地铁运行诱发的建筑物振动及控制

摘 要：由于城市地铁均贯穿市区，对沿线周围建筑物居住环境产生的振动不容忽视。本文就地铁运行诱发的建筑物振动传播规律进行了分析，并针对采用隔震技术的建筑进行了分析，总结了国内外的一些经验及方法。

关键词：地铁； 振动；隔振建筑；叠层橡胶支座

中图分类号：U231+.1文献标识码：A

地铁具有的不占用地面空间、运量大、速度快、准时等优点已经成为了解决城市交通拥挤的一种重要工具。但地铁运行时穿越建筑密集区域所引起环境振动问题成为破坏环境的公害之一，因此，研究地铁引起环境的振动及其隔振问题具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 地铁运行诱发环境振动的传播规律

1.1地铁振动传播的三阶段[1]

(1)振动产生阶段，即列车车轮对轨道的冲击产生激励，主要由五种原因构成：列车运行时，对轨道的重力加载产生的冲击，造成车轮与轨道结构的振动；众多车轮与钢轨同时发生作用产生的作用力，造成车辆与轨道结构的振动；车轮经过钢轨接缝处时，轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动；轨道的不平顺和车轮的粗糙损伤等随机性激励产生的振动；车轮的偏心等周期性激励导致的振动；(2)振动传播阶段，即振动通过轨道基础和衬砌结构向周围土介质和地面建筑传播；(3)振动作用阶段，即振动作用在沿线的地面建筑上，进而诱发建筑结构及其室内家具的二次振动和噪声，从而对建筑结构本身和建筑物内的人群，精密生产和敏感仪器产生影响。

(2)研究地铁振动主要有三种方法：①现场实测：合理地设置测线和测点，以仪器记录地表振动加速度的数据，通过分析实测数据了解振动传播和衰减的规律，为理论分析和数值模拟提供依据；②理论分析：采用经典的半空间弹性波动理论对振动问题进行分析[2]；③计算机数值模拟：借助有限元软件建立研究对象的动力学模型，通过数值方法求解得到整个模型的响应。其中，根据现场振动实测数据分析所得出的结论可能并不具有普遍的推广意义，但它能为其它两种研究方法提供大量的数据支持，能够印证有限元模型的正确性，并用以评估地铁引起的区域环境振动。本文引用对昆明地铁某线一区间段的振动实测，分析了地铁引起的地面振动的振动特性和衰减规律，得到了一些结果，可供地面建筑的减振隔振及城市轨道的规划和设计参考。

1.2实测地点区位及测点布置

昆明地铁某线S车站至C车站区间为圆形隧道，圆形隧道由两条平行单线隧道组成，外径6.3m，内径5.5m。结合实际工程建设需要，选择基本上处于这两个车站中间的区域作为振动观测场地，在地铁隧道地面南侧布置一条测线，测线共设6个测点，1号测点位于地铁东行线上方，其余测点与1号测点的距离分别为l0、25、35m和50m，因围墙隔断的影响，B线分为两段，3号点和4号点相距0.5m。本次测量中所采用的仪器为三台美国生产的ALTUS系列强震加速度仪(工作频率100Hz)，用笔记本电脑在现场进行各台仪器的同步测试，整套仪器可以同步记录三个测点各三个方向共计9条加速度时程，分别以L、T、V表示同一测点顺轨道水平方向、垂直轨道水平方向和竖直方向。

1.3铁运行引起的地面振动的分析

测线6个测点的数据测试分两组进行，1号、2号、3号点为一组，4号、5号、6号点为一组，分组实测得到的各测点三个方向的加速度幅值衰减如图2图3所示。

图2 测线分组测点三个方向加速度曲线

图3测线三个方向加速度衰减曲线

比较图2和图3可见，测线加速度峰值衰减变化趋势总体上是相同的，即随着与地铁隧道线路距离的增大而减弱。在5号测点处加速度值有小幅度上扬，原因是该测点右侧已接近于交通线，受到地面交通及人行的影响较大。在V方向上出现两个回升点，即竖直方向的加速度在l0m和35m处有所回升，上升幅度分别为22％和57％。地铁振动在衰减过程中出现回升的现象在不同场地测试成果中都有介绍，此次在数值计算中也出现这种情况，这种回升现象反映了振动传播的复杂性，应与土层的地质结构、上部建筑物的分布、地铁列车的行驶特点等影响因素有关，其机理有待作深入研究。

2 采用基础隔震的建筑在地铁振动下的实测分析

2.1测点布置和测试仪器

此次测试的是在昆明地铁沿线附近的建筑物地下室内进行的，为了减少地铁运行对建筑结构的噪声使用影响，在结构基础设置了橡胶隔振支座。该建筑为6层基础良好的框架结构(有错层)，其中地下两层，基础地板厚0.6m，地下室外墙厚0.4m，地下室顶层楼板厚0.18m，其余各层及屋顶楼板厚度均为0.12m；地铁埋深为10m，其上覆土从下往上依次为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、填土；隧道结构型式为圆形双洞隧道结构，半径为2.75m，管片厚度为0.35m，两隧道距离为11m。

测点的布置主要基于3个方面的考虑：①对地铁振动敏感建筑物的位置；②尽量选择周边地面交通影响小的场所；③现场的布线及布点的条件。本次测试是选择在地铁沿线附近装有隔振支座的一座建筑物上进行的，测试仪器采用的是两台Altus系列强振动加速仪(工作频率为250Hz,)，该套仪器可以同步测量2个拾振点3个方向共计6条加速度时程。一个测点布置在地下室结构基础上(隔振前)，另一个测点布置在地下室地面上(隔振后)，可以采集到隔振前后的L(顺轨道水平向)、T(横轨道水平向)、y(垂向)三个方向的加速度时程。测点布置的位置如图4所示

图4测点及仪器位置示意图

2.2实测结果频谱分析

利用快速傅里叶变换[5]可得到各个测点的地铁振的3个方向的加速度时程的傅里叶幅值谱。图5和图6为实测加速度时程数据所对应的傅立叶幅值谱，反映了隔振前后加速度时程中各频率分量的变化情况。

图5 上行时实测加速度傅里叶谱（测点1）

由图56可知，不论是在测点1、2还是上、下行，在两个水平方向上，未隔振之前，振动的频率在100Hz以下，主要频率成分集中在45～75Hz的范围内，经过隔振之后，45~75Hz的范围内的主要振动分量显著减少，测点1在高能频段上的振动分量减少程度强于测点2，T向尤为明显，但在10Hz邻近范围内的振动分量且有较大程度的放大，但这一放大效应要小于高频分量的减少效应，因此总体上L，T方向的加速度时程中的峰值加速度是减少的；而在V方向上，隔振前竖向加速度的频率分布较为广泛，经过隔振之

图6上行时实测加速度傅里叶谱（测点1）

后，10Hz和60HZ邻近频率范围的振动分量不仅没有减弱，反而得到增大，这与隔振支座的性质有关。

本次测试的建筑结构的水平向的自振频率范围约为4～5Hz，而地铁水平向的主要频率在45～75Hz范围内，因此橡胶隔振支座在水平方向对地铁振动起到隔振作用；由于没有测试到建筑物的竖向的自振频率，查阅相关文献：经对几种常用的夹层橡胶垫的力学性能进行计算，其竖向固有周期为T0=0.05~0.08，即固有频率为=78.5~125.6Hz，而垂向地铁振动的频率主要在40~80Hz，略小于上部结构自振频率，不能起到隔振作用，这与“一般夹层橡胶垫隔震结构，对竖向地震作用甚微，但不影响结构的安全；若用于竖向隔振(环境振动等)，则要对夹层橡胶垫的设计提出特殊设计要求的结论是一致的。所以隔振支座对地铁水平方向的振动起到了隔振作用，而对垂向的振动反而有放大的作用。

5 结论

(1)利用量测到的由地铁运行引起的装有隔振支座的房屋的振动加速度时程进行分析，表明在两个水平方向加速度上隔振效果是显著的，在测点1，T向加速度的隔振效果优于L向加速度，在测点2，L向优于T向，总的来说，T向的隔振性能更稳定；而在y向加速度上基本上没有起到隔振作用，反而存在放大效应。

(2)两水平方向加速度在未隔振之前，振动的主要频率集中分布在在45～75Hz的频段上，测点1高能频段的分布频率大于测点2，经过隔振后。该频段上的幅值降低很大，测点1的T向更为显著。但是在20Hz以下(约在10Hz左右)低频段上的幅值却有所放大，只是低频段上的放大效应要比高频段上的减小效应要低的多；y向加速度的在未隔振之前各个频段的幅值都比较小，而隔振之后却有所放大，在10和60Hz左右表现的最为突出，这是与隔振支座的性质有关。

(3)上述结果表明：地铁振动的垂向隔振技术值得深入研究。

参考文献

[1] 贾旭鹏.地铁运行振动的传播规律和对地面建筑的影响[D].上海：同济大学土木工程学院,2008:3-1

[2] 徐芝纶.弹性力学[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.12

[3] 楼梦麟,贾旭鹏,俞洁勤.地铁运行引起的地面振动实测及传播规律分析[J].2009,29(3):282-288

[4] 楼梦麟,贾宝印,俞洁勤.地铁振动下基础隔振效应的实测与分析[J].2011,39,(11):1622-1628

[5] 同济大学数学系,高等数学[M].北京:高等教育出版社,2002,07

第一作者：孙亚男(1981-),女,云南个旧,岩土工程师，学历:本科，研究方向：岩土工程。