建筑基礎彈性墊地鐵振動控制工程應用研究

宋瑞祥，鄔玉斌，吳丹

（北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所，北京 100054）

近年來，我國城市軌道交通發展迅猛，各大城市地鐵線網初步形成，運營里程大幅增加，列車運行速度、頻次和時長不斷增加，城市軌道交通在給城市居民出行帶來方便的同時，也給周邊環境造成了日益嚴重的振動和二次結構噪聲污染[1]，當地鐵線路接近甚至下穿敏感建筑物時，傳統的軌道振源減振和傳播途徑隔振措施已不能充分滿足振動控制要求，作為最后一道防線，建筑物自身防護顯得尤為重要[2-6]。

建筑自身防護措施主要包括建筑基礎彈性減振墊、層間隔振支座、房中房、隔振樓板（地板）等形式。建筑基礎彈性減振墊措施具有設計施工簡單、保護范圍廣（可對筏板基礎以上的整體建筑進行隔振）、對結構安全穩定性影響?。▔|層厚度小、面彈簧平鋪）等特點，相比其他建筑振動控制形式具有更強的工程應用性，特別適用于地鐵沿線新建敏感建筑物的地鐵振動噪聲控制，自2017 年起，我國已有大量建筑采用該措施進行地鐵振動控制。然而，相比工程應用的迅速推廣，關于該技術的理論研究卻相對滯后，這種措施在隔振效果與機理、效果影響因素、減振材料性能要求、方案設計方法及施工工藝等方面仍有待深入研究，亟需建立指導工程應用的設計、施工、材料檢測方法等相關標準規范。

方案設計、材料性能和施工質量是影響控制措施隔振效果的三個主要方面，其中出現任何問題都可能影響最終隔振效果，鑒于目前迫切的工程應用需求和標準規范及理論研究空白，本文通過總結已有應用項目的實踐經驗，分析了控制措施設計原理及影響參數，梳理了建筑基礎彈性減振墊控制方案設計的一般方法和流程，總結了彈性減振墊材料基本性能要求和施工工藝，研究成果可為相似工程應用以及相應標準規范的編制提供參考和依據。

1 控制設計原理

目前建筑基礎彈性減振墊控制方案的設計理論依據仍是單自由度系統的隔振原理。彈性減振墊隔振效果通常采用振動傳遞率來表示，其計算公式如下：

式中：η為傳遞率；ξ為阻尼比；f為源強激勵頻率；f0為隔振系統固有頻率。圖1 為振動傳遞率同頻率比（f/f0）之間的函數關系曲線圖。由圖1 可知，當頻率比（f/f0）為1 時，振動傳遞率最大，系統發生共振響應；當頻率比（f/f0）大于時，傳遞率小于1，系統進入隔振區，而且頻率比越大振動傳遞率越小即隔振效果越好。從圖1 可知，當頻率比（f/f0）小于時，阻尼比越大隔振傳遞率越小，而當頻率比（f/f0）大于時，阻尼比越小振動傳遞率越小，即在隔振區，隔振效果同阻尼比成反比；在共振區，隔振效果同阻尼比成正比。

圖1 振動傳遞率曲線

由上述振動傳遞率計算公式可知，在外界激振荷載一定的情況下，通過降低系統固有頻率可以獲得更好的隔振效果，對于“建筑-彈性減振墊”系統，其系統固有頻率f0計算公式如下：

式中：m為建筑質量，kg；k為彈性減振墊剛度；E為減振墊彈性模量，N/m2；g為重力加速度，m/s2；h為減振墊的厚度，m；σ為彈性減振墊壓應力，N/m2。

由公式②可知，“建筑-彈性減振墊”系統豎向固有頻率由上部建筑質量和彈性減振墊豎向剛度決定，在上部建筑質量一定的情況下，主要通過調整彈性減振墊剛度進行隔振效果設計，而彈性減振墊剛度又主要由墊層厚度和彈性模量決定。

2 控制方案設計流程與方法

控制方案是保證控制措施效果的最重要環節之一，為獲得到經濟有效的控制方案，方案設計一般包括建筑物振動及結構噪聲影響預測、控制限值確定、方案初步設計、隔振效果驗算及方案優化等幾個步驟，主要工作流程如圖2 所示。

圖2 控制方案設計流程

2.1 建筑物振動及結構噪聲影響預測評價

建筑物地鐵振動影響預測的目的是分析建筑建成后受地鐵振動噪聲的影響程度，確定建筑物能否滿足相關標準限值要求。

建筑物受地鐵振動噪聲影響的預測方法通常包括經驗公式法、類比測試法和數值仿真法。經驗公式法操作簡單方便，但預測結果單一、預測精度差，無法獲得建筑物室內樓板位置的精確預測結果。目前應用較多的經驗公式為《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）和《地鐵噪聲與振動控制規范》（DB 11/T 838—2019）中的振動影響鏈式預測公式。

《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）規定的振動影響預測公式如下[7]：

式中：VLZmax為預測點處的地鐵振動影響最大Z振級，dB；VLZ0max為列車運行振動源強，dB；CVB為振動修正，dB；CV為列車速度修正，dB；CW為軸重和簧下質量修正，dB；CR為輪軌條件修正，dB；CT為隧道型式修正，dB；CD為距離衰減修正，dB；CB為建筑物類型修正，dB；CTD為行車密度修正，dB。

《地鐵噪聲與振動控制規范》（DB 11/T 838—2019）中規定的振動影響預測公式為[8]：

式中：VLZmax為預測點處的地鐵振動影響最大Z振級，dB；VLZmax,0為隧道壁振動源強，dB；C為修正項，dB；C車速、C軸重和簧下質量、C曲線、C鋼軌條件、C距離、C建筑物分別為相應因素的修正，dB。

兩個標準的預測公式形式相同，但其修正項及其修正量存在一定差異，公式③具有更廣的適用范圍，可用于地下線、地面線和高架線；公式④僅適用于地下線，但其各因素修正值基于北京地鐵大量實測數據統計獲得，因此對北京地鐵具有更強的地域針對性。

類比測試法的預測精度主要受測試對象的類比條件影響，類比條件包括車輛條件、運行狀態、線路條件、隧道形式、地質條件、建筑結構形式等，當類比對象與預測對象個別因素存在差異時，可采用試驗測試或計算分析的方法對影響因素進一步修正調整，類比測試方法和要求可參考相關標準規范。

數值仿真法可對建筑受地鐵振動噪聲影響情況進行精細化的預測分析，可計算得到不同樓層、不同房間位置處的振動響應時程數據，能夠對建筑地鐵振動響應進行頻域、時域和Z 振級分析。由于地鐵振動及結構噪聲標準評價頻率范圍較寬（振動為1—80Hz或4—200Hz；二次結構噪聲為16—200Hz 或22—355Hz），計算模型需要非常小的單元尺寸和積分時間步長，因此“地鐵-巖土-建筑”整體有限元模型計算單元數量和計算量非常龐大，對計算機計算能力和存儲容量硬件要求極高；數值仿真計算精度受列車荷載模型及輸入方法、材料參數、網格劃分等諸多因素影響，為了保證模型計算精度，需要開展必要的振動源強和場地土振動現狀測試[9]，即采用振動測試與數值仿真相結合的預測方式。當地鐵尚未通車時，可采用類比振源測試數據作為模型激勵源強，通過人工激勵方式進行場地土振動傳播特性試驗測試[10]，用于數值仿真模型的精度校核和參數調試。

2.2 振動噪聲標準限值及控制目標量

控制方案設計需要先明確工程適用的振動噪聲標準規范及其限值，通過建筑物預測結果對標分析確定振動噪聲超標量。目前關于建筑地鐵振動限值的標準有《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）、《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）、《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB 50355—2018）、《建筑工程容許振動標準》（GB 50868—2013）等，由于各個標準的編制部門和規定側重點不同，在地鐵振動噪聲評價指標、評價頻率范圍以及限值大小各方面都存在差異，彼此尚未統一協調，其中《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）[11]做為唯一強制性標準，應用最為廣泛，該標準規定了不同區域范圍內的環境振動限值，但也可用于建筑物室內的振動影響評價。

結構噪聲是地鐵影響沿線居民的另一個重要因素，而且人們對結構噪聲的反應比振動更為敏感，地鐵環境影響投訴中大部分都是結構噪聲投訴，《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》（HJ 453—2018）中地鐵地下線二次結構噪聲評價范圍由線路中心線兩側10m 擴大為50m，特殊情況下增至60m。但關于地鐵結構噪聲的研究及標準規范制定比地鐵環境振動要滯后得多，目前缺少成熟精確的結構噪聲預測方法，結構噪聲控制則是通過地鐵振動控制間接實現，《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）和《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB 50355—2018）對結構噪聲限值進行了規定，前者對16—200Hz 等效連續A 聲壓級進行了限值規定[12]；后者則給出了31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz 四個倍頻程的結構噪聲聲壓級限值[13]，相比而言《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB 50355—2018）要求更為嚴格。

綜上所述，關于地鐵振動及結構噪聲存在不同的標準限值要求，在進行控制方案設計時，通常是在滿足國家強制標準限值要求的基礎上，根據擬建建筑品質要求，確定適用項目實際需求特點的振動噪聲限值。

地鐵振動及結構噪聲限值確定后，結合建筑結構振動噪聲預測結果，即可確定建筑的振動噪聲超標量，為了確保方案的最終隔振效果，振動控制目標量需在預測超標量的基礎上考慮適量的設計裕量。

2.3 控制方案設計

彈性減振墊選型是方案設計的重要內容，為確保隔振效果和結構的安全性，彈性減振墊應滿足上部建筑壓應力和側向土壓應力要求，確保減振材料處于最優彈性工作應力狀態，避免彈性減振墊負載壓力過大或過小。為此，需先根據建筑基底壓應力和側向土壓力，結合彈性減振墊材料力學參數，選取有效可靠的彈性減振墊材料型號。圖3 為某項目建筑基底壓應力圖。

圖3 建筑基底壓應力圖

確定“建筑-彈性減振墊”豎向固有頻率是方案設計的核心工作。通過振動現場測試數據或建筑物振動預測結果，確定地鐵振動影響的主要頻率范圍。圖4 為某項目建筑基礎場地土地鐵振動實測加速度及其頻譜曲線，該項目地鐵振動頻率主要集中在25—80Hz，因此有必要對25Hz 以上的振動進行控制，依據隔振設計原理，本項目“建筑-彈性減振墊”系統豎向設計固有頻率應小于17Hz。

圖4 場地土地鐵振動實測加速度及頻譜

彈性減振墊減振曲線受力學性能和幾何參數影響，基于彈性減振墊物理力學參數通過軟件分析即可獲得滿足隔振要求的材料型號及其墊層厚度。因此，根據不同位置受力狀態和設計固有頻率，確定相應的彈性減振墊型號和厚度。

2.4 控制方案效果驗算

“建筑-彈性減振墊-巖土”是一個復雜的多介質耦合振動系統，實際地鐵振動傳播過程和隔振機理相當復雜，基于單自由度系統隔振原理計算的理論效果同實際情況必然存在差異，為此需要對設計完成的隔振方案采用三維數值仿真計算方法進行分析驗算，如果實施隔振措施后建筑結構室內振動及其結構噪聲不能滿足標準限值要求，則需進一步優化隔振方案，直至數值仿真計算結果滿足標準限值要求[14]。

2.5 減振材料性能要求

彈性減振墊位于建筑底部，具有不可更換維修特點，為確保建筑結構全壽命使用周期具有較好的隔振效果，彈性減振墊材料需具有穩定的物理力學性能和良好的耐久性能，應提供密度、靜/動載荷極限、拉伸強度、壓縮形變、靜/動剪切模量、靜/動彈性模量、阻尼等詳細的物理性能參數表。

實際彈性減振墊材料力學性能及耐久性能應滿足材料設計技術參數要求，材料進場檢驗時需進行靜剛度、動剛度和壓縮永久變形等關鍵技術參數試驗測試，同時測試結果與設計參數應進行對比校核。

由于該措施出現時間較短，目前國內缺少對應的材料性能指標要求及其檢測方法的標準規范。

3 建筑基礎彈性減振墊施工工藝

建筑基礎彈性減振墊包括建筑基礎底墊和側墊兩部分，建筑基礎底墊施工自下向上依此為夯實的地基土、墊層、防水層、防水保護層、彈性減振墊、PE膜、彈性減振墊保護層、建筑底板；建筑基礎側墊施工自內向外依此為建筑鋼筋混凝土外墻、防水層、彈性減振墊、聚苯板、保護墻（根據實際情況確定）、回填土（混凝土）。

3.1 施工工藝

建筑基礎底墊和側墊的施工質量同樣影響控制效果，彈性減振墊鋪設全過程需進行精細把控，避免局部剛性連接形成“聲橋”，從而降低隔振效果。圖5為基礎底墊和側墊鋪設施工工藝流程。

圖5 彈性減振墊施工流程

彈性減振墊鋪設前應先清理現場，確保面層平整且無尖銳凸起，無積水，平整度應小于5mm，面層可以允許相對緩和且平滑過渡的突起。

彈性減振墊需要嚴格按照設計施工圖進行鋪裝，施工圖中不同顏色代表不同型號的彈性材料，通常不同彈性減振墊產品的顏色同施工圖中標示的顏色相同。為避免誤操作，需要根據施工圖紙要求，對工作面進行區域施工劃分并放線。

側壁減振材料鋪設之前需先在彈性減振墊材料上涂刷適合的黏結劑，涂刷均勻后黏結于側墻之上。

彈性減振墊應鋪設平整，墊塊之間避免存在較大間隙，墊塊接縫之間應采用膠帶密封（5cm 寬防水膠帶），避免砂漿碎屑滲透形成短路，在此基礎上，再次鋪設PE 膜進行二次保護。

為避免彈性減振墊被刺穿和撕裂，基礎底墊鋪設完成后需要在PE 膜上做至少50mm 厚的細石混凝土保護層，立面材料則需采用聚苯板等保護。

3.2 施工關鍵點處理

（1）突出管路局部處理

如果彈性減振墊鋪設表面有突出的管路等物體，需在突出管路的地方裁剪合適尺寸的開口，套入突出管路的根部，與管路根部連接緊密，在管路根部以上圍繞管路再做500mm 高的材料緊貼管路，用防水膠帶纏接緊密。

（2）大角度坡度彈性材料鋪設

坡度小于45°可以鋪設材料，方式同平面鋪設，斜坡大于45°，鋪設需配合使用膠黏產品。

4 結語

近年來，建筑基底彈性減振墊作為一種新興的控制措施大量應用于我國地鐵沿線新建建筑振動控制工程中，為地鐵噪聲與振動控制提供了一種全新的思路和方法，促進了地鐵振動控制技術的應用發展。但由于在國內出現時間較短，關于該措施的基礎理論研究少見報道，工程應用過程中缺少設計、施工、材料檢測方法等相關標準規范的技術指導。

本文基于工程應用實踐經驗，總結了建筑基礎彈性減振墊用于地鐵環境振動控制的基本隔振原理，分析了影響建筑隔振效果的關鍵設計參數；提出了控制方案設計的基本流程，并對建筑地鐵振動影響預測方法、適用振動噪聲標準及限值、控制目標量確定、彈性減振墊選型及方案設計、彈性減振墊性能要求等各關鍵環節問題進行了系統論述；對彈性減振墊的施工工藝和關鍵點處理技術進行了介紹。研究成果可為相似項目工程應用和相關標準規范編制提供參考。