地鐵振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物影響及圍護(hù)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(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

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

然而，地鐵給城市交通帶來便利的同時(shí)，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(huì)穿越或臨近居民住宅、高?？蒲薪ㄖ?。而地鐵運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)危害周圍建筑的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)對(duì)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(rèn)為七大公害之一[1]。

近年來，眾多學(xué)者在地鐵運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響方面進(jìn)行了研究。閆維明等對(duì)某地鐵運(yùn)營誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)提出評(píng)價(jià)建筑物受地鐵振動(dòng)影響時(shí)應(yīng)以垂直方向振動(dòng)為主[2]；栗潤德等對(duì)地鐵運(yùn)行及地面交通引發(fā)的地面垂向振動(dòng)加速度進(jìn)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(duì)列車通過時(shí)引起的地面振動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算[4]。此外，一些學(xué)者在降低地鐵振動(dòng)影響的隔振措施方面也進(jìn)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(yù)測的地面振動(dòng)值與現(xiàn)場實(shí)測地面振動(dòng)值進(jìn)行對(duì)比，提出在需要采取減振方案的情況下，有限元預(yù)測法相比半經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法預(yù)測值更加適用[6]；LU Jianfei等通過對(duì)頻域積分方程進(jìn)行數(shù)值求解得到樁-土系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)，并與實(shí)測數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，表明兩個(gè)結(jié)果具有很好的一致性[7]；李卉等采取在建筑基礎(chǔ)下方鋪設(shè)減振墊的方法實(shí)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(duì)減振效果的影響[9]；李克飛等采用現(xiàn)場測試的方法對(duì)普通減振扣件、Ⅳ型減振扣件和梯形軌枕的減振效果進(jìn)行了研究[10]；李志毅等詳細(xì)討論了多排樁影響隔振效果的幾個(gè)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(xué)者對(duì)地鐵振動(dòng)影響和隔振措施進(jìn)行了較為廣泛的研究，但國內(nèi)對(duì)于排樁隔振應(yīng)用于實(shí)際工程中的研究較少，對(duì)于施工完成中基坑圍護(hù)樁作為隔振措施進(jìn)行減振隔振的效果研究更加缺乏。以下對(duì)北京某集體租賃住房項(xiàng)目施工完成后基坑圍護(hù)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(xiàng)目具有較高環(huán)境噪聲與振動(dòng)保護(hù)要求，總建筑面積為42 780.36 m2，緊鄰北京地鐵X號(hào)線(埋深16～25 m)。該項(xiàng)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(guān)系如圖1所示。目前，該項(xiàng)目尚未施工，建筑群區(qū)域?yàn)橐黄盏兀瑘D中測點(diǎn)1～5為5個(gè)地面振動(dòng)測試點(diǎn)。

圖1 地鐵X號(hào)線與建筑物位置關(guān)系平面

擬建項(xiàng)目基坑采用“支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨桿”的支護(hù)體系，靠近地鐵側(cè)基坑圍護(hù)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(hào)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(jì)沉積層三大類，并按巖性及工程特性進(jìn)一步劃分為5個(gè)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(zhì)粉土層，厚度約3.7 m；③第四紀(jì)沉積的稍密卵石層，厚度約7 m；④第四紀(jì)沉積的密實(shí)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(guān)系

圖2 地鐵X號(hào)線與5號(hào)樓剖面(1-1剖面)(單位：m)

2 地鐵運(yùn)行引起地面振動(dòng)的現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，先對(duì)地鐵運(yùn)行引起地面振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場測試?，F(xiàn)場測試采用江蘇聯(lián)能生產(chǎn)的941B型號(hào)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(zhì)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(dòng)和噪聲技術(shù)研究所開發(fā)的DASP軟件，同時(shí)采用4芯屏蔽導(dǎo)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(diǎn)三分之一倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)

表2給出了5個(gè)測點(diǎn)與地鐵左線中心線的水平和豎直距離，測點(diǎn)具體布置見圖1?，F(xiàn)場測試得到了各測點(diǎn)振動(dòng)加速度的時(shí)程曲線，經(jīng)過轉(zhuǎn)換計(jì)算可以得到1/3倍頻程Z計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)，如圖4所示?？梢钥闯?，隨著頻率的增大，各測點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，振動(dòng)加速度級(jí)的峰值對(duì)應(yīng)的頻段在12.5～20 Hz，主要貢獻(xiàn)頻段是10～80 Hz，即當(dāng)頻率增大到10 Hz后，各測點(diǎn)Z振級(jí)快速增大，而當(dāng)頻率增大到80 Hz后，各測點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)則迅速降低，直至為0。

表2 測點(diǎn)與地鐵線路的位置關(guān)系

圖5為各測點(diǎn)最大Z振級(jí)隨距地鐵左線中心線水平距離的變化趨勢，地表的振動(dòng)加速度振級(jí)隨距離增加不是單調(diào)遞減，而是存在波動(dòng)衰減的現(xiàn)象。測點(diǎn)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(jí)不僅小于與地鐵水平距離更近的測點(diǎn)5，還小于更遠(yuǎn)的測點(diǎn)2，處于變化曲線波谷的位置，與馬蒙等得出的結(jié)論相印證[13]。

圖5 各測點(diǎn)最大Z振級(jí)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(dòng)模擬預(yù)測模型，如圖6所示。模型中地層與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，建筑結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)模型采取Mohr-Coulomb模型，地質(zhì)參數(shù)根據(jù)該項(xiàng)目地質(zhì)勘查報(bào)告確定，如表3所示。此外，隧道支護(hù)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(dòng)模擬模型(單位：m)

列車荷載的模擬采用MIDAS/GTS軟件的移動(dòng)輪載分析方法。根據(jù)車輛信息取相應(yīng)的軸間距，列車軸重取17 t，運(yùn)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(dòng)力荷載表格，施加列車荷載到左、右線兩條軌道共184個(gè)節(jié)點(diǎn)。將列車駛?cè)肴S有限元隧道模型鋼軌上第一對(duì)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間設(shè)定為0 s，此時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的移動(dòng)列車荷載時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 列車動(dòng)力荷載時(shí)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(gè)典型樓層，選取五層典型樓板上距離隧道水平距離最近點(diǎn)作為拾振點(diǎn)。模型共分兩種工況進(jìn)行計(jì)算：①無圍護(hù)樁工況地鐵-土體-建筑耦合計(jì)算模型；②有圍護(hù)樁工況地鐵-土體-建筑耦合計(jì)算模型。

圍護(hù)樁為樁徑800 mm@1 400 mm、樁長21.1 m的雙排樁，數(shù)量按照實(shí)際工況添加，共42根，如圖8所示。圍護(hù)樁采用1D梁單元模擬，材料特性設(shè)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(hù)樁工況地鐵-土體-建筑耦合計(jì)算模型

3.2 模型可靠度驗(yàn)證

選取5號(hào)樓地上一層樓板上距離隧道最近的一點(diǎn)(與圖1中測點(diǎn)1平面位置大致相同)為拾振點(diǎn)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)域數(shù)據(jù)通過傅里葉變換，轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析得到1/3倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)，如圖9所示?？梢钥闯觯S著振動(dòng)頻率的增大，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果呈現(xiàn)出相同變化趨勢，且在頻率較小(<12.5 Hz)時(shí)，二者吻合性很好；當(dāng)頻率>12.5 Hz后，與測點(diǎn)1的實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果主要貢獻(xiàn)頻率的振動(dòng)加速度級(jí)比現(xiàn)場實(shí)測偏大，其原因?yàn)楣こ虉龅囟淹梁偷罔F滿載率較低。數(shù)值模擬結(jié)果在大于80 Hz的頻率模型預(yù)測值衰減明顯，其原因?yàn)榻ㄖA(chǔ)和地下結(jié)構(gòu)部分對(duì)地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)起到一定削弱作用?？傮w而言，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測變化規(guī)律基本一致，證明該模型預(yù)測值可靠性較高，精度符合要求。

圖9 地上一層與測點(diǎn)1的三分之一倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)曲線

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過三維數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算出每個(gè)樓的振動(dòng)情況。結(jié)果顯示，5號(hào)樓最接近地鐵線路受地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)影響最為顯著，故以5號(hào)樓為例分析建筑物受地鐵振動(dòng)的影響。

通過分析計(jì)算，各典型樓層加速度峰值及最大Z振級(jí)如表4所示。根據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理得到各典型樓層最大Z振級(jí)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(jí)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(jí)變化過程是先減小再增大的。

圖10 各典型樓層Z振級(jí)變化規(guī)律

為保證建筑物的振動(dòng)控制要求，減少地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)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(dòng)傳播途徑和保護(hù)受振物體等三類[14]。已有學(xué)者對(duì)排樁隔振進(jìn)行了理論分析和模型及現(xiàn)場試驗(yàn)，并且采取排樁隔振在國外一些工程中已經(jīng)得到應(yīng)用[15-17]。而該項(xiàng)目樓體竣工后基坑圍護(hù)樁不予拆除，故可以將其作為一種設(shè)置在振動(dòng)傳播途徑的減振措施。

施作圍護(hù)樁作為減振措施后進(jìn)行分析計(jì)算，表4為5號(hào)樓有圍護(hù)樁工況與無圍護(hù)樁工況的各典型樓層加速度峰值及Z振級(jí)，圖11對(duì)比了施作圍護(hù)樁前后的Z振級(jí)變化，圍護(hù)樁作為振動(dòng)控制措施的控制效果十分明顯，各層樓最大Z振級(jí)均下降7～9 dB，其中，地上五層的振動(dòng)控制效果最佳。

表4 5號(hào)樓各典型樓層加速度峰值及Z振級(jí)

圖11 施作圍護(hù)樁前后各典型樓層Z振級(jí)對(duì)比

圖12 施作圍護(hù)樁前后地下三層豎向振動(dòng)加速度對(duì)比

圖12、圖13分別為建筑物地下三層和地上五層施作圍護(hù)樁前后豎向振動(dòng)加速度的對(duì)比圖，可以看出，在未施作圍護(hù)樁的工況下，地鐵運(yùn)行引起的建筑物地下三層豎向振動(dòng)加速度峰值和地上五層豎向振動(dòng)加速度峰值分別出現(xiàn)在36 Hz、38 Hz處，振動(dòng)主頻均在30～40 Hz范圍內(nèi)，屬于低頻振動(dòng)。地上五層樓板豎向振動(dòng)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(jié)構(gòu)對(duì)30～40 Hz的豎向振動(dòng)具有一定削弱作用，而對(duì)較低頻段15～20 Hz的豎向振動(dòng)影響不大。施加圍護(hù)樁作為減振措施后，圍護(hù)樁對(duì)振動(dòng)主要貢獻(xiàn)頻段振動(dòng)加速度的控制效果十分明顯。

圖13 施作圍護(hù)樁前后地上五層豎向振動(dòng)加速度對(duì)比

4 結(jié)論

依托北京某住房項(xiàng)目，對(duì)地鐵振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響展開研究。在現(xiàn)場布置5個(gè)測點(diǎn)，對(duì)地鐵運(yùn)行引起的場地振動(dòng)進(jìn)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(dòng)模擬預(yù)測模型對(duì)地鐵振動(dòng)影響進(jìn)行計(jì)算。得出了以下結(jié)論。

(1)根據(jù)現(xiàn)場5個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果，得到地鐵運(yùn)行引起的地面振動(dòng)加速度級(jí)變化趨勢：隨著頻率的增加，振動(dòng)加速度級(jí)先增大后減小。其峰值對(duì)應(yīng)的頻段在12.5～20 Hz，其主要貢獻(xiàn)頻段為10～80 Hz頻段。

(2)通過現(xiàn)場地面振動(dòng)加速度測試結(jié)果與數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)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(yù)測地鐵引起建筑物振動(dòng)是一種可行的方法。

(3)對(duì)于10層左右的建筑物，地鐵運(yùn)行振動(dòng)引起的動(dòng)力響應(yīng)隨著樓層的增加，存在一個(gè)先減小后增大的過程，地面首層和頂層的動(dòng)力響應(yīng)最為顯著。

(4)在施作圍護(hù)樁作為減振措施之后，各典型樓層的最大Z振級(jí)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(jí)降低了10.6%。因此，圍護(hù)樁是一種有效的減振措施。

(5)地鐵運(yùn)行引起的建筑物豎向振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，振動(dòng)主頻在30～40 Hz范圍，建筑結(jié)構(gòu)對(duì)30～40 Hz的建筑物豎向振動(dòng)起到一定的削弱作用。