基坑支护屏障对地铁列车引起的建筑振动隔离效果.pdf

第 63 卷 第 10 期2023 年10 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.10October 2023文章编号：10031995（2023）10009705基坑支护屏障对地铁列车引起的建筑振动隔离效果周谦1 刘玉涛2 闫晓夏2 刘秀波11.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2.铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东 深圳 518000摘要 基坑地下连续墙与回填材料构成一道隔振屏障。本文通过建立车辆-轨道-隧道-大地-建筑系统动力学模型，研究有无基坑支护屏障和采用不同回填材料时隔振屏障对地铁列车引起的建筑振动的隔离效果。结果表明：基坑支护屏障对不同楼层、不同频段振动的隔离效果不同，对地下楼层隔振效果较好，而对地上楼层隔振效果较差；回填材料类型会影响楼板振动主频和分频振级，进而影响对不同楼层的隔振效果。工程建设中应针对建筑结构和场地特征选取适宜的回填材料。关键词 地铁；基坑支护屏障；数值模拟；地下连续墙；回填材料；建筑振动；隔振效果中图分类号 U455.4；TV551.4 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.10.18引用格式：周谦，刘玉涛，闫晓夏，等.基坑支护屏障对地铁列车引起的建筑振动隔离效果 J.铁道建筑，2023，63（10）：97101.大型建筑都会涉及深基坑的开挖与支护。由于基坑地下连续墙能兼顾截水、防渗等功能，在地下车站、大型公用建筑中大量应用1-2。基坑地下连续墙与回填材料构成一道隔振屏障，能够阻隔振动的传播。基坑支护屏障属于刚性连续屏障，与连续混凝土排桩、混凝土填充沟等普通刚性连续屏障不同。普通刚性连续屏障一般距建筑有一定距离，并且屏障两侧均为土体。基坑支护屏障的一侧为土体，另一侧紧贴建筑结构。目前，针对基坑支护屏障的隔振研究主要集中在地下连续墙对土体的隔振方面。楼梦麟等3对地面振动进行测试，发现地下连续墙对地面水平振动有隔振效果，对地面垂向振动无隔振效果。李宁4对设置地下连续墙前后同一时间段、相同测点的地面振动进行测试，发现地下连续墙对远离地铁一侧的地面振动有明显隔振效果，并且距地下连续墙越近，隔振效果越好。张晓鑫5通过仿真分析得出，地下连续墙对基坑底部的隔振效果约为1 dB。王通等6通过模型试验研究了不同激振频率下地下连续墙对不同深度土体的隔振效果，结果表明增大隔振屏障的宽度可有效提升隔振效果。在地下连续墙对建筑的隔振方面，尚无相关研究，既有研究中只考虑了地下连续墙，未考虑不同回填材料的影响，而回填材料类型对振动传播有较大影响7-8。本文以邻近地铁的某新建大型公共建筑为工程背景，通过现场实测和数值模拟，分析基坑支护屏障对建筑的隔振效果。1 工程概况 某新建大型公共建筑工程位于深圳市福田区，南邻深南大道，西邻香蜜湖路，总建筑面积 63 920 m2。该建筑具备艺术品馆藏、展出、拍卖和举办大型国际会议等功能，对环境振动与噪声有较高要求。该公共建筑为地下3层、地上3层的框架结构，层高 6 m，立柱横向间距 7 m，纵向间距 10 m。楼顶、楼板、建筑外墙厚度均为20 cm。地下室底板、外墙厚度均为70 cm。建筑采用钻孔桩基础，钻孔桩直径1 m，入岩深度2 m。建筑深基坑采用地下连续墙支护，地下连续墙厚 1.2 m，地下连续墙底较地下室底板深8 m，距地下室外墙1.5 m。该大型公共建筑的结构及所处地层见图1。地铁双线隧道从该建筑南侧穿过，左线距建筑最南端25 m。隧道双线间距13 m，埋深13 m，采用普通收稿日期：20230309；修回日期：20230720基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司基金（2022YJ280）；广东省住房和城乡建设厅研究开发项目(2021-K35-115943)第一作者：周谦(1989 )，男，助理研究员，硕士。E-mail：qianzhou_通信作者：刘玉涛(1988)，男，副研究员，博士。E-mail：铁道建筑第 63 卷混凝土整体道床和非减振扣件，扣件间距0.6 m。地铁运行车辆为 A 型车，列车轴距 2.5 m，行车速度为100 km/h。2 数值模拟 2.1模型建立与参数确定基于有限元方法和车辆-轨道耦合动力学理论，建立车辆-轨道-隧道-大地-建筑系统动力学模型，见图2。车辆采用多刚体模型，按双线会车最不利工况计算。为减小边界处机械波的反射，土体边界处设置黏弹性人工边界9。岩土参数根据地质勘察报告确定，见表1。建筑参数根据建筑设计报告确定，见表2。JGJ 942008 建筑桩基技术规范 规定地下连续墙与建筑间需采用素混凝土、级配碎石、素填土或灰土回填。灰土与素填土的动态弹性模量十分接近10，因此本文不分析回填灰土工况。回填材料参数：素填土参数参见表1；素混凝土参数同楼板；级配碎石的密度为2 100 kg/m3，动态弹性模量为500 MPa，动态泊松比为0.2111。2.2评价指标和标准依据HJ 4532018 环境影响评价技术导则 城市轨道交通 和GB 100711988 城市区域环境振动测量方法，采用最大Z振级对隧道壁与地面振动大小进行评价。2.3模型验证对工程附近地铁隧道壁振动和地面振动进行测试。隧道壁测点位于轨面上方1.25 m，地面测点分别距地铁4.5、7.5、15.0、30.0 m处。隧道壁与地面振动的最大Z振级实测值与数值模拟值对比见图3。可知：隧道壁最大Z振级的实测值与数值模拟值仅相差0.4 dB；地面最大Z振级的实测值与数值模拟值也较接近，距地铁左线隧道中线4.5 m处两者相差0.8 dB，其他位置两者相差也不超过2.2 dB。这表明模型参数选取合理。2.4计算结果分析2.4.1无基坑支护屏障时建筑的振动地铁引起的建筑振动较复杂，以靠近地铁的建筑地下室拐角处为坐标原点建立直角坐标系，参见图2。无基坑支护屏障时地下3层楼板最大Z振级见图4。图4无基坑支护屏障时地下3层楼板最大Z振级图2系统动力学模型表1岩土参数岩性素填土粉质黏土砾质黏土全风化花岗岩强风化花岗岩中风化花岗岩厚度4.84.05.07.010.010.0密度/（kgm-3）1 8201 8201 8301 8502 1002 550动态弹性模量/MPa1292073345589773 500动态泊松比0.350.340.330.320.300.26表2建筑参数结构名称梁、柱楼板、外墙、钻孔桩密度/（kgm-3）2 5002 500动态弹性模量/MPa34 50030 000动态泊松比0.210.22图3隧道壁与地面振动的最大Z振级实测值与数值模拟值对比图1大型公共建筑的结构及所处地层（单位：m）98第 10 期周谦等：基坑支护屏障对地铁列车引起的建筑振动隔离效果由图4可知，建筑靠近地铁侧的楼板（图中虚线框区域）振动最大。提取每一层楼板靠近地铁侧跨中节点（参见图2中黑色圆点）最大Z振级的平均值进行分析。无基坑支护屏障时不同楼层楼板最大Z振级见图5。由图5可知：地下3层最大Z振级最大，随着楼层增高，楼板最大Z振级并非单调递减；与地上楼层相比，地下楼层最大Z振级变化较大，变化幅度达到12 dB，地上楼层最大Z振级变化幅度约为3 dB。不同楼层楼板最大 Z 振级对应的分频振级见图6。可知：不同楼层楼板振动频域特征不同。地下 3层楼板在频率 20 25 Hz及 50 Hz处分频振级较大，频率25 Hz处分频振级（61 dB）最大；与地下3层相比，地下1、2层楼板在频率20 Hz以上的振动大幅减小，频率20 Hz以下的振动小幅增加，分频振级在频率10 12.5 Hz和20 31.5 Hz频段较大。与地下楼层相比，地上楼层在频率12.5 Hz以下的振动变化不大，频率12.5 Hz以上的振动有所减小，频率12.5 Hz处分频振级较大。2.4.2有无基坑支护屏障时建筑振动对比地下连续墙后回填素混凝土与无基坑支护屏障时各楼层楼板最大Z振级对比见图7。可知：地下连续墙后回填素混凝土时，地下3层楼板最大Z振级最大，其值为61.0 dB，从地下2层到地上3层楼板最大Z振级都在50 dB左右；地下连续墙后回填素混凝土对地下楼层的隔振效果较好，在4.5 6.5 dB，而对地上楼层的隔振效果较差，对地上 1 层的隔振效果约 3.0 dB，对地上 2 层与地上 3 层的隔振效果约0.4 dB。地下连续墙后回填素混凝土与无基坑支护屏障时各楼层楼板分频振级对比见图8。由图8可知：地下楼层楼板在10 50 Hz频段分频振级较大，地下连续墙后回填素混凝土时该频段各楼层楼板振级均比无基坑支护屏障时小，因此对地下楼层的隔振效果较好；对于地上楼层，地下连续墙后回填素混凝土能够减小10 20 Hz频段楼板振动，但会放大20 40 Hz频段楼板振动。因此，对地下楼图5无基坑支护屏障时不同楼层楼板最大Z振级图6不同楼层楼板对应的分频振级图7有无基坑支护屏障时各楼层楼板最大Z振级对比图8有无基坑支护屏障时各楼层楼板分频振级对比99铁道建筑第 63 卷层的隔振效果比地上楼层好。2.4.3回填材料对建筑振动的影响不同回填材料振动传播与衰减特性不同，回填材料类型直接影响建筑振动。地下连续墙后分别采用素混凝土、级配碎石和素填土回填，对楼板振动进行分析。墙后回填不同材料与无基坑支护屏障时各楼层楼板最大Z振级对比见图9。可知：回填级配碎石时各楼层楼板振动均小于无基坑支护屏障时，隔振效果在1 4 dB，地上2层与3层处隔振效果好于回填素混凝土时；回填素填土时，从地下3层到地上1层处基坑支护屏障能够起到隔振作用，地下3层处隔振效果为 4.1 dB，地上 1 层处减小为 0.3 dB，地上 2 层和3 层处无隔振效果，地上 2 层楼板振动反而增大了0.9 dB左右；从地下3层至地上1层回填素混凝土时隔振效果最好，地上2层、3层回填级配碎石时隔振效果最好。回填不同材料时各楼层楼板分频振级对比见图10。可知：回填不同材料时，地下3层楼板振动主频为50 Hz，地下2层楼板振动主频为12.5 Hz。从地下1层到地上2层，回填级配碎石时楼板振动主频与回填素混凝土、素填土时不同，回填级配碎石时振动主频为20 25 Hz，回填素混凝土和素填土时振动主频为12.5 Hz。地上3层处，回填不同材料时楼板振动主频不同，回填素混凝土、级配碎石和素填土时，楼板振动主频分别为31.5、20和12.5 Hz。对于地下楼层，回填级配碎石和素填土时楼板分频振级大于回填素混凝土时，回填素混凝土时隔振效果最好。对于地上楼层，与回填素混凝土时相比，回填级配碎石会放大20.0 25 Hz 频段楼板振动，回填素填土能够放大10.0 12.5 Hz频段，降低20.0 40.0 Hz频段楼板振动，在其他频段回填三种材料时楼板振动接近，或回填素混凝土时楼板振动更大。由以上分析可知，回填材料的类型会影响各楼层楼板振动主频和分频振级，进而影响不同楼层隔振效果。3 结论与建议 1）无基坑支护屏障时，随着楼层增高，楼板最大Z振级并非单调递减。地下楼层在频率10 12.5、20 31.5、50 Hz 处 分 频 振 级 较 大，地 上 楼 层 在 频 率12.5 Hz处分频振级较大。2）地下连续墙后回填素混凝土会减小地下楼层楼板10 50 Hz频段的振动，隔振效果在4.5 6.5 dB。地下连续墙后回填素混凝土会减小地上楼层楼板10 20 Hz频段的振动，但会放大20 40 Hz频段的振动，对地上楼层隔振效果较差。3）回填材料的类型能够影响楼板振动主频和分频振级，进而影响不同楼层隔振效果。从地下3层至地上1层，三种回填材料均能起到隔振作用，回填素混凝土时隔振效果最好；对于地上2层、3层，回填级配碎石时隔振效果最好，回填素填土时无隔振效果。4）工程建设中应针对建筑结构和场地特征选取适宜的回填材料。由于所研究的大型公共建筑振动敏感区位于地下楼层，因此建议该工程回填素混凝土。图10回填不同材料时各楼层楼板分频振级对比图9墙后回填不同材料与无基坑支护屏障时各楼层楼板最大Z振级对比100第 10 期周谦等：基坑支护屏障对地铁列车引起的建筑振动隔离效果参考文献1 年延凯，孙旻.深基坑支护设计与施工新技术 M.北京：中国建筑工业出版社，2016：5-6.2 尉胜伟.复杂地质条件下超深基坑地连墙成槽施工技术研究 J.铁道建筑，2010，50（12）：51-54.3 楼梦麟，贾宝印，宗刚，等.混凝土连续墙隔振后建筑结构的地铁振动实测与分析 J.华南理工大学学报（自然科学版），2013，41（3）：50-62.4 李宁.地铁振动的地下连续墙隔振实测分析 J.山西建筑，2016，42（18）：51-53.5 张晓鑫.地铁振动作用下地下连续墙隔振屏障隔振效果的研究 D.广州：广州大学，2022.6 王通，刘先峰，袁胜洋，等.振动波在红层泥岩中传递规律及典型隔振措施效果研究 J.铁道科学与工程学报，2022，19（11）：3246-3255.7 陈洪运.轨道交通路基段减隔振屏障的模型试验研究 J.铁道标准设计，2016，60（6）：177-181.8 王通，刘先峰，郑立宁，等.城市地铁典型隔振措施隔振效果的模型试验研究 J.地震工程与工程振动，2022，42（5）：119-126.9 刘晶波，王振宇，杜修力，等.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界 J.工程力学，2005，22（6）：46-51.10 李鹏琳，刘保健，林法力.灰土的动力特性研究 J.岩土工程界，2005，8（11）：44-46，49.11 何兆益，黄卫，邓学钧.级配碎石动静弹性模量的对比研究J.中国公路学报，1998，11（1）：15-20.Isolation Effect of Foundation Pit Support Barrier on Building Vibration Caused by Subway TrainZHOU Qian1，LIU Yutao2，YAN Xiaoxia2，LIU Xiubo11.Infrastructure Inspection Research Institute，CARS，Beijing 100081，China；2.China Academy of Railway Sciences（Shenzhen）Research and Design Institute Co.Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，ChinaAbstract The underground continuous wall of the foundation pit and the backfill material form a vibration isolation barrier.By establishing a dynamic model of the vehicle-track-tunnel-earth-building system，the isolation effect of the foundation pit support barrier and the use of different backfill materials on building vibration caused by subway trains were studied in this article.The results show that，the isolation effect of the foundation pit support barrier is different for different floors and different frequency bands of vibration，with good isolation effect for underground floors and poor isolation effect for above ground floors.The type of backfill material will affect the main frequency and sub frequency vibration levels of floor vibration，thereby affecting the isolation effect on different floors.In engineering construction，suitable backfill materials should be selected based on the characteristics of the building structure and site.Key words subway；foundation pit support barrier；numerical simulation；underground continuous wall；backfill material；building vibration；vibration isolation effectCitation format：ZHOU Qian，LIU Yutao，YAN Xiaoxia，et al.Isolation Effect of Foundation Pit Support Barrier on Building Vibration Caused by Subway Train J.Railway Engineering，2023，63（10）：97101.（编辑：葛全红 校对：李付军）101