宋瑞祥，张学刚，孙国栋，张 璋，王 亮

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054； 2.中国金茂北京公司，北京 100020）

随着我国城市化进程不断推进，可利用土地资源越来越匮乏，轨道交通车站、车辆段上盖及沿线物业发展迅猛[1]。轨道交通虽然方便了人们日常出行，其产生的振动与噪声污染问题也越来越受到重视。其中地面及高架线路主要以噪声为主要污染源，地下线路则以振动及二次结构噪声为主。统计表明，在一些地区轨道交通引起的振动已成为公众最为敏感的环境振动源之一[2]。可见对处于高振动区域的敏感建筑采取振动治理措施，创造安宁舒适居住环境显得十分必要。针对轨道交通的减振降噪措施研究亦成为当前研究的热点问题。

1 轨道交通减隔振措施概述

1.1 轨道振源减振

为了降低列车轮轨间辐射出的振动，最为直接有效的方法是采用特殊的振源减振措施。国内外实践经验表明，采用改进的车辆系统[3]，定期打磨钢轨[1,4]，安装特殊的减振扣件、轨枕[5–7]；设置浮置板道床[8]等均能有效降低轮轨相互作用，从源头上主动降低辐射的振动及二次结构噪声。

1.2 传播途径控制措施

当主动减振措施不足以满足要求时，于振源及保护对象之间设置沟、墙、排桩等人工屏障称为隔振屏障技术。该措施通过改变振动波在介质中传递的反射、散射及衍射，阻隔或削弱振动在传播途径上的能量。

屏障设置靠近振源时，直接屏蔽由振源向外传递的波动能量。对于地面或埋深较浅的振源，理论上较浅屏障即可起到隔振作用；而远场被动隔振设置在靠近建筑物一侧，需埋深更深方能有效隔离传递至建筑物的振动。有研究表明隔振沟深度对隔振效率影响最大，其次是位置和宽度[9]。

1.3 建筑物自身防护

当以上措施无法实施时，一般考虑对受振体自身采取隔振防护设计。建筑结构对振源辐射的环境振动的敏感度与其基础类型及结构形式密切相关。质量大、基础刚度大的结构对振动衰减有利，受振动影响较小。由于地下轨道交通振源由土壤传递至建筑基础，对基础作特殊隔振设计可有效地改变其固有频率，加速衰减传递至上部结构的振动能量。

受振体自身防护措施根据保护范围不同一般分为两大类：一类是制作室内减振楼板或铺设隔振层，调整楼板自振频率。一般应用于放置精密仪器或对隔振有特殊要求的房间；另一类为在基底或基础竖向构件顶部设置阻尼单元，如柔性垫或弹簧隔振支座等，对建筑基础隔离区进行整体隔振；本文主要讨论建筑隔振基础措施的适用性。

2 建筑隔振基础

2.1 基底铺设减振垫

在建筑基础底面及侧面设置聚氨酯或类似弹性减振材料可一定程度上阻隔振动传播路径，减弱振动对上部结构的影响。此类措施根据铺设方式不同大致分为满铺、线铺、点铺及建筑结构内弹性隔离等形式，对结构设计的影响主要分为以下两方面：

（1）基坑工程

基底减振垫方案中，因为侧垫铺设的需要，基坑需要比基底略大，需留出至少一人作业空间。侧板规格一般为1.5 m左右。

（2）基础及上部结构

为了满足承载力要求，垫材强度应达到或高于相应区域抗力值要求，否则将对地基及结构竖向承载力产生不利作用。铺设后相当于底板下方垫材厚度增加。已有国外案例表明此类措施对结构安全及设计成本基本无影响。但应考虑弹性垫材的变形问题，验算铺设后结构变形是否满足有关要求。

2.2 安装钢弹簧隔振支座

弹簧整体隔振通过在振动传递主要途径上的结构构件处设置钢弹簧隔振器，使振动波向建筑物的传递得到有效隔离，降低建筑物整体振动响应，并将振动控制大部分人可接受的感知值以下，满足人居振动舒适度要求。

弹簧隔振方案用于多层建筑的基础隔振已相对成熟，实测表明其能取得较好的减振降噪效果。但由于对基础采用钢弹簧系统隔离后需结构设计专业深入配合并进行相应调整，使得隔离区、非隔离区结构设计仍能满足相关规范要求，势必会增加设计难度与成本。一般而言，钢弹簧基础隔振方案需结构配合的项包括但不限于：

（1）对建筑物高度的影响

若采取的减振方案将弹簧设在地下某层，则该层以上部分与主体结构设缝脱开，结构计算高度亦应从该层算起，将可能导致原多层建筑按高层建筑考虑，从而导致结构抗震等级提升，内力调整系数增加，地震水平剪力及弯矩增大。

（2）变形缝处特殊处理

结构设缝断开后需设置双柱、双梁，且考虑段开处水平无侧限问题。结构设计可能需进行超限审查，增加设计成本周期。

（3）挡土墙厚度变化

由于减振弹簧在主体结构地下部分设结构缝，原挡土外墙将成为悬臂结构。由于与地铁隧道相邻，根据安评要求，增加挡土墙变形控制难度。

（4）基础开挖深度的影响

由于基坑开挖深度受安评限制，基础埋深若从地下部分起算，仍需满足规范最小埋深要求，从而可能导致基坑深度超挖。

3 基础隔振在实际工程中的应用

3.1 减振垫应用

德国慕尼黑Panorama Towers，基底满铺18 mm厚，对安装/未安装减振垫进行实测，弹性垫固有频率16 Hz，实测对20 Hz以上隔振效果明显，40 Hz处基底铅垂振动插入损失8 dB[10]；奥地利Linz大剧院隔振项目采用聚氨酯材料铺设于基底构件进行整体隔振，实测表明隔离后建筑振动控制在要求限值以下[11]；莫斯科某17层办公大楼采用条铺式隔振方案（38 mm厚）对不同楼层振动进行实测。实测振动平均减少20 dB，6层以上减少10 dB[12]。

3.2 钢弹簧隔振支座应用

钢弹簧支座主频一般可达3 Hz～5 Hz，隔振频率范围较宽，安装及后期维护方便，在国内外中低层建筑隔振领域应用广泛。

如图1所示，上海交响乐团排练厅采用钢弹簧隔振支座后，仿真结果表明看台区振动较未隔振平均下降8.5 dB，为70.5 dB；最大值下降15 dB，为73.2 dB[13]；

图1 上海某交响乐团排练厅钢弹簧隔振支座案例

香港葵青剧院采用弹簧隔振装置来隔离铁路列车通过时车轮与不平顺的轨道撞击而引起的振动。该剧院设计2 000座，荷载30 000 t，弹簧系统固有频率3.5 Hz，经检测其隔振性能良好，达到了预期效果[14]。此外，英国曼彻斯特音乐厅设计2 400座，位于火车线路旁，荷载30 000 t，弹簧系统固有频率3.5 Hz[15]；法国巴黎机场喜来登大酒店，设计荷载28 000 t，隔振频率为 3.5 Hz[16]。

4 某邻近地铁大型混合地块隔振需求

本节以北京地区某邻近地铁线路大型住宅-商用混合地块为例，分析两种不同基础隔振措施的适用性。

4.1 工程概况

如图3所示，北京某混合地块拟建8栋建筑。大部分建筑地下部分互联互通，且采用共用基础结构，结构基本信息如表1所示。

开发地块西侧主干路下方有已运营地铁线路经过。该线路于2010年通车运营，含正线（上、下行）及出入段线（上、下行）4条轨道。其中，正线、出入段线均由北向南敷设，且出入段线在地块南部逐渐向东偏移。地铁线路与项目拟开发建筑位置关系如表2及图2所示。

表1 拟建建筑基本信息一览表

表2 敏感建筑与轨道振源位置关系

1）为建筑结构外轮廓线至地铁线路外轨中心线距离，下同。

图2 拟建敏感建筑物与地铁线路位置关系平面图

该地铁线路是一条中等运量的独立运营线路，全长23.25 km，设车站14座，在本地块用地范围内均为地下线。起点（本项目附近）及终点分别设置停车场及车辆段。采用国标B型车6辆编组，正线列车通过本地块平均车速约40 km/h。投稿时，出入段线结构及轨道已建设完毕但尚未启用，根据有关资料其时速约25 km/h～30 km/h；项目范围内正线及出入段线铺设60 kg/m钢轨，普通道床区段扣件为弹条Ⅰ型。目前正线运营时间为6:00－22:00，列车运行高峰间隔为5′0″，平峰9′30″。

图2及表3为线路源强已实施减振措施区间。红色部分铺设钢弹簧浮置板道床；绿色为轨道减振器（“科隆蛋”）；紫色部分为无措施普通道床。

表3 已实施轨道（振源）减振措施

需注意的是，本项目在正线K0+450（出入段线CHK0+250）以北无源强减振措施，正好对应本项目3#、4#楼拟建位置附近。已有环评预测分析指出，地铁列车通过时将对地块多栋建筑产生一定振动影响。

4.2 场地环境振动现状实测

为充分了解地铁振源传播规律，对列车振动源强及其影响下拟建建筑附近场地土的振动情况进行了实测。现场测试时地铁正线已投入运营，但出入段线尚无列车开行。本次测试工作的隧道内实测主要针对正线开展；同时根据建筑设计资料划出地面各地块建筑楼前0.5 m处测点同期监测，以了解振动源强频谱特性并反映列车通过时场地土振动衰减规律。

以ZK0+477里程测试断面为例，为其在场地中的平面位置及隧道内测点位置如图3所示。场地测点D5-2至D5-6距振源隧道壁水平距离依次为：24 m、46 m、75 m、104 m及140 m。

图3 场地振动实测测点分布示意图

该断面对应线路振源采用轨道减振器减振措施，无弯道，采用明挖法施工，矩形三洞单线形式，隧道结构上部设有结构隔墙。正线列车运行至此时车速约53 km/h。取某列车通过时隧道壁测点（D5-1）振动的典型时域波形及1/3倍频程如图4所示，得知隧道壁振动主频为40 Hz。

统计连续20列车通过时隧道内及地表测点的最大Z振级情况于表4及图5，可知测点振动水平随距离增加呈衰减趋势。

进一步观察各敏感建筑楼前测点，4#住宅楼邻近正线一侧楼前测点在20列车通过的情况下最大Z振级VLZmax平均61.6 dB，最大值63.2 dB；6#楼测点平均值62.1 dB，最大值67.1 dB；7#楼平均值64.5 dB；最大值70.5 dB。可见，受正线左线运行影响，部分列车通过工况下有敏感建筑楼前环境振动值已超过国家规范限值。

4.3 拟建建筑本体受环境振动影响预测

城市轨道交通产生、传播振动的机理及影响因素复杂多样。为了尽量保证预测结果的可信度，本项目根据现场实测数据、选用地标模型计算公式[17]、数值仿真等三种手段预测地块敏感建筑物受地铁环境振动影响的具体情况。将预测结果与国标[18]进行比较，结果如表5所示。

图4 ZK0+477断面隧道壁典型单趟列车时域波形和1/3倍频程

表4 连续20列车通过时隧道内及场地土测点最大Z振级

图5 ZK0+477断面最大Z振级衰减规律(近轨20列车平均)

根据对地铁振源、振动传播途径及建筑结构的具体分析，预测结果表明，部分敏感建筑受邻近地铁线路环境振动已超过相关限值，应采取必要的隔振措施。

5 基础隔振技术可行性分析

5.1 减振垫方案应用分析

根据项目实际情况，可采用条式和点式支撑相结合的方式在地下一层墙柱顶部安装聚氨酯柔性材料。其中柱顶采用点式支撑，墙顶采用条式材料支撑，厚度37.5 mm，长度和宽度依照结构进行调整，强度根据墙柱轴力图进行计算。同时，为保证弹性材料充分发挥作用，应避免固体传声出现，在建筑周围设缝，并用弹性材料进行填充。在覆土与窗井侧墙之间铺设侧面垫板，一方面可弹性隔振，同时对横向力具有约束作用。隔振垫材布置如图6所示，铺设总面积约592 m2。

表5 连续20列车通过时建筑物测点最大Z振级

图6 减振垫方案（条铺）示意图

经计算，聚氨酯柔性垫材方案的隔振效率（传递函数）如图7所示。该方案可将4#楼铅垂向固有频率控制在12 Hz左右，对20 Hz以上频率振动能起到有效隔减作用。

5.2 钢弹簧方案应用分析

图7 聚氨酯垫材振动传递函数

钢弹簧隔振支座方案在既有地铁隔振案例中已取得较明显效果。针对4#住宅楼使用功能要求，如图8所示，钢弹簧支座隔振层设于负3层顶部，含部分地下结构。隔离区与非隔离区结构脱开，且水平设置不小于100 mm变形缝。支座基本参数为：隔振系统折算质量11 099 t，竖向支承刚度5 438.6 kN/mm。

图8 4#楼地下室弹簧隔振方案示意

按上述参数针对4#楼隔离区进行仿真建模，输入地铁振动传递至支座处的振动加速度，并进行有限元分析发现：安装弹簧隔振器后，支座系统固有频率降低至3 Hz～4 Hz。各楼层测点振级为57 dB～62 dB之间，基本达到夜间振动限值要求。在此基础上，利用导则[19]模型对结构辐射二次噪声进行估算，结果为29 dB(A)～32 dB(A)，亦满足限值要求。

需注意的是，采用减振弹簧方案将对结构设计带来一定影响。由于隔离区设在地下-4层，-3层及以上计入建筑高度，导致4#楼由原来的19.05 m增加为28 m，成为高层住宅建筑，抗震等级剪力墙提高为一级，框架提高为二级，建筑材料成本将相应增加。同时，地下结构设置隔离区可能使结构需要进行超限审查或进行性能化设计，这些都将带来结构设计的额外成本。

5.3 经济指标分析

由分析表明，采用两种不同的建筑基础防护方案均可有效隔离振动传递至上部结构。进一步对比两种措施经济指标，减振垫方案需铺设面积约592 m2，按每平米2 700元估算，总费用约160万元；弹簧支座方案主要考虑建筑竖向荷载，4#楼恒载3 808 t，活载533 t，共计3 968 t（恒载+0.3倍活载）；按单价400元/t考虑，该措施总费用约159万元。与减振垫方案较为接近。需要说明的是，以上费用为包含设计、材料、安装调试及质保等项目的总费用。

6 结语

本文讨论了两种不同建筑隔振基础措施在地铁周边项目开发中的应用，从工程应用角度介绍了措施材料、减振效率及施工流程。以北京已运营地铁周边某项目开发为案例，探讨了建筑隔振基础措施的可实施方案。根据现场实测数据，评价措施实施后的隔振效果、经济指标及其对常规结构设计的影响。分析表明，柔性减振垫及钢弹簧支座均能有效隔离轨道振源传递至敏感建筑的振动水平，使其降低至有关规范要求限值以下。两者经济指标接近，钢弹簧支座固有频率更低，但其对结构、基坑等其他专业的影响将增加设计难度，产生额外成本，建议在对局部隔振有较高要求的情况下考虑；柔性减振垫除基底沉降需满足要求外对其他专业影响较小，整体性好，且结构形式适用性更广，适合一般基底隔振工程应用。