减振基台技术在高标准防微振实验室中的应用

【摘  要】：本文围绕基于量子光源的引力波探测实验所需的高标准防微振实验室，从建筑结构施工方面入手，通过采用减振基台技术，有效降低周边环境的微振动对高精设备基础干预影响的问题进行了探讨。实践证明，减振基台技术可广泛的应用于高标准防微振实验室结构中。

【关键词】：防微振；VC-E标准：减振基台；独立基础；脱离；隔振砂缓冲层

1  工程概况

山西大学基于量子光源的引力波探测地基观测原型机项目，包含引力波原型机实验室和综合楼，总建筑面积15363.26㎡。其中的引力波原型机实验室建筑面积5424.74㎡（地上4472.88㎡，地下651.86㎡），地上二层，局部单层与地下贯通为半地下室，建筑高度为14.40米，钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度8度，设计使用年限50年，主要功能为高标准实验室及百级、千级、万级洁净室等。

2  原型机实验室防微振标准的背景及要求

引力波探测原型机的科学目标是验证量子光源技术以及量子光源与激光干涉仪的结合，验证真空度为2×10-6Pa大尺寸真空技术，验证将地震噪声降低九个数量级的震动隔离技术，验证高功率、低噪声1550nm激光技术，验证大尺寸硅基材料加工和镀膜技术等。综合应用量子光源技术、高真空技术、高功率1550nm激光器、硅基材料等技术，进行引力波探测大科学装置建设前期技术验证工作。本项目原型机所探测的引力波探测频率为10Hz-10kHz，原型机的灵敏度为10-19/sqrt（Hz），应变本底噪声优于10-18/sqrt（Hz）。引力波探测过程中要克服包括镜片基底热噪声、镜片镀膜噪声、悬挂热噪声、地震噪声、牛顿引力噪声、残余气体噪声等多种噪声的干扰，10-100Hz范围内的装置微振动控制指标不大于装置总体噪声控制标准。故高标准实验室设施建设目标为：

⑴ 建造兆赫兹分析频率、压缩度达15dB的量子光源，指标达国际最好水平；

⑵ 建造输出功率为200W、波长为1550nm的单频、千赫兹线宽激光光源，指标达国际同类激光器最高水平；

⑶ 建造五级水平方向隔震加四级垂直方向隔震组成的震动隔离系统，将水平方向的地震噪声降低九个数量级，垂直方向的地震噪声降低六个数量级；

⑷ 建造大尺度、低噪声的真空系统，真空度为2×10-6Pa；

⑸ 建造大尺度、低损耗镜片生产系统，镜片的直径为34cm，重量为40kg，损耗为10ppm；

⑹ 建造探测灵敏度为10-19/sqrt（Hz）的引力波探测原型机。

综上，引力波原型机实验室对振动控制的要求最为苛刻，要求原型机实验大厅地面的微振动控制标准确定为在负载情况下不大于VC-E标准（f ≥10Hz），原型机设备独立基础的微振动控制标准确定为在负载情况下不大于VC-E标准。

3  减振基台技术的应用

在总图规划位置上，原型机实验室位于项目地块东北侧，校区高程最高处，远离既有建筑，周围校内道路设计为仅用于消防的道路，平时无车辆行驶，同时在建筑周围设置绿化隔离带，最大程度保证现有场地振动噪声环境不因工程建设而恶化。除以上措施外，综合实验设备所需的技术条件并考虑工程的经济性，本项目还采取了对临近建筑内的强振源进行治理、对建筑结构采取防微振措施、对建筑物内振源进行有效治理以及对精密设备采取多级隔振措施等多项并举、综合统筹的办法，确保原型机实验大厅地面的微振动控制值不大于VC-E标准。上述措施中的关键项“对建筑结构采取防微振措施”中的主要方法，即对原型机设备基础采用减振基台技术。

3.1 对原型机实验大厅地面的微振动控制

因实验室基底土为湿陷性粉土，且本建筑的设备对防微振要求很高，故基础采用桩筏基础，桩型为灌注桩基础，底板采用≥2m厚的混凝土结构底板。另防微振要求基底土与底板必须紧密接触，考虑到压密注浆的不均匀性，桩间土先采用水泥土桩进行挤密处理，再采用压密注浆的方式，全部消除湿陷性。采用上述施工措施后，原型机底板振动响应在频率f ≥10Hz时，可满足VC-E级标准的防微振控制要求。

3.2 对原型机设备独立基础的微振动控制

采用四块4m×4m×4m独立的钢筋混凝土设备基础做减振基台，与原型机实验大厅的底板结构脱离，在两者之间的底部设置300mm厚、立面侧部设置200mm厚精洗隔振砂缓冲层。

4  减振基台施工

4.1 施工工艺

4.2 施工要点及应用

4.2.1 基础底板结构施工

采用混凝土现浇结构施工工艺，按照结构施工图设计参数要求进行基础底板施工。按方案做好底板大体积混凝土浇筑过程中及混凝土龄期内的降温、养护等措施，同时做好底板混凝土平面及设备减震基台预设埋坑底面、立面的二次收面压光工艺。

4.2.2 减振基台底部隔振砂缓冲层铺设

待基础底板混凝土强度达到设计强度的50%后，开始铺设减振基台底部300mm厚隔振砂缓冲层。隔振砂采用高质量水洗中粗砂，隔振砂进场后需进行翻晒，确保含水率≤1%，以防含水率超标的砂体在受挤压后结团，影响减振阻尼效果。

隔振砂应分上下两道均匀铺设，用平锹或钉耙摊铺整平，不可成堆倒入后再行摊平，避免隔振砂层孔隙率不均匀。考虑到上部减震基台质量较大（质量约160吨），砂层厚度需多铺50mm做好承压余量。铺设完成后的砂层顶面高差应不大于20mm。

预设埋坑边应砌筑挡水台，防止外水流入隔振砂层中。

4.2.3 减振基台结构施工

在隔振砂层上做100mm厚素混凝土垫层，垫层应扩出减振基台外边100-150mm。垫层混凝土浇筑时应采取缓流措施，避免混凝土下料时动能过大冲散下部砂层，破坏隔振砂层质量。垫层外边与基础底板之间的间隙，需用树脂胶泥填充密实，用以隔绝减振基台混凝土浇筑时的灰浆渗入底部隔振砂层中。

在垫层上，采用混凝土现浇结构施工工艺，进行钢筋混凝土减振基台的施工。减振基台钢筋绑扎安装时，应从中心向四周铺设钢筋，保证在钢筋架体安装过程中，下部基底承压均匀。钢筋笼绑扎前，在钢筋笼侧壁与减震基台预设埋坑的立面之间先挂贴200mm厚挤塑板隔离层，挤塑板材质的容重、强度要满足隔离层要求，以防在混凝土浇筑过程中损坏或严重变形；挤塑板与底部隔振砂层之间、挤塑板块体之间的拼缝部位，均要用胶带封贴严密，防止灰浆渗入。

浇筑基台混凝土前，需做好大体积混凝土施工降温及养护方案，在基台钢筋笼内埋置降温管，在浇筑及养护时严格执行，并做好测温监控。

浇筑基台混凝土时，下料应从中心向四周灌注，以防出现局部堆料过多、偏重的情况，影响底部隔振砂层质量。                                图3  减振基台钢筋安装

4.2.4 减振基台侧壁隔振砂缓冲层填充

减振基台混凝土达到一定强度后，方可清除出挤塑板隔离层，之后再填入隔振砂。侧壁隔振砂应填充饱满，沿基台四周间隙分层、环绕、均匀、等高度填入，直至设计高度。

5  减振基台防微振效果测试

5.1 测试目的

防微振测试目的是研究减振基台周边可预见的主要振源对原型机实验室地坪及设备减振基台的微振动水平影响。根据校区整体规划及实验室周边环境布置，可以预见影响本项目的主要振源为环境振动、实验室院系内部行人、车辆及校区临近道路的行驶车辆影响。

5.2 测试内容

本次测试主要了解减振基台在道路交通和环境振动下所致减振基台（短时测试8个点，24H测试4个点）和地坪（短时测试2个点，24H测试2个点）的微振动水平。

5.3 测试设备

⑴ 加速度传感器（2D001）

本次测试使用低频高解析度加速度传感器（2D001），加速度传感器振动频率响应为0.5-750Hz，符合一般高科厂精密设备振动最大带宽（1-250Hz）的需求；加速度计解析度为0.00004g RMS符合一般高科技厂房微振动规范0.01g之要求。加速度计灵敏度为10V/g（±10%）。

⑵ 动态数据采集仪（DH5922D）

本次测试使用东华测试股份有限公司研发的动态信号测试分析系统，其特性为携带方便、安装快速容易、可实时监测振动资料和连接各种带宽的加速度、速度、FFT、1/3频程谱（0.1-1kHz），并可在线计算分析各中常见频谱，实时给出微振动问题分析的结果。

⑶ 分析系统（DHDAS动态数据分析系统）

本次测试采用东华动态信号测试分析系统（DHDAS动态数据分析系统），该系统是基于大数据的动态数据分析系统，操作界面友好、安装便捷、可扩展性能强，根据需要可以进行FFT、1/3倍频程谱、三联谱、Narrowbanded谱和时程曲线再现等功能。

5.4 测试工况

⑴ 环境振动工况：基台8个测点，地坪2个测点

⑵ 行人工况：基台8个测点，地坪2个测点

⑶ 车辆影响工况（平路行使、过减速带）：基台8个测点，地坪2个测点

⑷ 24H工况：基台4个测点，地坪2个测点

5.5 测试结果

⑴ 环境振动影响测试

在测试时段路面交通较少、周边没有明确振源工况下，由环境振动所致减振基台的微振动水平为VC-F。

⑵ 行人振动影响测试

由行人振动所致减振基台微振动水平为VC-E。

⑶ 车辆行驶影响测试

本次测试主要采用车辆往返行驶的方式，研究地表振动的衰减规律。着重研究校区道路行使车辆，故测试中采用家用小轿车和重载渣土车，小轿车的行驶速度分别为10km/h、20km/h和30km/h，渣土车的行驶速度分别为10km/h、20km/h和25km/h。

小轿车所致微振动水平较低，10km/、及20km/h所致减振基台微振动水平为VC-G，30km/h所致减振基台微振动水平为VC-F。

重载渣土车所致微振动水平略大于小轿车，但在不同车速下所致减振基台微振动水平均为VC-E。

⑷ 24H测试

由24H内日常生产、生活环境下减振基台微振动水平统计结果可以得出：在一个正常的工作周期内，每个测点微振动水平随时间而变化。本次测试选取的四个典型时段（上午6：00-8：00，中午11：30-13：30，下午17：00-19：00，夜晚23：00-24：00），因下午时段路面交通车辆较多所致微振动水平居全天最高为VC-F，其他时段微振动水平为VC-G。

6  结语

减振基台技术在山西大学基于量子光源的引力波探测地基观测原型机项目中取得了良好的效果。经过对本项目实验室核心区域，在模拟各种工况下进行的微振动测试实验中，所得到的减振基台微振动水平测试数据结果显示：减振基台技术在对高标准防微振实验室类建筑物的结构体系控制微振动措施方面起到关键、有效的作用。该技术施工工艺简单、安全，质量把控稳定、可靠，核心技术门槛较低，施工工期短，经济性价比高，对类似高标准防微振实验室的建设具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]《建筑工程容许振动标准（GB 50868-2013）》，2013年.

[2]《隔振设计规范（GB50463-2008）》，2008年.

[3]《工程隔振设计标准（GB 50463-2019）》，2019