何蕾，宋瑞祥，鄔玉斌，吳瓊

（北京市勞動保護科學(xué)研究所，北京 100054）

引言

地鐵車輛段上蓋物業(yè)遵循以公共交通為導(dǎo)向的新城市發(fā)展理念，在節(jié)約利用土地的同時反哺軌道建設(shè)，是當(dāng)前各大城市建設(shè)的熱點。然而由于上蓋建筑與地鐵線路零距離接觸，噪聲振動污染成為限制車輛段上蓋開發(fā)規(guī)劃的關(guān)鍵因素。尤其車輛段咽喉區(qū)線路道岔密集，輪岔沖擊振動顯著，隔振手段有限，咽喉區(qū)上蓋成為住宅、幼兒園、養(yǎng)老設(shè)施等振動敏感建筑的禁區(qū)，每個車輛段約6hm2的咽喉區(qū)覆蓋面積僅作為綠化或配套設(shè)施規(guī)劃，造成大面積土地浪費，不利于上蓋空間功能合理布局及高效利用。

針對咽喉區(qū)道岔線路的振動影響，國內(nèi)學(xué)者先期開展了大量研究工作。鄒超[1]、鄒林志[2]等通過現(xiàn)場測試手段分析了咽喉區(qū)線路運營產(chǎn)生的振動加速度在周邊場地上及車輛段結(jié)構(gòu)中的時、頻域衰減規(guī)律，鄔玉斌[3]等結(jié)合有限元計算分析了咽喉區(qū)鄰近落地建筑振動響應(yīng)規(guī)律，何蕾等[4]通過現(xiàn)場振動監(jiān)測統(tǒng)計分析了車速對咽喉區(qū)上蓋建筑環(huán)境振動的影響規(guī)律。但在實際運營條件下，咽喉區(qū)上蓋建筑室內(nèi)振動響應(yīng)特性及影響規(guī)律鮮有分析研究。

本文以現(xiàn)場試驗為手段，展開實際運營條件下的咽喉區(qū)上蓋框架結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)振動響應(yīng)分布特性及線路影響規(guī)律的研究，為車輛段上蓋建筑規(guī)劃設(shè)計及振動控制提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 測試對象

測試地點為北京地區(qū)某地鐵車輛段，采用6B車型，其咽喉區(qū)采用碎石道床，道床下鋪設(shè)橡膠彈性道砟墊，道岔結(jié)構(gòu)均為固定轍叉式7號單開道岔。咽喉區(qū)以高10.6m鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)覆蓋，以上蓋某鋼框架結(jié)構(gòu)辦公建筑為對象展開測試分析。

該辦公建筑位于咽喉區(qū)中部，正下方股道線路為7～14股道，并含4組單開道岔，南側(cè)距離15股道水平距離11.0m，距離18股道18.4m，建筑與線路平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 測試建筑與咽喉區(qū)線路位置關(guān)系

1.2 測點布置

建筑內(nèi)部中央為連通大廳，四周環(huán)繞布置獨立隔間辦公室，于鄰近拐角的室內(nèi)地面（瓷磚）中央設(shè)置垂向振動加速度測點。其中一層房間面積為41.8m2，二層、三層房間面積為15.8m2，測點分布見圖2。

圖2 建筑室內(nèi)測點位置

1.3 測試儀器及時間

采用B&K8344型振動加速度傳感器及B&K3560型PULSE數(shù)據(jù)采集儀，對室內(nèi)振動連續(xù)監(jiān)測3天。每日出庫時間集中于早晨4:40～7:17和上午9:46～10:50（約1h），回庫時間集中于下午16:24～17:55（約1h）及晚上19:27～24:29，其中上下午的出入庫時間和辦公時間有重合，共計約2h。

2 試驗結(jié)果

2.1 時頻域振動響應(yīng)特性

建筑正下方7股道同一列車出入庫時室內(nèi)2層的波形曲線如圖3所示。出庫波形呈現(xiàn)典型紡錘形，通過時間約60s；入庫工況下波形呈現(xiàn)“三段式”，顯示有停車等待跡象，通過時長約140s，且峰值加速度出庫高于入庫。

圖3 正下方股道出入庫時典型波形曲線

建筑正下方7股道出入庫時各樓層室內(nèi)1～100Hz典型頻譜曲線如圖4所示。出入庫工況下各樓層室內(nèi)峰值頻率均出現(xiàn)在10.7Hz和16.5Hz左右?？傮w上看，振動沿各樓層向上傳播過程呈現(xiàn)高頻衰減、低頻放大的趨勢。首層振動在40～60Hz區(qū)間頻率成分豐富，至二層和三層有明顯減弱；20～40Hz區(qū)間內(nèi)二層室內(nèi)振動有微弱突出，至三層降低顯著；20Hz以內(nèi)則由一層傳播至上部樓層后有放大趨勢，一層10.7Hz振動加速度為0.000 522m/s2（入庫）和0.000 661m/s2（出庫），三層室內(nèi)振動加速度放大至0.001 1m/s2（入庫）和0.001 51m/s2（出庫），增大約2.1～2.3倍。

圖4 正下方股道出入庫時典型頻譜曲線

2.2 列車個體的影響

同一股道連續(xù)7列車出庫時，室內(nèi)二層監(jiān)測得到10.7Hz峰值振動加速度及均方根加速度值見圖5?？梢姴煌嚧芜\行時上蓋建筑室內(nèi)振動加速度響應(yīng)具有一定的離散性，振動加速度均方根值相比平均值最大偏離17.4%，這10.7Hz單頻振動加速度相比平均值最大偏離33.8%，這與不同司機的駕駛習(xí)慣、車速、車輪踏面磨耗等情況密切相關(guān)。

圖5 同一股道不同列車出庫時振動加速度

2.3 運營線路與建筑間相對位置關(guān)系的影響

監(jiān)測實際運營條件下咽喉區(qū)各股道線路出庫時室內(nèi)二層測點在10.7Hz單頻振動加速度平均值見圖6。5～14股道位于建筑正下方，其中5～8股道、9～12股道、13～14股道分別分屬同一跨，且7/8股道位于所測房間正下方。9/10股道列車行駛時誘發(fā)樓板振動明顯弱于12股道，主要原因為9、10股道在建筑正下方直線通過，且9股道無道岔結(jié)構(gòu)、10股道道岔結(jié)構(gòu)臨近周邊無結(jié)構(gòu)柱，根據(jù)鄒超等[2]分析，直線區(qū)間線路源強明顯低于道岔區(qū)間，因而9股道線路源強偏小，10股道振動能量經(jīng)過較長距離的巖土阻尼衰減，而12股道連續(xù)兩次側(cè)向進岔（兩岔心間距34m），且第一組道岔緊鄰咽喉區(qū)立柱（2.5m），激勵源高于其他線路且振動能量缺乏巖土阻尼阻尼衰減，噪聲可噪聲可沿立柱及轉(zhuǎn)換層傳播至建筑結(jié)構(gòu)。

圖6 實際運營條件下列車出庫時室內(nèi)二層振動加速度

圖7為監(jiān)測所得振動加速度與測試房間與線路水平距離的關(guān)系。可見，總體上振動加速度隨房間與線路水平距離增大呈現(xiàn)降低的趨勢，相關(guān)系數(shù)達到0.7以上，但距離相近的各線路運行誘發(fā)的室內(nèi)振動響應(yīng)仍有較大差別。一方面由于線路中輪岔沖擊振動異于普通線路區(qū)間，道岔在線路中的位置以及列車直側(cè)向進岔方式使得線路激勵源變得復(fù)雜，另一方面對于咽喉區(qū)上蓋建筑結(jié)構(gòu)，振動傳播路徑為軌道結(jié)構(gòu)—路基—結(jié)構(gòu)柱—結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層—建筑立柱，軌道結(jié)構(gòu)與咽喉區(qū)框架結(jié)構(gòu)柱之間的距離以及上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式成為振動衰減的主要環(huán)節(jié)，而咽喉區(qū)結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)分布往往不規(guī)則，因而并不能僅依據(jù)線路水平距離位置關(guān)系判斷各股線路對建筑結(jié)構(gòu)的振動影響。

圖7 線路與所測房間水平距離對振動加速度的影響

3 結(jié)論

以北京某地鐵車輛段咽喉區(qū)上蓋某三層辦公建筑為例，以現(xiàn)場試驗的方法分析了實際運營條件下道岔區(qū)上蓋框架結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)振動響應(yīng)及影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）出庫波形呈現(xiàn)典型紡錘形，入庫時列車停車等待信號，波形呈現(xiàn)“三段式”，且峰值加速度出庫高于入庫。

（2）振動沿各樓層向上傳播過程呈40Hz以上高頻衰減、20Hz以下低頻放大的趨勢，三層相比首層在10.7Hz處單頻振動加速度增大約2.1～2.3倍。

（3）同一股道不同列車運行時建筑室內(nèi)振動加速度響應(yīng)具有一定的離散性，振動加速度均方根值相比平均值最大偏離17.4%。

（4）總體上，振動加速度隨房間與線路水平距離增大呈現(xiàn)降低的趨勢，相關(guān)系數(shù)約為0.7，但距離相近的各線路運行誘發(fā)的室內(nèi)振動響應(yīng)仍有較大差別，軌道結(jié)構(gòu)與咽喉區(qū)框架結(jié)構(gòu)柱間的距離以及上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式是振動衰減的主要環(huán)節(jié)，應(yīng)作為振動響應(yīng)的重點考慮因素。