地鐵環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑場地影響實(shí)測分析*

高廣運(yùn) 耿建龍 畢俊偉 游遠(yuǎn)洋

( ①同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 上海 200092)

( ②同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092)

0 引 言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市人口不斷聚集，大城市尤其是特大城市中交通問題日益突出。地鐵以其安全、便捷、準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大等特點(diǎn)，已成為解決城市交通問題的重要手段( 劉濤等，2018) 。由于城市用地緊張及地鐵出行的便利性，建筑物距地鐵的距離不斷縮小，加之城市地面交通的影響，使交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑物的影響越發(fā)嚴(yán)重。為避免交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)居民正常生產(chǎn)生活造成影響，許多學(xué)者先后評(píng)估了地鐵等交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑物的影響，分析了環(huán)境振動(dòng)變化規(guī)律并開展了相應(yīng)的隔振、減振措施研究。在所有研究方法中，現(xiàn)場實(shí)測是評(píng)估地鐵環(huán)境振動(dòng)最可靠的研究手段。

目前，地鐵運(yùn)行引起建筑物振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)測研究已有較多成果。結(jié)合歐盟2003 年的CONVURT( The Control of Vibration from Underground Railway Traffic) 項(xiàng)目，Chatterjee et al. ( 2003) 和Degrande et al. ( 2006) 分 別 對(duì) 巴 黎 地 鐵 RER B 線 的citéUniverisitaire 站和倫敦地鐵Berkloo 線的Regent's Park 段進(jìn)行測試，系統(tǒng)觀測了隧道不同位置處、地表和臨近建筑物的振動(dòng)。高廣運(yùn)等( 2014，2016) 于2014 年測試了上海地鐵一號(hào)線人民廣場站區(qū)間隧道的振動(dòng)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算研究了振動(dòng)波在地表的衰減規(guī)律; 在2016 年實(shí)測了上海地鐵二號(hào)線龍陽路站附近的地面振動(dòng)，分析了不同頻段的振動(dòng)衰減規(guī)律以及波動(dòng)的影響因素。楊愛武等( 2017) 分析了正弦波和方波循環(huán)荷載作用下軟黏土的動(dòng)力特性。張逸靜等( 2017) 研究了圓曲線段地鐵運(yùn)行振動(dòng)加速度及主頻變化。許晨等( 2018) 開展了地鐵荷載作用下穿越地裂縫隧道——地層相互作用的動(dòng)力模型試驗(yàn)，分析了地裂縫活動(dòng)及地鐵列車振動(dòng)對(duì)位于地裂縫處地層的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。宗剛等( 2018) 實(shí)測了上海地鐵沿線某工程建設(shè)前后的振動(dòng)，研究了建筑物對(duì)場地振動(dòng)的影響。

在環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)方面，我國采用振動(dòng)加速度級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，出臺(tái)了多部規(guī)范規(guī)定了軌道交通引起的振動(dòng)限值及測量方法。上海市在2010 年頒布了《城市軌道交通( 地下段) 列車運(yùn)行引起的住宅建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法》( DB 31/T470-2009) 來評(píng)價(jià)軌道交通環(huán)境振動(dòng)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出采用分布在1/3 倍頻段的速度和加速度有效值作為振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并于1985 年頒布了規(guī)定各種建筑物振動(dòng)限值的ISO 2631 標(biāo)準(zhǔn)。Amick( 1997) 研究指出測試數(shù)據(jù)的處理采用何種度量單位( 位移、速度、加速度) 并沒有本質(zhì)的差別，但最好是在頻域內(nèi)采用均方根值( RMS) 進(jìn)行分析。

本文對(duì)某中心城區(qū)地鐵13 號(hào)沿線某擬建住宅辦公樓場地進(jìn)行24 h 環(huán)境振動(dòng)測試，采用ISO 2631 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的1/3 倍頻程法，分析不同時(shí)段地鐵運(yùn)行等交通環(huán)境因素引起的建筑場地地面振動(dòng)特性，并得到了一些有益的規(guī)律與結(jié)論，為該場地辦公住宅樓的建設(shè)提供了依據(jù)，并可為類似條件下住宅辦公樓的現(xiàn)場環(huán)境振動(dòng)測試及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 工程概況

該擬建辦公住宅樓場地位于某市中心城區(qū)，場地地勢整體較為平坦，屬于濱海平原地貌單元。在地勘揭露的75.45 m 深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、溺谷、沼澤相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，具有典型層狀分布特點(diǎn)。

場地處于中心城區(qū)繁華地段，場地北側(cè)為城市主干道寧夏路，交通繁忙; 南側(cè)為一輔路順義路，車輛較少; 地鐵13 號(hào)線近距離從場地下方穿過，地鐵3/4 號(hào)線較遠(yuǎn)距離從場地西側(cè)通過，東側(cè)較遠(yuǎn)處還有地鐵11 號(hào)線運(yùn)行。地鐵運(yùn)行和路面交通引起的環(huán)境振動(dòng)會(huì)對(duì)該場地造成影響。地鐵13 號(hào)線與建筑的位置關(guān)系如圖1 所示。

本次測試依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631 中采用的1/3倍頻程分析法，從加速度和速度有效值兩方面分析場地振動(dòng)特性，并依據(jù)ISO 2631 關(guān)于居民住宅和辦公室的控制標(biāo)準(zhǔn)( 表1) 評(píng)價(jià)地鐵環(huán)境振動(dòng)對(duì)擬建建筑的影響。

2 現(xiàn)場振動(dòng)測試

圖1 地鐵與建筑場地的相對(duì)位置Fig. 1 The relative position of the subway and the building site

表1 ISO 2631 關(guān)于住宅辦公區(qū)環(huán)境振動(dòng)限值規(guī)定Table 1 Environmental vibration limits of ISO 2631 on residential and office areas

為測試交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)擬建居民辦公樓場地的影響，結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)需要，選擇距地鐵軌道中心線28 m，距道路中心線72 m 處的位置布置測點(diǎn)，實(shí)測擬建工程場地不同時(shí)段3 個(gè)方向( 南北向、東西向、豎向) 上的速度與加速度。

本次測試采用意大利進(jìn)口測試儀TROMINO。該儀器集采集系統(tǒng)、3 分量加速度( 速度) 感應(yīng)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)于一體，連續(xù)采集數(shù)據(jù)，隨采隨存，可長時(shí)間無間斷采集。本次測試速度采集設(shè)置為低增益模式，其振動(dòng)響應(yīng)頻率為0.01 ～300 Hz，加速度采集分辨率為0.001 gal，采樣頻率設(shè)定為512 Hz，完全符合該擬建場地的環(huán)境振動(dòng)測試要求。測試儀器以及測試現(xiàn)場如圖2 所示。

在測點(diǎn)位置處去除表面的石塊、雜物及浮土后，將儀器調(diào)平并指北后固定在堅(jiān)硬的土層上，記錄下測試時(shí)間后開始進(jìn)行測試。測試從當(dāng)日17:17 開始至次日17:55 結(jié)束，歷時(shí)24 h，每2 h 為一個(gè)測試時(shí)段。在本次測試過程中，由于儀器存儲(chǔ)的限制，需在次日凌晨5:27 ～7:50 之間將儀器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，因此缺失該時(shí)段的數(shù)據(jù)。在次日下午測試過程中，由于電池電量用盡，缺失15: 26 ～15: 54 時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖2 測試儀器以及現(xiàn)場測試圖Fig. 2 Test instrument and test site

為更好地分析不同時(shí)段場地振動(dòng)特性，參考地鐵13 號(hào)線運(yùn)行時(shí)刻表，將各測試時(shí)段劃分為平峰、早高峰、晚高峰和無地鐵運(yùn)行4 種工況進(jìn)行分析，具體劃分情況見表2。本次測試中，有地鐵運(yùn)行的3個(gè)工況( 早高峰、晚高峰、平峰) 累計(jì)測試了8 個(gè)時(shí)段，無地鐵運(yùn)行的1 個(gè)工況測試了3 個(gè)時(shí)段。

表2 測試工況Table 2 Measuring case

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 1/3 倍頻程分析法

1/3 倍頻程指各振動(dòng)頻段的范圍，相鄰兩個(gè)1/3倍頻程中心頻率之比為21/3，且每個(gè)1/3 倍頻程的上下兩端截止頻率之比也為21/3，如下式:

式中，f0為該頻段的中心頻率; f1、f2分別為該頻段的下、上截止頻率。對(duì)實(shí)測加速度時(shí)程進(jìn)行傅里葉變換( FFT) 得到對(duì)應(yīng)的頻域曲線，并計(jì)算時(shí)間［0，T］內(nèi)的功率譜密度函數(shù)( PSDF) :

式中，|X( F) |為加速度時(shí)程曲線經(jīng)過FFT 的振幅;T 為時(shí)域內(nèi)選取的時(shí)程。由式( 3) 計(jì)算可得第i 個(gè)1/3 倍頻程內(nèi)數(shù)據(jù)的有效值( RMS)

式中，M 為第i 個(gè)頻段內(nèi)的頻率個(gè)數(shù)。重復(fù)以上過程，即可得到所有頻段的振動(dòng)加速度1/3 倍頻程譜。1/3 倍頻程分析法的優(yōu)點(diǎn)是只要在圖中繪制出任何一種響應(yīng)曲線，均可從圖中讀出某一振動(dòng)頻率的對(duì)應(yīng)振動(dòng)加速度、速度和位移，無需再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且這種方法可以使振動(dòng)的頻率影響在初期就體現(xiàn)出來( 高廣運(yùn)等，2018) 。

3.2 場地振動(dòng)測試分析

基于MATLAB，采用1/3 倍頻程分析法對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將ISO 2631 中關(guān)于住宅辦公區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)與處理結(jié)果繪制在同一圖上進(jìn)行對(duì)比分析。圖3 為場地11 個(gè)測試時(shí)段南北、東西、豎直3 個(gè)方向的1/3 倍頻程頻譜圖，各時(shí)段最大速度和加速度有效值如表3 所示。

表3 各時(shí)段最大速度和加速度有效值統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of maximum speed and acceleration RMS at each period

在有地鐵運(yùn)行的8個(gè)時(shí)段( 圖3a ～圖3c，圖3g ～圖3k) 內(nèi)，測點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值介于10－4～100gal 之間，且不同時(shí)段內(nèi)各方向上振動(dòng)加速度隨頻率的變化規(guī)律相近，但3 個(gè)方向的振動(dòng)加速度在不同頻率處的相對(duì)大小有差異。在1 ～7 Hz 之間，3 個(gè)方向的振動(dòng)加速度值相近且幅值較小; 在7～20 Hz 之間，豎向振動(dòng)加速度值大于水平向，兩個(gè)水平方向振動(dòng)加速度值相近，振動(dòng)幅值有所增大; 在20～60 Hz 之間，水平向振動(dòng)加速度值大于豎向，兩個(gè)水平方向振動(dòng)加速度值接近，該頻段內(nèi)出現(xiàn)峰值振動(dòng); 在60 ～200 Hz 之間，振動(dòng)加速度幅值呈現(xiàn)豎向＞東西向＞南北向的規(guī)律，在此頻段范圍內(nèi)振動(dòng)幅值減小至較小值。

在無地鐵運(yùn)行的3 個(gè)時(shí)段( 圖3d ～圖3f) 內(nèi)，測點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值介于10－5～10－1gal 之間。振動(dòng)加速度隨頻率的變化規(guī)律在不同時(shí)段中相近，然而各方向上振動(dòng)加速度在不同頻率處的相對(duì)大小仍有差異。在1～3 Hz 之間3 個(gè)方向的振動(dòng)加速度幅值相近且幅值較小; 在3～20 Hz 和80～200 Hz 之間豎向振動(dòng)加速度有效值大于水平向，兩個(gè)水平方向振動(dòng)加速度值相近，振動(dòng)幅值有所增大; 在20 ～80 Hz之間3 個(gè)方向振動(dòng)加速度有波動(dòng)，在該頻段內(nèi)出現(xiàn)振動(dòng)加速度最大值。

對(duì)比分析圖3 和表3 可知，有無地鐵運(yùn)行時(shí)場地振動(dòng)有較大差異。無地鐵運(yùn)行時(shí)的地面最大振動(dòng)加速度介于0.03 ～0.05 gal 之間，有地鐵運(yùn)行時(shí)為0.4～0.8 gal，比無地鐵時(shí)高出1 個(gè)數(shù)量級(jí)，地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)對(duì)場地有重要影響。

在有地鐵運(yùn)行的3 個(gè)工況中，4 個(gè)平峰運(yùn)行測試時(shí)段的地面振動(dòng)加速度最大值均為0.4 gal; 早高峰運(yùn)行時(shí)段地面振動(dòng)加速度最大值為0.5 gal; 晚高峰運(yùn)行時(shí)段多種交通環(huán)境振源共同作用下場地振動(dòng)加速度達(dá)到最大值0.8 gal，高于其他所有測試工況。

由圖3 分析可知，有地鐵運(yùn)行的3 個(gè)工況內(nèi)均有明顯的加速度和速度峰值，可以讀出地鐵運(yùn)行引起的場地振動(dòng)主頻。其中，17:17～21:18( 圖3a ～圖3b) 和7:50 ～15:26( 圖3g ～圖3j) 這6 個(gè)時(shí)段的主頻為40 Hz; 15:54 ～17:54( 圖3k) 時(shí)段內(nèi)振動(dòng)主頻介于40～50 Hz 之間; 21:22 ～23:22( 圖3c) 時(shí)段內(nèi)振動(dòng)主頻為50 Hz。3 個(gè)無地鐵運(yùn)行時(shí)段內(nèi)未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)主頻。

所有時(shí)段中，低頻范圍內(nèi)( 2 ～8 Hz) 測點(diǎn)南北向、東西向和豎向的振動(dòng)加速度有效值最大分別約為0.028 gal、0.024 gal 和0.030 gal，遠(yuǎn) 小 于ISO 2631 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于居民住宅的限值1.0 gal; 中高頻范圍內(nèi)( 8～250 Hz) 測點(diǎn)南北向、東西向和豎向振動(dòng)速 度 有 效 值 最 大 分 別 為 26.715 μm·s－1、18.112 μm·s－1和11.073 μm·s－1，也遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值200 μm·s－1。

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)某中心城區(qū)擬建住宅辦公樓場地進(jìn)行24 h 環(huán)境振動(dòng)測試，利用1/3 倍頻程法分析了實(shí)測速度和加速度值，研究了該擬建場地不同時(shí)段的環(huán)境振動(dòng)特性，評(píng)價(jià)了地鐵環(huán)境振動(dòng)對(duì)場地的影響，主要結(jié)論如下:

圖3 測點(diǎn)3 個(gè)方向24 h 1/3 倍頻程圖Fig. 3 1/3 octave band spectral analysis of three directions for measuring point

( 1) 8 個(gè)有地鐵運(yùn)行和3 個(gè)無地鐵運(yùn)行測試時(shí)段內(nèi)振動(dòng)加速度隨頻率的變化有各自相近的變化規(guī)律，然而各測試時(shí)段內(nèi)3 個(gè)方向上振動(dòng)加速度在不同頻率處的相對(duì)大小存在差異。無地鐵運(yùn)行時(shí)振動(dòng)加速度幅值介于10－5～10－1gal 之間，有地鐵運(yùn)行時(shí)介于10－4～100gal 之間，并在晚高峰時(shí)段達(dá)到最大值0.8 gal，地鐵運(yùn)行對(duì)場地環(huán)境振動(dòng)有重要影響。

( 2) 地鐵荷載作用下場地振動(dòng)主頻介于40 ～50 Hz 之間，無地鐵運(yùn)行時(shí)場地沒有出現(xiàn)明顯的振動(dòng)主頻。

( 3) 低頻段內(nèi)( 2～8 Hz) 場地振動(dòng)加速度最大值約為0.030 gal，中高頻段內(nèi)( 8 ～250 Hz) 場地振動(dòng)速度最大值為26.715 μm·s－1，擬建場地各時(shí)段內(nèi)振動(dòng)均滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631 中關(guān)于此類建筑場地振動(dòng)控制的要求。

(4) 本次場地環(huán)境振動(dòng)測試是在項(xiàng)目尚未動(dòng)工的特定環(huán)境條件下進(jìn)行的。隨著項(xiàng)目的建成并投入運(yùn)行，各種振源必將接踵而至; 同時(shí)，隨著相鄰建筑物和道路的建設(shè)以及寧夏路交通量的增加，振動(dòng)情況更復(fù)雜，將增大對(duì)該場地的影響。因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)充分考慮這一不利因素，采取必要的隔振、減振措施，將環(huán)境振動(dòng)控制在標(biāo)準(zhǔn)容許范圍內(nèi)，確保擬建辦公住宅樓的正常使用。