基坑支護(hù)屏障對地鐵列車引起的建筑振動隔離效果

周謙 劉玉濤 閆曉夏 劉秀波

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所， 北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司， 廣東 深圳 518000

大型建筑都會涉及深基坑的開挖與支護(hù)。由于基坑地下連續(xù)墻能兼顧截水、防滲等功能，在地下車站、大型公用建筑中大量應(yīng)用［1-2］?；拥叵逻B續(xù)墻與回填材料構(gòu)成一道隔振屏障，能夠阻隔振動的傳播。

基坑支護(hù)屏障屬于剛性連續(xù)屏障，與連續(xù)混凝土排樁、混凝土填充溝等普通剛性連續(xù)屏障不同。普通剛性連續(xù)屏障一般距建筑有一定距離，并且屏障兩側(cè)均為土體?；又ёo(hù)屏障的一側(cè)為土體，另一側(cè)緊貼建筑結(jié)構(gòu)。

目前，針對基坑支護(hù)屏障的隔振研究主要集中在地下連續(xù)墻對土體的隔振方面。樓夢麟等［3］對地面振動進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻對地面水平振動有隔振效果，對地面垂向振動無隔振效果。李寧［4］對設(shè)置地下連續(xù)墻前后同一時間段、相同測點(diǎn)的地面振動進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻對遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)的地面振動有明顯隔振效果，并且距地下連續(xù)墻越近，隔振效果越好。張曉鑫［5］通過仿真分析得出，地下連續(xù)墻對基坑底部的隔振效果約為1 dB。王通等［6］通過模型試驗(yàn)研究了不同激振頻率下地下連續(xù)墻對不同深度土體的隔振效果，結(jié)果表明增大隔振屏障的寬度可有效提升隔振效果。

在地下連續(xù)墻對建筑的隔振方面，尚無相關(guān)研究，既有研究中只考慮了地下連續(xù)墻，未考慮不同回填材料的影響，而回填材料類型對振動傳播有較大影響［7-8］。本文以鄰近地鐵的某新建大型公共建筑為工程背景，通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬，分析基坑支護(hù)屏障對建筑的隔振效果。

1 工程概況

某新建大型公共建筑工程位于深圳市福田區(qū)，南鄰深南大道，西鄰香蜜湖路，總建筑面積63 920 m2。該建筑具備藝術(shù)品館藏、展出、拍賣和舉辦大型國際會議等功能，對環(huán)境振動與噪聲有較高要求。

該公共建筑為地下3 層、地上3 層的框架結(jié)構(gòu)，層高6 m，立柱橫向間距7 m，縱向間距10 m。樓頂、樓板、建筑外墻厚度均為20 cm。地下室底板、外墻厚度均為70 cm。建筑采用鉆孔樁基礎(chǔ)，鉆孔樁直徑1 m，入巖深度2 m。建筑深基坑采用地下連續(xù)墻支護(hù)，地下連續(xù)墻厚1.2 m，地下連續(xù)墻底較地下室底板深8 m，距地下室外墻1.5 m。該大型公共建筑的結(jié)構(gòu)及所處地層見圖1。

圖1 大型公共建筑的結(jié)構(gòu)及所處地層（單位：m）

地鐵雙線隧道從該建筑南側(cè)穿過，左線距建筑最南端25 m。隧道雙線間距13 m，埋深13 m，采用普通混凝土整體道床和非減振扣件，扣件間距0.6 m。地鐵運(yùn)行車輛為A 型車，列車軸距2.5 m，行車速度為100 km/h。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與參數(shù)確定

基于有限元方法和車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，建立車輛-軌道-隧道-大地-建筑系統(tǒng)動力學(xué)模型，見圖2。車輛采用多剛體模型，按雙線會車最不利工況計算。為減小邊界處機(jī)械波的反射，土體邊界處設(shè)置黏彈性人工邊界［9］。

圖2 系統(tǒng)動力學(xué)模型

巖土參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報告確定，見表1。建筑參數(shù)根據(jù)建筑設(shè)計報告確定，見表2。

表1 巖土參數(shù)

表2 建筑參數(shù)

JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定地下連續(xù)墻與建筑間需采用素混凝土、級配碎石、素填土或灰土回填?；彝僚c素填土的動態(tài)彈性模量十分接近［10］，因此本文不分析回填灰土工況?；靥畈牧蠀?shù)：素填土參數(shù)參見表1；素混凝土參數(shù)同樓板；級配碎石的密度為2 100 kg/m3，動態(tài)彈性模量為500 MPa，動態(tài)泊松比為0.21［11］。

2.2 評價指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)HJ 453—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》和GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》，采用最大Z振級對隧道壁與地面振動大小進(jìn)行評價。

2.3 模型驗(yàn)證

對工程附近地鐵隧道壁振動和地面振動進(jìn)行測試。隧道壁測點(diǎn)位于軌面上方1.25 m，地面測點(diǎn)分別距地鐵4.5、7.5、15.0、30.0 m處。

隧道壁與地面振動的最大Z振級實(shí)測值與數(shù)值模擬值對比見圖3?？芍孩偎淼辣谧畲骦 振級的實(shí)測值與數(shù)值模擬值僅相差0.4 dB；②地面最大Z 振級的實(shí)測值與數(shù)值模擬值也較接近，距地鐵左線隧道中線4.5 m 處兩者相差0.8 dB，其他位置兩者相差也不超過2.2 dB。這表明模型參數(shù)選取合理。

圖3 隧道壁與地面振動的最大Z 振級實(shí)測值與數(shù)值模擬值對比

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 無基坑支護(hù)屏障時建筑的振動

地鐵引起的建筑振動較復(fù)雜，以靠近地鐵的建筑地下室拐角處為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，參見圖2。無基坑支護(hù)屏障時地下3層樓板最大Z振級見圖4。

圖4 無基坑支護(hù)屏障時地下3層樓板最大Z振級

由圖4可知，建筑靠近地鐵側(cè)的樓板（圖中虛線框區(qū)域）振動最大。

提取每一層樓板靠近地鐵側(cè)跨中節(jié)點(diǎn)（參見圖2中黑色圓點(diǎn)）最大Z 振級的平均值進(jìn)行分析。無基坑支護(hù)屏障時不同樓層樓板最大Z振級見圖5。

圖5 無基坑支護(hù)屏障時不同樓層樓板最大Z振級

由圖5 可知：①地下3 層最大Z 振級最大，隨著樓層增高，樓板最大Z振級并非單調(diào)遞減；②與地上樓層相比，地下樓層最大Z 振級變化較大，變化幅度達(dá)到12 dB，地上樓層最大Z振級變化幅度約為3 dB。

不同樓層樓板最大Z 振級對應(yīng)的分頻振級見圖6?？芍孩俨煌瑯菍訕前逭駝宇l域特征不同。地下3 層樓板在頻率20 ～ 25 Hz 及50 Hz 處分頻振級較大，頻率25 Hz處分頻振級（61 dB）最大；與地下3層相比，地下1、2 層樓板在頻率20 Hz 以上的振動大幅減小，頻率20 Hz以下的振動小幅增加，分頻振級在頻率10 ～ 12.5 Hz和20 ～ 31.5 Hz頻段較大。②與地下樓層相比，地上樓層在頻率12.5 Hz 以下的振動變化不大，頻率12.5 Hz以上的振動有所減小，頻率12.5 Hz處分頻振級較大。

圖6 不同樓層樓板對應(yīng)的分頻振級

2.4.2 有無基坑支護(hù)屏障時建筑振動對比

地下連續(xù)墻后回填素混凝土與無基坑支護(hù)屏障時各樓層樓板最大Z 振級對比見圖7。可知：①地下連續(xù)墻后回填素混凝土?xí)r，地下3 層樓板最大Z 振級最大，其值為61.0 dB，從地下2 層到地上3 層樓板最大Z 振級都在50 dB 左右；②地下連續(xù)墻后回填素混凝土對地下樓層的隔振效果較好，在4.5 ～ 6.5 dB，而對地上樓層的隔振效果較差，對地上1 層的隔振效果約3.0 dB，對地上2 層與地上3 層的隔振效果約0.4 dB。

圖7 有無基坑支護(hù)屏障時各樓層樓板最大Z振級對比

地下連續(xù)墻后回填素混凝土與無基坑支護(hù)屏障時各樓層樓板分頻振級對比見圖8。

圖8 有無基坑支護(hù)屏障時各樓層樓板分頻振級對比

由圖8 可知：①地下樓層樓板在10 ～ 50 Hz頻段分頻振級較大，地下連續(xù)墻后回填素混凝土?xí)r該頻段各樓層樓板振級均比無基坑支護(hù)屏障時小，因此對地下樓層的隔振效果較好；②對于地上樓層，地下連續(xù)墻后回填素混凝土能夠減小10 ～ 20 Hz 頻段樓板振動，但會放大20 ～ 40 Hz 頻段樓板振動。因此，對地下樓層的隔振效果比地上樓層好。

2.4.3 回填材料對建筑振動的影響

不同回填材料振動傳播與衰減特性不同，回填材料類型直接影響建筑振動。地下連續(xù)墻后分別采用素混凝土、級配碎石和素填土回填，對樓板振動進(jìn)行分析。

墻后回填不同材料與無基坑支護(hù)屏障時各樓層樓板最大Z 振級對比見圖9?？芍孩倩靥罴壟渌槭瘯r各樓層樓板振動均小于無基坑支護(hù)屏障時，隔振效果在1 ～ 4 dB，地上2 層與3 層處隔振效果好于回填素混凝土?xí)r；②回填素填土?xí)r，從地下3 層到地上1 層處基坑支護(hù)屏障能夠起到隔振作用，地下3 層處隔振效果為4.1 dB，地上1 層處減小為0.3 dB，地上2 層和3 層處無隔振效果，地上2 層樓板振動反而增大了0.9 dB 左右；③從地下3 層至地上1 層回填素混凝土?xí)r隔振效果最好，地上2 層、3 層回填級配碎石時隔振效果最好。

圖9 墻后回填不同材料與無基坑支護(hù)屏障時各樓層樓板最大Z振級對比

回填不同材料時各樓層樓板分頻振級對比見圖10。可知：①回填不同材料時，地下3層樓板振動主頻為50 Hz，地下2 層樓板振動主頻為12.5 Hz。從地下1 層到地上2 層，回填級配碎石時樓板振動主頻與回填素混凝土、素填土?xí)r不同，回填級配碎石時振動主頻為20 ～ 25 Hz，回填素混凝土和素填土?xí)r振動主頻為12.5 Hz。地上3層處，回填不同材料時樓板振動主頻不同，回填素混凝土、級配碎石和素填土?xí)r，樓板振動主頻分別為31.5、20和12.5 Hz。②對于地下樓層，回填級配碎石和素填土?xí)r樓板分頻振級大于回填素混凝土?xí)r，回填素混凝土?xí)r隔振效果最好。對于地上樓層，與回填素混凝土?xí)r相比，回填級配碎石會放大20.0 ～ 25 Hz 頻段樓板振動，回填素填土能夠放大10.0 ～ 12.5 Hz 頻段，降低20.0 ～ 40.0 Hz 頻段樓板振動，在其他頻段回填三種材料時樓板振動接近，或回填素混凝土?xí)r樓板振動更大。由以上分析可知，回填材料的類型會影響各樓層樓板振動主頻和分頻振級，進(jìn)而影響不同樓層隔振效果。

圖10 回填不同材料時各樓層樓板分頻振級對比

3 結(jié)論與建議

1）無基坑支護(hù)屏障時，隨著樓層增高，樓板最大Z振級并非單調(diào)遞減。地下樓層在頻率10 ～ 12.5、20 ～31.5、50 Hz 處分頻振級較大，地上樓層在頻率12.5 Hz處分頻振級較大。

2）地下連續(xù)墻后回填素混凝土?xí)p小地下樓層樓板10 ～ 50 Hz頻段的振動，隔振效果在4.5 ～ 6.5 dB。地下連續(xù)墻后回填素混凝土?xí)p小地上樓層樓板10 ～ 20 Hz 頻段的振動，但會放大20 ～ 40 Hz 頻段的振動，對地上樓層隔振效果較差。

3）回填材料的類型能夠影響樓板振動主頻和分頻振級，進(jìn)而影響不同樓層隔振效果。從地下3 層至地上1層，三種回填材料均能起到隔振作用，回填素混凝土?xí)r隔振效果最好；對于地上2層、3層，回填級配碎石時隔振效果最好，回填素填土?xí)r無隔振效果。

4）工程建設(shè)中應(yīng)針對建筑結(jié)構(gòu)和場地特征選取適宜的回填材料。由于所研究的大型公共建筑振動敏感區(qū)位于地下樓層，因此建議該工程回填素混凝土。