隔振墊在TOD建筑振動及二次輻射噪聲控制中的應用研究

曾亮，鄧攀，周志強，徐鴻，尹鏹

（1.成都軌道城市投資集團有限公司，成都 610041；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 引言

TOD（Transit Oriented Development）是以城市軌道交通站點為核心， 在500～800 m 半徑范圍內按照圈層規劃的片區發展模式。 城市軌道交通運行引起的振動對城市軌道交通沿線居民的工作和生活造成一定的影響， 目前這個問題受到越來越多的關注。 在進行城市軌道交通TOD 項目開發的時候更應該受到重視， 既有城市軌道交通線路的振動將會傳導至建筑基礎，引起建筑結構振動，影響建筑開發品質。李曉霖等[1]以北京地鐵四惠車輛段上蓋大平臺及其上方的住宅樓為研究對象，建立FLAC 二維動力數值分析模型，得到地鐵列車運行產生的振動對車輛段上蓋及開發建筑的影響規律， 指出各幢樓振動強度豎直方向較水平方向更為顯著。張天琦等[2]對地鐵沿線建筑物室內振動與噪聲特性進行測試與分析， 發現地鐵沿線建筑物室內各振動、噪聲測點峰值頻率基本一致，在扣件A工況下峰值頻率約為63 Hz，替換為剛度較低的扣件B 后，峰值頻率在40～50 Hz 左右。 包碧玉等[3]以北京某地鐵線路下穿復合地基高層辦公樓建筑為研究對象， 分析了軌道浮置板對建筑內振動的減振效果， 指出浮置板軌道的減振效果隨樓層增加有一定的增強，最大Z 振級插入損失為2.2～12.4 dB；在中心頻率大于20 Hz 時，分頻振級插入損失為10 dB 至31 dB，減振效果明顯。

可以看出， 既有的研究大部分集中在城市軌道交通運行對建筑物的振動影響程度的測試和仿真分析， 治理的手段集中在軌道交通軌道自身，本文結合工程實際，針對此類減振降噪，進行了在建筑物自身基礎采取隔振墊措施的研究分析。

2 項目概況

雙鳳橋TOD 項目位于成都市武侯區，用地面積2.17 萬m2，建筑面積約為10.65 萬m2， 主要功能為商業購物、 酒店綜合體，地下2 層、地上7 層結構。地下室底板埋深為10 m，地上建筑結構高度為37.65 m。

既有地鐵線路資料表明， 項目地塊位于地鐵區間線路DK14+800～DK14+900 側上方，地下室側墻和區間隧道側墻最小水平距離15.5 m（見圖1），地下室底板和區間隧道頂板最小豎向距離5 m，該區段的區間線路軌面埋深約20 m。 距離地塊較近的區間線路為上行線（近軌線路），鋪設有雙層非線性減振扣件；距離地塊較遠的區間線路為下行線（遠軌線路），為普通整體式道床未鋪設減振扣件， 既有地鐵線路運行對商業購物、酒店綜合體造成的影響需進一步檢測和分析。

圖1 工程平面圖

3 評價標準

雙鳳橋TOD 項目建筑規劃用途為星級酒店，對環境振動和噪聲要求較高。 為提升項目建筑開發品質， 提高居住舒適性，1 層及地下室振動采用國家標準GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》[4]中“混合區、商業中心區”鉛垂向最大Z 振級晝間不得超過75 dB， 夜間不得超過72 dB 的規定，2 層以上酒店采用“居民、文教區”晝間振動不得超過70 dB，夜間不得超過67dB 的規定。 1 層及地下室室內二次輻射噪聲采用JGJ/T 170—2009 《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》[5]中“混合區、商業中心區”列車通過時段等效連續A 聲級，晝間限值為41 dB（A），夜間限值為38 dB（A），4 層以上酒店采用“居民、文教區”限值標準晝間不得超過38 dB（A），夜間不得超過35 dB（A）的規定。

4 現場振動實測

現場振動實測主要是對振源及地表的振動加速度進行現場采樣，以便了解振源及地表振動現狀，為預測模型提供計算所需的荷載輸入，同時進行模型驗證。

4.1 隧道內測試

振源振動實測在地鐵近軌道線路選取1 個測試斷面，主要針對線路鋼軌垂向、道床垂向、隧道壁垂向等位置進行在線振動檢測。 隧道內現場測試照片如圖2 所示。

圖2 隧道內測試圖

振源振動實測結果表明， 列車通過測試斷面時速度為77 km/h，鋼軌、道床以及隧道壁的豎向加速度分別為200 m/s2、1 m/s2和0.1 m/s2。 鋼軌垂向振動加速度、 道床垂向振動加速度、隧道壁垂向振動加速度如圖3 所示。

圖3 各測點時域波形

4.2 地面振動測試

在擬建項目地塊地面進行振動水平及衰減規律測試。 延地鐵線路垂直斷面布置了7 個測點， 分別距離近軌線路軌道中心線20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m。

測試結果表明隨著距離從20 m 增加到50 m，地面振動加速度幅值由0.025 m/s2逐漸衰減到0.007 m/s2。 典型距離處波形如圖4 所示。

圖4 地面不同距離測點振動波形

5 預測模型

5.1 車輛- 軌道耦合動力學模型

建立車輛-軌道耦合系統動力學模型[6]。在整個大模型中，利用車輛-軌道耦合動力學理論將車輛系統和軌道結構系統看作一個相互作用、相互耦合的整體大系統，把輪軌接觸關系作為連接車輛和軌道結構的紐帶，模型結構如圖5 所示。

圖5 車輛- 軌道耦合系統動力學模型

5.2 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS 進行建模計算時，需考慮邊界與阻尼的問題。 彈性波在有限元模擬的土體中傳播時，在截斷邊界處會發生反射，造成波場失真[7]，消除這個反射效應才能更準確地進行振動預測。 采用三維一致人工邊界能夠消除截斷邊界造成的反射效應， 可模擬人工邊界外的半無限介質彈性恢復性能[8]。

根據建筑設計圖紙建立綜合體“軌道-隧道-土層-敏感建筑”三維預測模型（見圖6），其中建筑物樓板、剪力墻等結構采用Shell 181 殼單元，土體采用Solid185 實體單元模擬。

圖6 有限元模型

6 預測結果

分析地鐵列車以77 km/h 運行時，雙鳳橋TOD 項目各層建筑的振動和室內二次輻射噪聲情況。 根據測試結果判斷受到地鐵影響的建筑集中在區域A （見圖7） 內。 仿真預測提取-2 層地下室、1 層商業、4～7 層客房的不同位置（測點1～測點9）的振動和二次輻射噪聲進行分析。

圖7 預測結果提取點

預測結果顯示1 層及地下室最大Z 振級值為67.7 dB，未超過商業區振動標準。2 層及以上客房最大振級為62.5 dB，未超過居民區振動標準限值。

室內二次輻射噪聲超標的區域較大。-2 層地下室和1 層商業測點1、測點2、測點6 二次輻射噪聲超過了商業區限值標準，超標量0.8～6.6 dB（A）；2 層以上客房的測點1、測點2、測點6 二次輻射噪聲超過居民區限值標準，超標量為1.8～4.4 dB（A）。

7 控制措施及效果預測

7.1 控制措施

綜合各方面因素，本項目選用建筑基礎隔振。 該技術施工快速、簡便，對既有運營線路不會造成干擾和影響。 隔振墊鋪設形式采用在建筑基礎底板下部和側墻外側整體鋪設， 隔振墊厚度通常為25 mm，最大不超過50 mm，不影響整體建筑結構體系。

7.2 效果預測

根據建筑物的質量和隔振頻率要求， 選取隔振墊垂向剛度為2.1×108N/m3。 在距離近軌中心線50 m 范圍內的地下室底板、主樓基礎均鋪設隔振墊，并對隔振效果進行仿真預測。

預測結果顯示1 層及地下室最大Z 振級值為61.4 dB，未超過商業區振動標準。2 層及以上客房最大振級為56.2 dB，未超過居民區振動標準限值。

-2 層地下室和1 層商業測點1、測點2、測點6 二次輻射噪聲范圍為33.0～36.3 dB （A）， 未超過了商業混合區限值標準；2 層以上客房的測點1、測點2、測點6 二次輻射噪聲范圍為30.6～31.1 dB（A），未超過居民文教區限值標準。

8 結論

本文采用現場實測和數值仿真相結合的方法對雙鳳橋TOD 建筑物受地鐵運行產生的振動和室內二次輻射噪聲影響進行了評估。 根據預測結果和現場條件提出了在建筑物地下室鋪設隔振墊進行減振降噪的方案， 并對方案的減振降噪效果進行了評估，結論如下。

1） 實測結果表明： 地下室基礎邊界處， 振動最大值為69.1 dB，距離地鐵近軌線路軌道中心線40 m 處，振動超過67 dB 限值， 距離地鐵近軌線路軌道中心線50 m 處振動最大值58.5 dB。

2）仿真分析結果表明，不采用任何措施情況下，所有測點振動均不超標。 室內二次輻射噪聲超標的區域較大。 -2 層地下室和1 層商業測點1、測點2、測點6 二次輻射噪聲超過了商業區限值標準，超標量0.8～6.6 dB（A）；4 層以上客房的測點1、測點2、測點6 二次輻射噪聲超過居民區限值標準，超標量為1.8～4.4 dB（A）。

3）在鋪設基礎隔振墊層后，所有預測點的振動和二次輻射噪聲均滿足相關標準限值要求。 該技術可在類似工程振動噪聲治理中推廣使用。