Оценка вибрационного воздействия от Калужско-Рижской линии метрополитена при заходе в электродепо Свиблово

Цель работы – получение фактических данных о вибрациях, возникающих во время движения поездов Калужско-Рижской линии метрополитена при заходе в электродепо Свиблово и соответственно выходе из него на участке строительства объекта «Здание с дошкольными группами на 225 мест» по адресу: г. Москва, СВАО, ул. Кольская, вл. 8 .
По сведениям, предоставленным Заказчиком, проектируемый объект расположен в непосредственной близости от наземной части линии метрополитена на участке захода в электродепо Свиблово, при этом ближняя  торцовая стена здания объекта расположена параллельно путям линии метрополитена на расстоянии ~ 90 м

необходимо провести контрольное вибродиагностическое обследование площадки строительства для оценки (прогноза) максимально возможных уровней вибраций в помещениях корпуса указанного выше объекта от движения поездов метрополитена с целью проверки их на соответствие требованиям регламентируемым положениями санитарных
норм [1, 2].
Кроме того, согласно техническому заданию на выполнение работы необходимо дать оценку вибрационного воздействия поездов метрополитена на конструкции объекта.
Необходимо отметить, что по результатам измерений вибраций не ожидалось получения информации о значительных колебаниях на поверхности грунта, таких как те, что возникают вблизи линий тоннелей метро мелкого заложения или наземного расположения при регулярном движении метро поездов на перегонах между станциями, т.к. при подъезде к депо поезда идут со скоростью не более 15 км/час, а в помещении депо их скорость падает до 2 км/час.
В санитарных нормах одним из основных нормируемых параметров вибрации является среднеквадратическое значение (СКЗ) виброускорения (виброскорости), либо логарифмический уровень вибрации в децибелах (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31.5 и 63 Гц.
Прогноз уровней вибраций в помещениях здания может быть выполнен с учетом рекомендаций ряда нормативной литературы, разработанной на основе многолетнего практического опыта измерения вибраций в зданиях, расположенных вблизи линий метрополитена [3, 7, 8 и 10].
При выполнении прогноза допускается в качестве ожидаемых величин вибрации в проектируемых и намеченных к строительству вблизи линий метрополитена зданиях принимать значения вибрации, полученные методом непосредственного измерения на поверхности грунта строительной площадки в месте расположения будущего здания.
В указанных выше документах рекомендуется оценивать уровни вибрации в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 16, 31.5 и 63 Гц, т.к. именно в этих октавах при движении поездов метрополитена наблюдаются наибольшие превышения уровней вибрации в зданиях над нормативными величинами.
Для непостоянной вибрации нормируются эквивалентные корректированные ускорения, приведенные к нормируемому периоду контроля вибрации и их логарифмические уровни в дБ.
Измеряемой величиной является среднеквадратичное ускорение. Для измерения корректированного ускорения используется частотная коррекция Wm, которая применятся в диапазоне частот от 1 до 80 Гц.
В разделе 3 приведены результаты измерения уровней колебаний в 2-х точках на поверхности грунта, находящихся на территории площадки под будущее строительство объекта и расположенных вдоль абриса фундамента корпуса объекта на разных расстояниях от  путей линии метрополитена.

1. ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
В качестве виброизмерительной аппаратуры использовались два комплект, из которых первый (для записи ускорения колебаний) включал в себя:
–   шесть вибропреобразователей типа АР98-100-01;
– два виброметра «ЭКОФИЗИКА-110В» и «ЭКОФИЗИКА-110А», разработанные ООО «ПКФ Цифровые приборы», заводские номера БФ140020 и ЭФ110404 соответственно.
Второй комплект виброизмерительной аппаратуры (для записи скорости колебаний) включал в себя:
- два 3-х компонентных высокочувствительных (2х1200 В/м/с) велосиметра CMG – 6T, производства  компании «Guralp Systems Limited», Великобритания, модель 6T-MAV101300242L, заводские номера T6H50 и T6I32;
- полевой сейсмический регистратор DR4030, производства ООО «АСТ», заводской номер 4030044.
Перед проведением виброизмерительных работ на строительной площадке в лабораторных условиях была проведена совместная проверочная калибровка измерительных комплектов на вибростенде с одновременной установкой виброизмерительных датчиков обоих комплектов на площадку вибростенда.
Измерительные датчики для записи ускорения и скорости колебаний устанавливались в точках 1 и 2 на поверхности грунта с помощью металлических площадок размером 25х20х0,8 см со стержнями из заостренного уголка 5х5х0,4 см длиной 21 см, задавливаемыми в грунт (фото 1).
К указанным выше металлическим площадкам каждый датчик записи ускорения закреплялся с помощью магнита с резьбовой шпилькой входящего в виброизмерительный комплект. Датчики для записи горизонтальных колебаний были направлены вдоль продольной и поперечной осей проектируемого здания.
На рисунке 2.1 приведен ситуационный план с расположением запроектированного здания по отношению к железнодорожным путям и указано расположение точек, в которых проведены измерения вибраций. Точки 1 и 2 расположены на расстоянии примерно 90 и 125 м от путей метрополитена ведущих в депо.
Согласно информации полученной от сотрудника депо заход и выход поездов из депо осуществляется в следующие периоды времени: 6:30 – 7:00, 9:30 – 10:00, 14:30 – 15:00 и 19:30 – 20:00. Измерение и регистрация вибраций на поверхности грунта производилась 25 декабря 2022 г. с захватом последнего из указанных выше интервалов по времени. Данный период времени был согласован из условия прекращения, каких либо строительных работ на территории строительной площадки для исключения их влияния на вибрации грунта вызываемые проходом поездов по путям метрополитена ведущих в депо.
Измерение и регистрация вертикальных и горизонтальных вибраций на поверхности грунта проводилось одновременно в точках 1 и 2.
Запись параметров вибрации виброметрами «ЭКОФИЗИКА-110В» осуществлялась в режиме «Общая вибрация» с сохранением данных с помощью программы «Запись сигнала», позволяющей одновременно с измерениями параметров вибрации осуществлять запись временных реализаций сигналов (ускорения колебаний в точке измерения).
Параметры вибрации, фиксируемые прибором – текущее, минимальное и максимальное значения СКЗ ускорения в октавных частотных полосах (со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8, 16, 31.5, 63 и 125 Гц) со временем осреднения уровней вибрации равным 1, 5 и 10 сек.
Запись ускорения колебаний велась с постоянным шагом оцифровки по времени, равным 0,00133 сек (750 Гц). В результате получены цифровые записи ускорения вертикальных (компонента Z) и горизонтальных (компоненты X, Y) колебаний в точках измерения.
Запись скорости колебаний велась регистратором DR4030 с постоянным шагом оцифровки по времени, равным 0,0025 сек (400 Гц).
Обработка записей ускорения и скорости колебаний в точках измерения производилась с помощью пакета прикладных программ «WinПОС», разработанного в НПП «МЕРА». Пакет «WinПОС» предназначен для обработки измерительной информации с помощью стандартных математических и статистических алгоритмов, графического представления данных и документирования.
В процессе предварительной обработки записей была применена процедура цифровой фильтрации с целью получения записей исключающих, как инфронизкие, так и высокочастотные помехи, всегда присутствующие в аналого-цифровой аппаратуре и оказывающие негативное влияние на информативность полезного сигнала. Для этой цели применялись полосовой фильтр ФВЧ Баттерворта 3-го порядка и фильтр ФНЧ Чебышева 6-го порядка.
Частотный диапазон цифровой фильтрации был выбран от 0,7 Гц до 90 Гц, исходя из диапазона частот, установленного санитарными нормами.
Значения параметров вибраций за всё время выполнения записей в каждой из указанных на рисунке 2.1 точек приведены в разделе 3.

1.Результаты измерений
В разделе приведены результаты обработки записей ускорения и скорости колебаний поверхности грунта в точках 1 и 2 при регистрации вибраций на поверхности грунта, выполненной 25 декабря 2022 г. в период интервала по времени с 19:05 по 20:15. В указанный период времени регистрация вибрации велась одновременно двумя комплектами измерительной аппаратуры, описание которой дано в разделе 2.
Во время выполнения регистрации вибрации велось наблюдение за моментами по времени прохождения поездов по рельсовым путям, ведущим к депо. Так было зафиксировано прохождение 2-х составов вагонов из депо примерно через 8 и 44 минуты после начала измерения и записи вибрации. Также было зафиксировано прохождение 2-х составов вагонов в депо примерно через 58 и 62 мин.
На рисунке 3.1 приведены осциллограммы ускорения вертикальных и горизонтальных колебаний в точке 1 для указанного выше периода времени.
На осциллограммах хорошо видны моменты прохода поездов метрополитена, при которых колебания кратковременно значительно усиливаются по сравнению с «фоновыми». Также можно отметить, что максимальные значения ускорения колебаний на поверхности грунта при выходе поездов из депо меньше, чем соответствующие значения при их заходе в депо, что возможно связано с эффектом их торможения при заходе в депо.
1.    Оценка значений эквивалентного Корректированного уровня ускорений в помещениях здания
Согласно СанПиН 1.2.3685-21 (п.107, б) нормируемым параметром непостоянной вибрации являются эквивалентные корректированные ускорения (по осям Z, X, Y), приведенные к нормируемому периоду контроля вибрации и их логарифмические уровни в дБ. Данная оценка является интегральной оценкой вибрации, воздействующей на человека, как по частоте, так и с учетом времени её воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню.
Ниже приведена сводная таблица допустимых значений и уровней вибрации в помещениях жилых и общественных зданий в случае «непостоянной вибрации» на основе таблиц 5.36 и 5.37 СанПиН 1.2.3685-21 с учетом указанных поправок согласно (п.111, п.112 и п.113).
Таблица
1.1

Оценку вибрации получают на основе результатов измерений. Если проведение измерений невозможно, допускается использовать различные способы расчета ожидаемых значений вибрации.
Согласно п.108 СанПиН 1.2.3685-21 измеряемой величиной является среднеквадратичное ускорение. Для измерения корректированного ускорения используется частотная коррекция Wm, которая применяется в диапазоне частот от 1 до 80  Гц.
Таким образом, целью выполнения прогноза вибраций в помещениях зданий, попадающих в зону влияния метрополитена, является проверка условия:

где а_w,экв и Lа_w,экв – прогнозируемые оценочные значения виброускорения, м/с², и его уровня, дБ в рассматриваемом здании;
а_{w,экв.доп} и Lа_{w,экв.доп} – допустимые значения виброускорения, м/с², и его уровня, дБ принимаемые по СанПиН 1.2.3685-21 и приведенные в таблице 1.1.
В данной работе исходными данными для прогноза являются полученные в результате регистрации аппаратурой за всё время измерений значения среднеквадратичного ускорения в октавных полосах колебаний (по осям Z, X, Y) в точках на поверхности грунта расположенных в пределах абриса фундамента проектируемого здания. Данные значения приведены в таблице 3.3.
Далее методика прогноза вибраций в помещениях зданий построена с учетом рекомендаций СП 465.1325800.2019 и СП 441.1325800.2019.
В случае, когда имеются данные о колебаниях в точках на поверхности грунта расположенных в пределах абриса фундамента проектируемого здания, вычисление ускорения а (м/с²) несущих и ограждающих конструкций зданий можно производить по формуле:

где а_u(p) – измеренный третьоктавный (октавный) спектр вертикальной и горизонтальных составляющих ускорения колебаний грунта на абрисе фундамента здания, м/с²;
k_fund – частотно-зависимая функция, характеризующая передачу вибрации с грунта на фундамент здания, определяемая по п.5.2.4 СП 441.1325800.2019;
k_rez – частотно-зависимая функция, соответствующая резонансному увеличению колебаний ограждающими поверхностями помещений, определяемая по п.5.2.5 СП 441.1325800.2019;
k_h – частотно-зависимая функция, учитывающая изменение колебаний по высоте здания, определяемая по п.5.2.4.6 СП 441.1325800.2019.
Формула (2) справедлива при вычислении нормируемых параметров вибрации, как для вертикальной, так и для горизонтальных составляющих колебаний с учетом замены соответствующих частотно-зависимых функций в зависимости от направления воздействия.
На стадии оценочной проработки допускается принимать передаточную функцию k_fund для перехода с грунта на фундамент здания по кривым, приведённым на рисунке 4.1 (рис. 5.1 СП 441.1325800.2019).
Кривая 2 на рисунке 4.1 может быть использована для вычисления передаточных функций для зданий малого объема и нормальных грунтовых условий (скорость распространения продольных волн около 200 м/с). Если грунт мягче или жестче (скорость распространения продольных волн отличается в среднем более чем в два раза) следует пользоваться кривой «3» или «1», соответственно. Если исследуется высотное здание, следует пользоваться кривой «3».

Рисунок 4.1 – Передаточная функция k_fund
  Расчет значений резонансного увеличения амплитуд колебаний конструкций производится для изгибаемых элементов зданий (перекрытий и стен в помещениях здания).
В СП 441.1325800.2019 определение резонансных частот изгибаемых конструкций здания (перекрытий, ограждающих стен и перегородок помещений) рекомендуется проводить в рамках численного моделирования в верифицированных программных комплексах, построенных по методу конечного элемента (МКЭ).
Основываясь на полученном значении резонансной частоты ограждающей конструкции, ее передаточную функцию k_rez определяют по графикам на рисунке 4.2 Ошибка! Источник ссылки не найден.(а) и 4.2 (б) для бетонных и деревянных конструкций соответственно (рис. 5.2 в СП 441.1325800.2019).
В рамках применения оценочной методики прогнозирования в данном случае применён вариативный подход, заключающийся в выполнении серии расчетов при вычислении нормируемых параметров вибрации (как для вертикальной, так и для горизонтальных составляющих колебаний) в диапазоне разброса возможных значений резонансных частот изгибаемых конструкций здания.
При общей оценке динамических характеристик зданий или их элементов следует разделять горизонтальные колебания зданий в целом, вертикальные колебания элементов перекрытий и горизонтальные колебания стен и перегородок на частотах близких к их резонансным колебаниям.

Рисунок 4.2 – Частотно-зависимые функции k_rez для бетонных (а) и деревянных (б) конструкций
Частоты вертикальных колебаний элементов перекрытий для жилых и общественных зданий составляют 15-25 Гц [12].
Первые частоты собственных горизонтальных колебаний стен и перегородок помещений здания (необходимых для расчета параметров структурного шума), зависящие от материала, толщины и характера крепления к несущим конструкциям здания могут находиться в достаточно широком диапазоне частот и могут достигать нескольких десятков герц.
Таким образом, при оценке нормируемых параметров вибрации ограждающих конструкций помещений здания, варьирование значений резонансных частот этих изгибаемых конструкций следует проводить, начиная с третьоктавной полосы со среднегеометрической частотой 16 Гц.
В рамках применения оценочной методики прогнозирования, распространение колебаний по зданию допускается не учитывать «в запас» расчетной модели, принимая передаточную функцию k_h = 1.
В сводной таблице 4.2 приведены эквивалентные корректированные значения уровней ускорения ограждающих конструкций помещений здания (при частотной коррекции Wm) полученные в результате расчета по формуле (2) на основе значений приведенных в таблице 3.3, значений на графике, приведенном на рисунке 4.1 для кривой 1 (применение которой приводит к максимально возможным значениям Lа_{w,экв.кор} и идет «в запас» расчетной модели) и значений на графике, приведенном на рисунке 4.2 (а) для бетонных конструкций.
Таблица
 4.2

Полученные в результате расчета значения уровней в таблице 4.2 приведены в зависимости от возможного попадания собственной частоты изгибных колебаний ограждающей конструкции помещения здания (f_с.к.) в соответствующую третьоктавную полосу на спектре колебаний возникающих при движении поездов метрополитена.
Из таблицы 4.2 следует, что при всех возможных околорезонансных колебаниях ограждающих конструкций помещений здания оценка значений их эквивалентных корректированных уровней, выполненная с учетом рекомендаций СП 465.1325800.2019 и СП 441.1325800.2019, не превышает нормируемого СанПиН 1.2.3685-21 соответствующего уровня для палат больниц и санаториев (равного 59 дБ) и тем более для помещений образовательных учреждений (равного 67 дБ).
По результатам анализа полученных воздействий и прогнозируемых значений вибраций, превышений нормируемых значений не выявлено.
Вибрационное воздействие от метрополитена также может сопровождаться структурным шумом. Учитывая отсутствие превышений нормируемых параметров вибрационного воздействия, уровень структурного шума не превышает гигиенических требований.  

Выводы
1. Выполнены контрольные замеры непостоянных вибраций, возникающих во время движения поездов Калужско-Рижской линии метрополитена при заходе в электродепо Свиблово и, соответственно, выходе из него, на площадке строительства объекта «Здание с дошкольными группами на 225 мест» по адресу: г. Москва, СВАО, ул. Кольская, вл. 8.
2. В двух точках на поверхности грунта (расположенных в пределах абриса фундамента проектируемого здания и на расстоянии примерно 90 и 125 м от путей метрополитена ведущих в депо) двумя комплектами измерительной аппаратуры производилась одновременная запись ускорения и скорости вертикальных и горизонтальных колебаний и регистрация их уровней в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8, 16, 31.5 и 63 Гц.
3. Результаты измерений уровней вибрации на поверхности грунта в точке 1, расположенной наиболее близко к путям метрополитена ведущих в депо и в точке 2, расположенной на расстоянии 35 метров от первой, при проходе поездов метрополитена в депо и при соответственно выходе отсутствует превышение максимальных значений уровней вибрации над принимаемыми по санитарным нормам (СанПиН 1.2.3685-21) допустимыми значениями для помещений образовательных учреждений, а также и для палат больниц и санаториев.
4. Результаты измерений вибрации показали, что максимальное значение скорости колебаний в точках на поверхности грунта строительной площадки не превысило  0,05 мм/с.
5. Оценка (прогноз) значений эквивалентных корректированных уровней виброускорения ограждающих конструкций в помещениях здания, выполненная с учетом рекомендаций СП 465.1325800.2019 и СП 441.1325800.2019 показала, что эти значения не превышает нормируемого СанПиН 1.2.3685-21 соответствующего уровня для палат больниц и санаториев (равного 59 дБ) и тем более для помещений образовательных учреждений (равного 67 дБ).
6. Выполнена оценка воздействия вибрации на механическую безопасность несущих конструкций здания в соответствии с положениями ГОСТ Р 52892, а также оценена возможность развития дополнительных неравномерных осадок фундамента здания, вызванных длительным динамическим воздействием. Результаты оценки позволяют сделать вывод, что эксплуатационная надежность здания при длительном воздействии действующих в настоящее время вибраций от движения поездов железнодорожного транспорта, обеспечена.
7. Результаты выполненных контрольных замеров непостоянных вибраций и прогноза структурных шумов, возникающих во время движения поездов Калужско-Рижской линии метрополитена при заходе в электродепо Свиблово и, соответственно, выходе из него, на площадке строительства объекта «Здание с дошкольными группами на 225 мест» по адресу: г. Москва, СВАО, ул. Кольская, вл. 8 и выполненный прогноз соответственно для вибрации в помещениях здания показал, что проведение дополнительных шумо-виброзащитных мероприятий не требуется.