建筑基础弹性垫地铁振动控制工程应用研究

宋瑞祥，邬玉斌，吴丹

（北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，北京 100054）

近年来，我国城市轨道交通发展迅猛，各大城市地铁线网初步形成，运营里程大幅增加，列车运行速度、频次和时长不断增加，城市轨道交通在给城市居民出行带来方便的同时，也给周边环境造成了日益严重的振动和二次结构噪声污染[1]，当地铁线路接近甚至下穿敏感建筑物时，传统的轨道振源减振和传播途径隔振措施已不能充分满足振动控制要求，作为最后一道防线，建筑物自身防护显得尤为重要[2-6]。

建筑自身防护措施主要包括建筑基础弹性减振垫、层间隔振支座、房中房、隔振楼板（地板）等形式。建筑基础弹性减振垫措施具有设计施工简单、保护范围广（可对筏板基础以上的整体建筑进行隔振）、对结构安全稳定性影响小（垫层厚度小、面弹簧平铺）等特点，相比其他建筑振动控制形式具有更强的工程应用性，特别适用于地铁沿线新建敏感建筑物的地铁振动噪声控制，自2017 年起，我国已有大量建筑采用该措施进行地铁振动控制。然而，相比工程应用的迅速推广，关于该技术的理论研究却相对滞后，这种措施在隔振效果与机理、效果影响因素、减振材料性能要求、方案设计方法及施工工艺等方面仍有待深入研究，亟需建立指导工程应用的设计、施工、材料检测方法等相关标准规范。

方案设计、材料性能和施工质量是影响控制措施隔振效果的三个主要方面，其中出现任何问题都可能影响最终隔振效果，鉴于目前迫切的工程应用需求和标准规范及理论研究空白，本文通过总结已有应用项目的实践经验，分析了控制措施设计原理及影响参数，梳理了建筑基础弹性减振垫控制方案设计的一般方法和流程，总结了弹性减振垫材料基本性能要求和施工工艺，研究成果可为相似工程应用以及相应标准规范的编制提供参考和依据。

1 控制设计原理

目前建筑基础弹性减振垫控制方案的设计理论依据仍是单自由度系统的隔振原理。弹性减振垫隔振效果通常采用振动传递率来表示，其计算公式如下：

式中：η为传递率；ξ为阻尼比；f为源强激励频率；f0为隔振系统固有频率。图1 为振动传递率同频率比（f/f0）之间的函数关系曲线图。由图1 可知，当频率比（f/f0）为1 时，振动传递率最大，系统发生共振响应；当频率比（f/f0）大于时，传递率小于1，系统进入隔振区，而且频率比越大振动传递率越小即隔振效果越好。从图1 可知，当频率比（f/f0）小于时，阻尼比越大隔振传递率越小，而当频率比（f/f0）大于时，阻尼比越小振动传递率越小，即在隔振区，隔振效果同阻尼比成反比；在共振区，隔振效果同阻尼比成正比。

图1 振动传递率曲线

由上述振动传递率计算公式可知，在外界激振荷载一定的情况下，通过降低系统固有频率可以获得更好的隔振效果，对于“建筑-弹性减振垫”系统，其系统固有频率f0计算公式如下：

式中：m为建筑质量，kg；k为弹性减振垫刚度；E为减振垫弹性模量，N/m2；g为重力加速度，m/s2；h为减振垫的厚度，m；σ为弹性减振垫压应力，N/m2。

由公式②可知，“建筑-弹性减振垫”系统竖向固有频率由上部建筑质量和弹性减振垫竖向刚度决定，在上部建筑质量一定的情况下，主要通过调整弹性减振垫刚度进行隔振效果设计，而弹性减振垫刚度又主要由垫层厚度和弹性模量决定。

2 控制方案设计流程与方法

控制方案是保证控制措施效果的最重要环节之一，为获得到经济有效的控制方案，方案设计一般包括建筑物振动及结构噪声影响预测、控制限值确定、方案初步设计、隔振效果验算及方案优化等几个步骤，主要工作流程如图2 所示。

图2 控制方案设计流程

2.1 建筑物振动及结构噪声影响预测评价

建筑物地铁振动影响预测的目的是分析建筑建成后受地铁振动噪声的影响程度，确定建筑物能否满足相关标准限值要求。

建筑物受地铁振动噪声影响的预测方法通常包括经验公式法、类比测试法和数值仿真法。经验公式法操作简单方便，但预测结果单一、预测精度差，无法获得建筑物室内楼板位置的精确预测结果。目前应用较多的经验公式为《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》（HJ 453—2018）和《地铁噪声与振动控制规范》（DB 11/T 838—2019）中的振动影响链式预测公式。

《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》（HJ 453—2018）规定的振动影响预测公式如下[7]：

式中：VLZmax为预测点处的地铁振动影响最大Z振级，dB；VLZ0max为列车运行振动源强，dB；CVB为振动修正，dB；CV为列车速度修正，dB；CW为轴重和簧下质量修正，dB；CR为轮轨条件修正，dB；CT为隧道型式修正，dB；CD为距离衰减修正，dB；CB为建筑物类型修正，dB；CTD为行车密度修正，dB。

《地铁噪声与振动控制规范》（DB 11/T 838—2019）中规定的振动影响预测公式为[8]：

式中：VLZmax为预测点处的地铁振动影响最大Z振级，dB；VLZmax,0为隧道壁振动源强，dB；C为修正项，dB；C车速、C轴重和簧下质量、C曲线、C钢轨条件、C距离、C建筑物分别为相应因素的修正，dB。

两个标准的预测公式形式相同，但其修正项及其修正量存在一定差异，公式③具有更广的适用范围，可用于地下线、地面线和高架线；公式④仅适用于地下线，但其各因素修正值基于北京地铁大量实测数据统计获得，因此对北京地铁具有更强的地域针对性。

类比测试法的预测精度主要受测试对象的类比条件影响，类比条件包括车辆条件、运行状态、线路条件、隧道形式、地质条件、建筑结构形式等，当类比对象与预测对象个别因素存在差异时，可采用试验测试或计算分析的方法对影响因素进一步修正调整，类比测试方法和要求可参考相关标准规范。

数值仿真法可对建筑受地铁振动噪声影响情况进行精细化的预测分析，可计算得到不同楼层、不同房间位置处的振动响应时程数据，能够对建筑地铁振动响应进行频域、时域和Z 振级分析。由于地铁振动及结构噪声标准评价频率范围较宽（振动为1—80Hz或4—200Hz；二次结构噪声为16—200Hz 或22—355Hz），计算模型需要非常小的单元尺寸和积分时间步长，因此“地铁-岩土-建筑”整体有限元模型计算单元数量和计算量非常庞大，对计算机计算能力和存储容量硬件要求极高；数值仿真计算精度受列车荷载模型及输入方法、材料参数、网格划分等诸多因素影响，为了保证模型计算精度，需要开展必要的振动源强和场地土振动现状测试[9]，即采用振动测试与数值仿真相结合的预测方式。当地铁尚未通车时，可采用类比振源测试数据作为模型激励源强，通过人工激励方式进行场地土振动传播特性试验测试[10]，用于数值仿真模型的精度校核和参数调试。

2.2 振动噪声标准限值及控制目标量

控制方案设计需要先明确工程适用的振动噪声标准规范及其限值，通过建筑物预测结果对标分析确定振动噪声超标量。目前关于建筑地铁振动限值的标准有《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88）、《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）、《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB 50355—2018）、《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）等，由于各个标准的编制部门和规定侧重点不同，在地铁振动噪声评价指标、评价频率范围以及限值大小各方面都存在差异，彼此尚未统一协调，其中《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88）[11]做为唯一强制性标准，应用最为广泛，该标准规定了不同区域范围内的环境振动限值，但也可用于建筑物室内的振动影响评价。

结构噪声是地铁影响沿线居民的另一个重要因素，而且人们对结构噪声的反应比振动更为敏感，地铁环境影响投诉中大部分都是结构噪声投诉，《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》（HJ 453—2018）中地铁地下线二次结构噪声评价范围由线路中心线两侧10m 扩大为50m，特殊情况下增至60m。但关于地铁结构噪声的研究及标准规范制定比地铁环境振动要滞后得多，目前缺少成熟精确的结构噪声预测方法，结构噪声控制则是通过地铁振动控制间接实现，《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）和《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB 50355—2018）对结构噪声限值进行了规定，前者对16—200Hz 等效连续A 声压级进行了限值规定[12]；后者则给出了31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz 四个倍频程的结构噪声声压级限值[13]，相比而言《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB 50355—2018）要求更为严格。

综上所述，关于地铁振动及结构噪声存在不同的标准限值要求，在进行控制方案设计时，通常是在满足国家强制标准限值要求的基础上，根据拟建建筑品质要求，确定适用项目实际需求特点的振动噪声限值。

地铁振动及结构噪声限值确定后，结合建筑结构振动噪声预测结果，即可确定建筑的振动噪声超标量，为了确保方案的最终隔振效果，振动控制目标量需在预测超标量的基础上考虑适量的设计裕量。

2.3 控制方案设计

弹性减振垫选型是方案设计的重要内容，为确保隔振效果和结构的安全性，弹性减振垫应满足上部建筑压应力和侧向土压应力要求，确保减振材料处于最优弹性工作应力状态，避免弹性减振垫负载压力过大或过小。为此，需先根据建筑基底压应力和侧向土压力，结合弹性减振垫材料力学参数，选取有效可靠的弹性减振垫材料型号。图3 为某项目建筑基底压应力图。

图3 建筑基底压应力图

确定“建筑-弹性减振垫”竖向固有频率是方案设计的核心工作。通过振动现场测试数据或建筑物振动预测结果，确定地铁振动影响的主要频率范围。图4 为某项目建筑基础场地土地铁振动实测加速度及其频谱曲线，该项目地铁振动频率主要集中在25—80Hz，因此有必要对25Hz 以上的振动进行控制，依据隔振设计原理，本项目“建筑-弹性减振垫”系统竖向设计固有频率应小于17Hz。

图4 场地土地铁振动实测加速度及频谱

弹性减振垫减振曲线受力学性能和几何参数影响，基于弹性减振垫物理力学参数通过软件分析即可获得满足隔振要求的材料型号及其垫层厚度。因此，根据不同位置受力状态和设计固有频率，确定相应的弹性减振垫型号和厚度。

2.4 控制方案效果验算

“建筑-弹性减振垫-岩土”是一个复杂的多介质耦合振动系统，实际地铁振动传播过程和隔振机理相当复杂，基于单自由度系统隔振原理计算的理论效果同实际情况必然存在差异，为此需要对设计完成的隔振方案采用三维数值仿真计算方法进行分析验算，如果实施隔振措施后建筑结构室内振动及其结构噪声不能满足标准限值要求，则需进一步优化隔振方案，直至数值仿真计算结果满足标准限值要求[14]。

2.5 减振材料性能要求

弹性减振垫位于建筑底部，具有不可更换维修特点，为确保建筑结构全寿命使用周期具有较好的隔振效果，弹性减振垫材料需具有稳定的物理力学性能和良好的耐久性能，应提供密度、静/动载荷极限、拉伸强度、压缩形变、静/动剪切模量、静/动弹性模量、阻尼等详细的物理性能参数表。

实际弹性减振垫材料力学性能及耐久性能应满足材料设计技术参数要求，材料进场检验时需进行静刚度、动刚度和压缩永久变形等关键技术参数试验测试，同时测试结果与设计参数应进行对比校核。

由于该措施出现时间较短，目前国内缺少对应的材料性能指标要求及其检测方法的标准规范。

3 建筑基础弹性减振垫施工工艺

建筑基础弹性减振垫包括建筑基础底垫和侧垫两部分，建筑基础底垫施工自下向上依此为夯实的地基土、垫层、防水层、防水保护层、弹性减振垫、PE膜、弹性减振垫保护层、建筑底板；建筑基础侧垫施工自内向外依此为建筑钢筋混凝土外墙、防水层、弹性减振垫、聚苯板、保护墙（根据实际情况确定）、回填土（混凝土）。

3.1 施工工艺

建筑基础底垫和侧垫的施工质量同样影响控制效果，弹性减振垫铺设全过程需进行精细把控，避免局部刚性连接形成“声桥”，从而降低隔振效果。图5为基础底垫和侧垫铺设施工工艺流程。

图5 弹性减振垫施工流程

弹性减振垫铺设前应先清理现场，确保面层平整且无尖锐凸起，无积水，平整度应小于5mm，面层可以允许相对缓和且平滑过渡的突起。

弹性减振垫需要严格按照设计施工图进行铺装，施工图中不同颜色代表不同型号的弹性材料，通常不同弹性减振垫产品的颜色同施工图中标示的颜色相同。为避免误操作，需要根据施工图纸要求，对工作面进行区域施工划分并放线。

侧壁减振材料铺设之前需先在弹性减振垫材料上涂刷适合的黏结剂，涂刷均匀后黏结于侧墙之上。

弹性减振垫应铺设平整，垫块之间避免存在较大间隙，垫块接缝之间应采用胶带密封（5cm 宽防水胶带），避免砂浆碎屑渗透形成短路，在此基础上，再次铺设PE 膜进行二次保护。

为避免弹性减振垫被刺穿和撕裂，基础底垫铺设完成后需要在PE 膜上做至少50mm 厚的细石混凝土保护层，立面材料则需采用聚苯板等保护。

3.2 施工关键点处理

（1）突出管路局部处理

如果弹性减振垫铺设表面有突出的管路等物体，需在突出管路的地方裁剪合适尺寸的开口，套入突出管路的根部，与管路根部连接紧密，在管路根部以上围绕管路再做500mm 高的材料紧贴管路，用防水胶带缠接紧密。

（2）大角度坡度弹性材料铺设

坡度小于45°可以铺设材料，方式同平面铺设，斜坡大于45°，铺设需配合使用胶黏产品。

4 结语

近年来，建筑基底弹性减振垫作为一种新兴的控制措施大量应用于我国地铁沿线新建建筑振动控制工程中，为地铁噪声与振动控制提供了一种全新的思路和方法，促进了地铁振动控制技术的应用发展。但由于在国内出现时间较短，关于该措施的基础理论研究少见报道，工程应用过程中缺少设计、施工、材料检测方法等相关标准规范的技术指导。

本文基于工程应用实践经验，总结了建筑基础弹性减振垫用于地铁环境振动控制的基本隔振原理，分析了影响建筑隔振效果的关键设计参数；提出了控制方案设计的基本流程，并对建筑地铁振动影响预测方法、适用振动噪声标准及限值、控制目标量确定、弹性减振垫选型及方案设计、弹性减振垫性能要求等各关键环节问题进行了系统论述；对弹性减振垫的施工工艺和关键点处理技术进行了介绍。研究成果可为相似项目工程应用和相关标准规范编制提供参考。