)興號系列動車組，車輛運行時速為300 km/h，軌道采用板式道床無砟軌道結(jié)構(gòu)。區(qū)域周邊道路為市政次干路，采用雙向4 車道瀝青混凝土道路，路面有部分裂縫和坑槽，設(shè)計行車速度為40 km/h，通行車輛主要為小汽車，車流較為頻繁但不擁堵。

選址區(qū)域沿線范圍地形較平坦，局部有一定起伏，場地主要為現(xiàn)狀市政道路、鄉(xiāng)道、工業(yè)區(qū)。場地呈現(xiàn)沖洪積平原地貌，由素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、風(fēng)化花崗巖組成。

為評估區(qū)域環(huán)境振動情況，本文針對交通振動開展測試分析工作。

1.2 測線選取及測點布置

結(jié)合選址區(qū)域內(nèi)高速鐵路和城市道路的分布情況，為了充分掌握區(qū)域內(nèi)的環(huán)境振動水平，結(jié)合場地的實際條件，綜合選取7 條測線共計37 個測點開展測試分析。其中，在高速鐵路沿線布設(shè)4條測線，為L-1～L-4，在城市道路沿線布設(shè)3 條測線，為l-1～l-3，如圖1 所示。其中，L-1 測線布設(shè)于休閑步道，L-2、L-3測線布設(shè)于城市道路上，L-4測線布設(shè)于荒地處，L-1～L-3位于鐵路橋梁段，L-4位于鐵路路基段。l-1測線布設(shè)于區(qū)域綠地上，l-2、l-3測線布設(shè)于廠區(qū)內(nèi)部道路上（測試時廠區(qū)未進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)）。受區(qū)域環(huán)境條件限制，根據(jù)各測線所處條件，在不同間隔距離處布設(shè)測點，各測線布置、各測點位置以及各測點距線路中心距離如圖1所示。

圖1 擬建區(qū)域振動測試測點布置情況

1.3 測試儀器

本次測試選用的Kinemetrics 公司ETNA2 加速度傳感器主要性能參數(shù)如表1所示，測試儀器如圖2所示，分析軟件為DASP-V11工程版。

圖2 ETNA2三向加速度傳感器

表1 ETNA2加速度傳感器參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)分析和評估

目前，國際上對于精密儀器環(huán)境振動的評價通常采用通用振動標(biāo)準(zhǔn)（generic Vibration Criterion,VC），即VC 曲線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是由Eric Ungar、Colin Gordon[15-16]于20 世紀(jì)80年代為了解決精密制造業(yè)面臨的振動問題而創(chuàng)立的一套“通用”振動標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為振動敏感型生產(chǎn)設(shè)施和儀器設(shè)備的設(shè)計提供了支撐，后被ISO 標(biāo)準(zhǔn)以及IEST（Institute for Environmental Sciences and Technology，美國環(huán)境科學(xué)與技術(shù)協(xié)會，2007）發(fā)布的“潔凈室設(shè)計注意事項”推薦實施規(guī)程采納。VC曲線標(biāo)準(zhǔn)在1/3倍頻程內(nèi)采用速度有效值作為評價指標(biāo)，分為VC-A～VC-G 7個級別，考慮了不同頻率振動等級對不同精密設(shè)備的影響，具體要求如表2所示。

表2 VC-曲線控制標(biāo)準(zhǔn)

2 區(qū)域環(huán)境振動分析

為分析區(qū)域環(huán)境振動對精密儀器實驗室選址的影響，采用1/3倍頻程域內(nèi)的速度有效值分析交通環(huán)境振動，并利用VC 曲線標(biāo)準(zhǔn)評價交通線路沿線振動影響情況，評估場地振動對精密儀器實驗室選址的影響。

2.1 高速鐵路沿線環(huán)境振動分析

本小節(jié)分析高速鐵路列車運行對沿線區(qū)域環(huán)境振動的影響。限于篇幅要求，以L-4為例進(jìn)行分析。圖3、圖4所示分別為測點L-4-1、L-4-5在列車通過和背景振動時的橫向（垂直于線路，即x向）、縱向（平行于線路，即y向）和豎向（z向）響應(yīng)。

觀察圖3、圖4，可知：

圖3 列車運行引起的L-4-1測點處（距線路中心25 m）環(huán)境振動響應(yīng)

圖4 列車運行引起的L-4-5測點處（距線路中心200 m）環(huán)境振動響應(yīng)

（1）列車通過引起的環(huán)境振動響應(yīng)具有一定的波動性；

（2）高速鐵路運行時的振動可傳播至沿線200 m處，200 m外振動平均值基本達(dá)到VC-C。

接下來，以列車通過時各測點振動響應(yīng)的平均值為指標(biāo)，評價鐵路沿線的振動情況。本小節(jié)以L-1、L-4測線為例進(jìn)行分析，圖5、圖6所示分別為測線L-1、L-4 在列車通過和背景振動時的橫向、縱向和豎向響應(yīng)。

觀察圖5、圖6，可知：

圖5 列車運行引起的L-1測線各測點處的振動響應(yīng)

圖6 列車運行引起的L-4測線各測點處的振動響應(yīng)

（1）對于高鐵列車運行所引起的環(huán)境振動，其在各頻帶的振動響應(yīng)隨距離增加整體呈衰減趨勢，但并非單調(diào)遞減，而是波動起伏式衰減；

（2）20 Hz 以下頻段的振動響應(yīng)隨著距離的增加衰減幅度很小，建設(shè)精密儀器實驗室時要充分考慮低頻振動的影響。

2.2 市政道路沿線環(huán)境振動分析

本節(jié)分析道路交通對沿線環(huán)境振動的影響。限于篇幅要求，以l-1為例進(jìn)行分析，如圖7、圖8所示，分別為測點l-1-1、l-1-6 在路面交通振動和背景振動時的橫向（垂直于道路，即x向）、縱向（平行于道路，即y向）和豎向（z向）響應(yīng)。

觀察圖7、圖8，可知：

圖7 市政道路車輛引起的l-1-1測點處（距線路中心30 m）環(huán)境振動響應(yīng)

圖8 市政道路車輛引起的l-1-6測點處（距線路中心235 m）環(huán)境振動響應(yīng)

（1）市政道路交通引起的環(huán)境振動1/3 倍頻程速度響應(yīng)曲線呈山形分布，響應(yīng)顯著頻帶位于8 Hz～25 Hz；隨著距離的增加，全頻段振動響應(yīng)均有一定衰減，10 Hz以上頻帶的響應(yīng)衰減顯著；

（2）市政道路交通引起的環(huán)境振動在各頻段均有顯著的波動性，振動響應(yīng)以豎向為主；在道路周邊30 m范圍內(nèi)，振動強(qiáng)度在VC-B以上；

（3）由l-1-6測點的響應(yīng)可知，市政交通引起的振動響應(yīng)平均值與背景振動響應(yīng)基本重合，市政交通振動對道路沿線235 m以外區(qū)域的影響很小。

接下來，以道路交通車輛通過時各測點振動響應(yīng)的平均值為指標(biāo)分析道路交通振動響應(yīng)情況。本小節(jié)以l-1 為例進(jìn)行分析，如圖9 所示為測線l-1 各測點處在車輛通過和背景振動時的橫向、縱向和豎向振動響應(yīng)。

圖9 市政道路車輛引起l-1測線各測點處的環(huán)境振動響應(yīng)

觀察圖9可知：

（1）道路交通對豎向振動影響顯著，豎向振動隨著距離的增加整體呈衰減趨勢，水平向（橫向和縱向）振動呈波動起伏衰減趨勢；

（2）道路交通對3.15 Hz 以下振動的影響很小，該頻段振動以環(huán)境振動為主；

（3）在道路周邊150 m以外區(qū)域，道路交通引起的環(huán)境振動基本滿足VC-E的要求。

2.3 選址區(qū)域交通沿線振動水平分析

結(jié)合實驗室選址所在區(qū)域各測點處的振動響應(yīng)情況，考慮各測點振動響應(yīng)所呈現(xiàn)出的波動性特點，以各測點振動響應(yīng)平均值為基準(zhǔn)，在測試覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)可分類給出交通沿線不同區(qū)域所滿足的環(huán)境振動水平，具體如表3所示。

表3 交通沿線不同區(qū)域環(huán)境振動水平建議值

結(jié)合擬建精密實驗室不同儀器對環(huán)境振動等級的要求，可根據(jù)表3進(jìn)行區(qū)域性選址規(guī)劃。

3 結(jié)語

為評估區(qū)域環(huán)境振動對精密實驗室選址的影響，通過現(xiàn)場測試和分析，重點研究了高速鐵路、市政次干路沿線的環(huán)境振動水平，以VC 曲線作為評價指標(biāo)，分析了不同區(qū)域的振動水平，得到以下結(jié)論：

（1）高速鐵路運行時產(chǎn)生的1 Hz～20 Hz 頻段振動在土層中衰減較慢，可傳播至沿線200 m 以外區(qū)域；

（2）高鐵沿線200 m 外區(qū)域振動水平基本達(dá)到VC-C，擬建精密儀器實驗室區(qū)域周邊有高鐵線路時，在實驗室的選址、功能規(guī)劃以及建設(shè)時要充分考慮高速鐵路低頻振動對周邊區(qū)域的影響；

（3）以小汽車通行為主的市政次干路，道路交通對周邊環(huán)境的影響程度低于高速鐵路，道路周邊150 m以外區(qū)域環(huán)境振動基本滿足VC-E的要求；

（4）形成了交通線路周邊區(qū)域環(huán)境振動分布水平等級表，可為精密實驗室的區(qū)域選址提供一定的支撐。