某文化中心位于北京市石景山区, 占地面积约8 800m², 总建筑面积约4.1万m², 地下3层, 地上8层, 建筑高度46.62m, 主要建筑功能有文化馆、非物质文化遗产保护中心、展览馆、全民健身中心、博物馆、实体书店、多厅影院、地下车库及配套设施用房, 如图1所示。

在建地铁6号线穿越了本工程西北角正下方, 地铁隧道结构顶部至文化中心基础底板距离5m, 如图2所示。由于文化中心有影院、录音室、剧场、博物馆等对噪声与振动极为敏感的功能区域, 因此需要对主体建筑进行隔振减振处理。

依据《城市区域环境振动标准》GB10070—1988, 城市各类区域铅垂向Z级振动标准限值如表1所示。

列车通过文化中心建筑时作为振动源, 会将振动传递给建筑物, 建筑物侧墙及楼板的振动会产生二次辐射噪声, 依据《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/T170—2009, 二次辐射噪声标准限值如表2所示。

根据本工程的建筑功能划分, 其所在区域为“居住文教区”, 振动标准限值:昼间70d B, 夜间67d B;二次辐射噪声标准限值:昼间38d B (A) , 夜间35d B (A) 。

为预估文化中心内部由地铁引起的噪声与振动情况, 选择了具有类似地质条件的建筑作为文化中心的类比建筑, 该类比建筑物为位于地铁10号线正上方的1栋商业建筑, 其下土层结构从上至下依次为填土、粉细砂、粉土、卵石层, 地铁隧道位于卵石层、顶部距离类比建筑物基础层约60m。这与文化中心填土、粉土、卵石层的地质结构颇为相似, 对预估振动情况有很高的置信度。

在地铁运行高峰时段依据GB10070—1988测量该建筑物在20次列车通过时的Z级环境振动1/3倍频带中心频率最大振级VL_zmax, 如图3所示;并依据JGJ/T170—2009测量该建筑物在5次列车通过时所引起的建筑物二次辐射噪声A声压级各1/3倍频带中心频率最大振级VL_zmax, 如图4所示。

根据全身振动Z计权因子进行数据修正计算, 地铁通过对建筑物所造成的环境振动在76.9~89.6d B (见表3) , 超过表1中所列出的昼间70d B, 夜间67d B的标准。环境振动最大Z振级VL_Zmax平均值高达87.0d B, 超过标准限值达17.0d B。

根据全身振动Z计权因子进行数据修正计算, 地铁通过对建筑物所造成的二次辐射噪声在42.0~44.5d B (A) (见表4) , 超过表2中昼间38d B (A) , 夜间35d B (A) 的标准。二次辐射噪声A声压级平均值为42.8d B (A) , 超过标准限值4.8d B (A) 。

由于类比项目的地铁路段埋深为60m, 而地铁经过文化中心段埋深为16.4m。按照能量衰减原理进行修正:距离每增加1倍, 能量衰减3d B。因此预测文化中心振动噪声情况的数据基础时, 应考虑6d B距离衰减余量。

文化中心受地铁环境振动影响的预测值为:87+6=93d B;文化中心受地铁二次辐射噪声影响的预测值为:42.8+6=48.8d B (A) 。

为使文化中心的环境振动和二次辐射噪声情况符合国家标准, 地铁方和文化中心需要共同承担的隔振量为93.0-67=26d B、降噪量为48.8-35=13.8d B (A) 。

在建地铁下穿文化中心段采用钢弹簧浮置板减振措施, 根据以往工程经验, 钢弹簧浮置板的隔振量可达到15d B。为使文化中心的各敏感功能区满足国家相关振动与噪声标准要求, 采用橡胶隔振垫对文化中心建筑主体作被动隔振措施, 其隔振量应≥10d B, 同时二次噪声衰减量≥10d B (A) 。

根据设计单位提供的重力荷载标准下基础反力, 橡胶隔振垫材料需要承载50~800k N/m²的荷载, 从隔振垫系列中选出承载范围50~150k N/m²的R480隔振垫、承载范围150~300k N/m²的R550隔振垫和承载范围300~800k N/m²的R800隔振垫, 隔振垫相应形变量如表5所示。

隔振垫的固有频率会直接影响其隔振效果, 其固有频率可随着材料厚度的提高而降低, 考虑工程成本, 采用30mm厚隔振垫, 其固有频率如表5所示。根据既有工程经验, 地铁引起建筑物振动的峰值频率通常在40~80Hz, 从隔振垫固有频率的倍频率起, 3种型号隔振垫在振动峰值频率起到隔振作用。

在清华大学建筑物理实验室进行隔振垫R480, R550, R800型号隔振试验。在实心混凝土隔振台上将重击球从距离振动台面1m的位置自由落体, 测量分别由硬质钢块、隔振垫R480, R550, R800型号支撑的满足设计荷载的混凝土板的振动加速度级, 测量数据如图5所示。

根据硬质钢块及隔振垫R480, R550, R800的隔振测量结果, 计算隔振垫作为支撑物与硬质钢块作为支撑物时, 混凝土板的0.63~80Hz各1/3倍频带中心频率的隔振量 (见图6) 及16~200Hz各1/3倍频带中心频率的降噪量 (见图7) 。

以位于地铁正上方的某商业建筑的环境振动测量结果为振动类比源强, 叠加隔振垫R480, R550, R800型号在实验室隔振台上得到的实测隔振量, 计算得到铺设隔振垫后该商业建筑各1/3倍频带中心频率的环境振动值, 如图8所示。根据全身振动Z计权因子进行数据修正计算, 铺设隔振垫后环境振动Z振级分别为72.0, 76.3, 74.3d B;计算铺设隔振垫前后Z振级之差, 即得到各隔振垫的振动VL_zmax降低量, 分别为15.0, 10.7, 12.7d B (见表6) 。

以位于地铁正上方的某商业建筑的轨道交通引起建筑物二次辐射噪声测量结果为二次辐射噪声类比源强, 叠加隔振垫R480, R550, R800在实验室减振台上得到的实测二次辐射噪声降噪量, 计算得到铺设隔振垫后该商业建筑各1/3倍频带中心频率的二次辐射噪声值。根据全身振动Z计权因子进行数据修正计算, 铺设隔振垫后二次辐射噪声A声压级, 分别为25.9, 28.1, 25.6d B;计算铺设隔振垫前后A声压级之差, 即得到各隔振垫的二次辐射噪声L_Aeq降低量, 分别为16.9, 14.7, 17.2d B (见表6) 。

试验结果表明, 安装隔振垫后, 振动和二次噪声的衰减量均可满足标准限值要求。

由于被动隔振措施为地下隐蔽工程, 橡胶隔振垫在长期承受建筑重力荷载作用下, 必须仍能保证良好的工作性能。对隔振垫R480, R550, R800分别选取100mm×100mm×30mm试样, 在长期疲劳性能测试前后, 使用荷载控制方式对试样进行压缩加载, 获得荷载-位移曲线, 并基于该荷载-位移曲线计算材料的比静态切线模量和静态切线模量;长期疲劳性能测试前后, 进行试样不同初始应力下的动态性能测试, 获取材料的比动态模量、动态模量、损失因子、固有频率等动态参数;以试样极限荷载的50%和100%分别进行150万次的循环荷载作用下的长期性能测试, 其目的是: (1) 获得长期性能测试过程中, 材料动态参数的变化规律; (2) 为材料的静态和动态性能在长期性能测试前后的变化提供基础。

根据测试结果, 3种型号的材料在长期循环压缩荷载测试前后, 可以很好地保持材料的静态和动态性能, 所有指标在长期循环压缩荷载测试前后的变化率均在±10%以内, 且绝大部分数据点的变化率在±5%以内。长期循环压缩荷载作用, 对材料的各项性能指标无显著影响, 能够保证在文化中心建筑生命周期内发挥减振降噪作用。

本工程采用的隔振垫材料为德国BSW公司生产的Regupol vibration 480, 550, 800型橡胶隔振垫, 是以橡胶聚氨酯为原料的绿色环保产品, 符合德国及欧洲各项质量标准。在橡胶隔振垫的应用中, 有下列施工重难点。

1) 应用型号种类多根据基底反力及外墙侧向土压力, 底板处选用Regupol vibration 480, 550, 800型的隔振垫, 3种型号隔振垫交错布置, 要求每块隔振垫准确定位, 施工难度大;外墙选用Regupol vibration 480型隔振垫, 利用非固化橡胶沥青防水涂料粘贴后, 再喷涂沥青防水材料, 多工种交叉施工的质量控制是施工重点。

2) 单块橡胶隔振垫尺寸大根据BSW厂家提供的数据, 常规使用的隔振垫长边尺寸在400mm以内, 而本工程使用的隔振垫长2 000mm、宽1 150mm, 厚度分别为15, 10mm, 施工中的铺装误差控制有极高要求。

3) 单体工程用量大。本工程共需铺装约23 000m²橡胶隔振垫, 其中Regupol vibration 480型约11 700m², Regupol vibration 550型约6 300m², Regupol vibration 800型约4 800m²。如此大面积的隔振铺装施工, 必须在施工中精细管理、严格履行验收程序, 确保铺装部位准确、质量合格。

1) 铺贴防水层→划分底面区块并标识→分层错缝安装隔振垫→铝箔胶带封贴对缝→铺设聚乙烯薄膜→浇筑细石混凝土保护层。

2) 按照设计好的隔振垫应力分配图, 用皮尺和记号笔在底面划线, 将安装不同型号隔振垫的区域准确分隔开, 并在每个独立分隔的区块用相应的彩色喷漆标志清楚 (见图9) 。

3) 标记完成后开始安装隔振垫, 应一个型号安装完成后安装另一型号, 不得交叉施工。平面第1层隔振垫直接铺装在防水层上, 第1层铺装完成验收后, 将上一层直接铺装在下一层上。有条件时, 第2层隔振垫铺装时要和第1层错缝, 第3层要和第2层错缝。隔振垫之间对缝, 严禁搭缝, 对缝必须密实。最上层隔振垫对缝处用铝箔胶带粘贴, 粘贴后用滚轮压实。

4) 底板高低跨、集水坑、底板外防水导墙立面采用环保型专用橡塑胶水粘贴, 每片隔振垫3~6个粘贴点, 横向3个, 竖向1~2个。粘贴点直径200mm, 中心间距均为600mm。

1) 喷涂非固化橡胶沥青防水涂料→粘贴R480型隔振垫→喷涂沥青防水材料→粘贴防水卷材。

2) R480型隔振垫直接粘贴在非固化橡胶沥青防水涂料层上, 用木槌敲实。隔振垫之间对缝, 严禁搭缝, 对缝必须密实。

3) 在隔振垫上喷涂2mm沥青防水材料, 将隔振垫之间可能存在的缝隙填满。

1) 隔振材料进场后, 施工单位会同建设单位、监理单位、材料代理商对隔振垫的商检证明资料、外观质量、规格尺寸进行共同验收, 相关要求如表7所示。

2) 铺装施工前, 作业面防水层上不得有漏洞、气孔、空鼓、凸起等缺陷, 不得有积水、砂石或其他任何杂物。

3) 铺装完成后, 建设单位、监理单位、施工单位共同对施工质量进行验收。

此项隔振技术的应用, 通过实测计算、试验计算, 精确预测隔振效果, 结合建筑使用情况确定最佳隔振方案, 并成功地完成了工程的隔振施工。地下轨道交通在城市建设中发展迅猛, 难免会穿越地上建筑物, 在一些深基坑或对振动较敏感的建筑物区域需要采用有效的主动及被动减振措施来减少振动对建筑使用功能的影响, 故该技术有着广阔的应用前景。