謝偉平，劉曉峰

（ 武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

    摘  要：本文系統(tǒng)的介紹了城市軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境振動所造成的影響，并總結(jié)概括了各國研究人員對這一問題所進(jìn)行的研究工作，以及采取的減振措施，最后對下面要開展的研究工作進(jìn)行了展望。

    關(guān)鍵詞：軌道交通；環(huán)境振動；減振；隔振；

    一、城市軌道交通的發(fā)展現(xiàn)狀

    隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)人口急劇增加，各大中城市的交通變得越來越擁擠，這不但使人們的出行變得越來越困難，而且造成了能源浪費、環(huán)境污染、運輸效率下降，這在很大程度上制約了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已成為各大中城市在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)中所面臨的一大難題。為解決這一難題，我國從七十年代初就開始興建城市地下鐵路系統(tǒng)，以緩解城市交通擁擠的問題，目前，發(fā)展軌道交通已成為中國一些大城市解決交通擁堵問題的重要舉措。據(jù)國家計委資料顯示，“十五”期間，中國城市交通投資將達(dá)到8000億元人民幣，其中至少有2000億元用于地鐵建設(shè)，有近1000億元用于輕軌建設(shè)，今后我國將積極支持具備條件的大城市加快發(fā)展城市軌道交通，地鐵、輕軌建設(shè)將會在較長時間里成為中國基礎(chǔ)建設(shè)投資的重點之一。

    所謂城市軌道交通，是指城市公共交通系統(tǒng)中的地鐵、輕軌等公共客運系統(tǒng)，由于它具有大運量、高效率、低污染等優(yōu)點，因此成為世界許多國家城市公共交通的重要組成部分。城市軌道交通建設(shè)在我國雖然起步較晚，但近年來得到了迅速發(fā)展，目前中國已有20個特大城市和大城市正在建設(shè)和籌建自己的軌道交通項目。其中，北京、天津、上海、廣州等城市已開通了17條地鐵和輕軌交通線路，運營線路總長度達(dá)410多km；預(yù)計從現(xiàn)在起，到2010年左右，中國將有15個城市規(guī)劃建設(shè)軌道交通1500km，這些計劃建設(shè)的城市軌道交通的總投資將達(dá)到5000億元人民幣左右，北京、上海、廣州三座城市規(guī)劃以每年40km的速度建設(shè)軌道交通，這樣的速度在國際上也是罕見的。除里程增加外，我國軌道交通也由地鐵這一種形式向多元化發(fā)展，如大連、武漢等城市建設(shè)了輕軌，上海市建設(shè)了磁懸浮等。

     二、城市軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境問題

    城市軌道交通在緩解城市交通擁擠，給人們的出行帶來方便的同時，也產(chǎn)生了環(huán)境振動、噪聲污染等一系列問題。振動對大城市生活環(huán)境和工作環(huán)境的影響引起了人們的廣泛關(guān)注，國際上已把振動列為七大環(huán)境公害之一，并開始著手研究振動的產(chǎn)生原因、傳播途徑、控制方法以及對人體的危害等。

    據(jù)有關(guān)國家統(tǒng)計[1]，除工廠、企業(yè)和建筑物施工外，交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動問題是公眾反映中最強烈的，約占總投訴的14%。

    2.1 環(huán)境振動產(chǎn)生的影響

    1、影響沿線居民的正常工作和生活

    環(huán)境振動一般不會對人體造成直接傷害，但它會干擾人們的日常生活，使人感到不適、心煩意亂，甚至影響人們的睡眠、休息和學(xué)習(xí)。振動試驗表明，振動強度越高，對人們睡眠的影響越大。當(dāng)振動加速度為60dB時，人們剛剛可以感覺到振動，它并不影響人們的睡眠，但對較敏感的人或患病者則會產(chǎn)生影響；當(dāng)振動加速度為65dB時，對睡眠有輕微影響；達(dá)到69dB時，所有輕微睡眠的人將會被驚醒；達(dá)到74dB時，除酣睡的人，所有人都將被驚醒；達(dá)到79dB時，所有人都將被驚醒。

    2、影響周圍建筑物尤其是古舊建筑物的結(jié)構(gòu)安全

    交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動通過周圍地層向外傳播，進(jìn)一步引發(fā)臨近建筑物（包括室內(nèi)家具）的二次振動，從而對附近建筑物尤其是古舊建筑物的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生很大影響。在捷克，繁忙的公路或軌道交通線附近的某些磚石結(jié)構(gòu)的古教堂，因車輛通過時產(chǎn)生的振動而產(chǎn)生了裂縫，甚至發(fā)生了由于裂縫不斷擴(kuò)大而導(dǎo)致建筑物倒塌的事故。在北京據(jù)西直們附近距離鐵路約150m處的一座五層樓內(nèi)的居民反映，當(dāng)列車經(jīng)過時，可感到室內(nèi)有較強振動，玻璃和門窗發(fā)出嗡嗡的聲音，一段時間后，室內(nèi)家具由于振動而發(fā)生了錯位。

    3、影響精密儀器的生產(chǎn)及正常使用

    環(huán)境振動對激光、電子顯微鏡、電子天平、外科手術(shù)器具等的操作也有很大影響。它會造成這些儀器讀數(shù)不準(zhǔn)、精度下降、使用壽命縮短等。例如，廣州市環(huán)保所所處位置交通狀況比較復(fù)雜，其一側(cè)30m處有廣深高速鐵路通過，另一側(cè)約80m處又有城市高架線路，該所內(nèi)的儀器對環(huán)境要求較嚴(yán)格，使用環(huán)境要遠(yuǎn)離振源（如軌道、交通干線、重要機(jī)械等），為保護(hù)儀器的正常工作，該所曾對周圍環(huán)境振動產(chǎn)生的影響進(jìn)行了實測與評價，以確定是否需要采取隔振措施。另外，振動對電子芯片等半導(dǎo)體器件也會產(chǎn)生很大影響，在電子芯片的制造過程中，0.01微米的誤差就可造成災(zāi)難性的后果。

    2.2  環(huán)境振動的研究現(xiàn)狀

    軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境振動問題與車輛、軌道、橋梁、地基等諸多因素有關(guān)，因此對這一問題的研究變得十分復(fù)雜。各國的研究人員對振動的產(chǎn)生原因、傳播途徑以及傳播規(guī)律進(jìn)行了大量的研究工作，縱觀目前本領(lǐng)域?qū)υ搯栴}所采取的相關(guān)研究方法和研究對象，大致可分類如下：

    第一，用傳統(tǒng)的格林函數(shù)分析法和波動理論對軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的研究。

    Grassie S.L.[2] 等指出了傳統(tǒng)軌道模型的不足，同時提出了兩種模型：其一是連續(xù)性模型，軌道模擬為Timoshenko梁；其二是把枕木離散化，軌道模擬為Euler梁，對高頻車輛引起的軌道響應(yīng)進(jìn)行了分析。Krylov[3]用GREEN函數(shù)計算了由于軌道彎曲引起的地面振動，得出了考慮軌道—地基系統(tǒng)中彎曲波傳播的影響時地面振動表達(dá)式。Kaynia[4]分析了高速列車引起的地基振動，將地基模擬為成層粘彈性半空間，軌道模擬為粘彈性梁，應(yīng)用GREEN函數(shù)計算了地基—軌道接觸點處土層的阻抗矩陣，得到了時間域的響應(yīng)。ShengX.[5]等根據(jù)作用于軌道上穩(wěn)定的震蕩荷載引起的地面振動的傳播，研究了荷載直接作用于土層表面和考慮軌道和地基的耦合兩種情況，該方法可以用來研究由于軌道不平順性和低速列車引起的振動。Chen Y.H.[6]等分析了簡諧荷載作用下置于粘彈性地基上無限長Timoshenko梁的響應(yīng)，建立了相應(yīng)的梁動力剛度矩陣，由此確定了臨界速度和共振頻率。

    第二，用傳統(tǒng)的格林函數(shù)分析法和波動理論對鐵路橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)的研究。

    楊永斌[7]等研究了高速列車下簡支梁的振動特性，將列車模擬為輪間距恒定的兩個系統(tǒng)，利用理論分析的方法，得到了控制梁動力響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，建議了有效控制梁共振響應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。Moreno Delgado R. [8]對高速列車下軌道橋梁系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，并用有限元法分析了軌道橋梁在移動車輛下的動力響應(yīng)。Cheng Y .S[9].等提出了一種新的橋梁—軌道—車輛耦合模型來研究移動列車、支撐、軌道以及橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用。Wu Y.S.[10]等研究了運行于簡支橋梁上的列車的二維穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，利用沖擊因子研究了不同列車速度下軌道—橋梁的沖擊響應(yīng)，確認(rèn)了當(dāng)列車—軌道—橋梁共振時列車的最大響應(yīng)。竹宮宏和、謝偉平[16]等研究了移動荷載作用下，軌道與地面的相互作用以及振動在鐵路沿線地基中的傳播。其中，軌道被模擬為彎曲梁，地基被模擬為彈性半空間或剛性基礎(chǔ)上的成層地基，將波在土中的傳播變換到頻率—波數(shù)域中進(jìn)行求解，通過軌道與地面的相互作用得到了作用于地表的荷載，并得到了軌道與地基的振動隨荷載移動的變化。

    第三，用有限元法對軌道系統(tǒng)進(jìn)行分析。

    Yu H.S.[11]等用有限元理論分析了成層土的受迫破壞，用Melon的受迫破壞理論來形成有限元公式，與以前的理論相比，該方法允許在劃分網(wǎng)格時，應(yīng)力不連續(xù)得到更精確的受迫破壞解。Wu J.S.[12]等用有限元方法確定了多輪車輛作用下軌道—地基的動力響應(yīng)，基于車輛及懸掛系統(tǒng)的動力平衡，得到了車輛的特性矩陣，利用直接積分法得到了車輛—橋梁的動力響應(yīng)。Ekevid Torbjorn[13]等用邊界元法分析了高速列車下波的傳播特性，為了有效模擬軌道結(jié)構(gòu)的各成分，考慮無限介質(zhì)，建立了地基振動的三維模型，提出了以位移為基礎(chǔ)的，將傳統(tǒng)有限元法與邊界元法相結(jié)合的雜交方法。

    第四，運用有限元法對鐵路橋梁動力響應(yīng)系統(tǒng)的研究。

    Chang T.P.[14]等用任意梁來模擬軌道和地基，用有限元方法分析了移動荷載作用下非線性梁的確定性振動響應(yīng)和隨機(jī)性振動響應(yīng)。Delgado.R.[15]對高速列車下軌道—橋梁—車輛系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，并用有限元法分析了軌道橋梁在移動車輛下的動力響應(yīng)。

    另外，日本的竹宮宏和運用擬靜力法分析了新干線軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)問題，考慮了成層土體對波傳播的影響，包括在平坦地面上的軌道系統(tǒng)、壩體上的軌道系統(tǒng)和高架軌道系統(tǒng)等，分別作出了不同情形下軌道系統(tǒng)的時間—加速度譜，頻率振幅譜，傳遞函數(shù)響應(yīng)譜，波動特征衰減曲線等，指出輪距和車廂數(shù)目對地面振動的影響至關(guān)重要，對于由列車產(chǎn)生的豎向荷載，在相鄰的地面將會產(chǎn)生相對的水平響應(yīng)，并且不同軌道系的響應(yīng)特征不一樣。同時[17]分析了高速列車通過時，高架橋及樁基礎(chǔ)的振動，研究了彈性波在土體中的傳播，提出了在振源周圍設(shè)置阻波塊以達(dá)到減振效果的措施，并分析了不同材料和排列的阻波塊所產(chǎn)生的不同減振作用，以找出最優(yōu)的減振方案。

    新加坡的Hong Hao[18]等人在Lamb的研究成果基礎(chǔ)上利用波在粘彈性半空間傳播的能量譜密度（PSD）來分析由交通荷載引起的地面振動響應(yīng)問題，他們用單軸雙自由度體系模型來代替交通車輛，并采用現(xiàn)場實測的路面粗糙度計算了三個點的響應(yīng)，計算結(jié)果與實測結(jié)果一致。通過反應(yīng)譜的分析還能夠證明由交通荷載引起的地面振動的主要影響因素是Reyleigh面波，而其中的體波部分相對來說較少，并且衰減較快。

    同濟(jì)大學(xué)的蔣通[19]等，考慮軌道不平順，采用整體車輛和橋梁組合的計算模型，對高架軌道進(jìn)行了車—橋動力分析。對給定的功率譜密度函數(shù)，構(gòu)造等效的頻譜幅值和隨機(jī)相位后再作Fourier逆變換來模擬軌道不平順，結(jié)果表明新方法比通常的三角級數(shù)法更為有效。對于軌道平順及不平順兩種情況，針對兩種車速計算車體和橋梁的動力反應(yīng)，結(jié)果表明，軌道不平順及車速提高對橋梁跨中位移的影響較小，但對橋梁跨中加速度的影響較大而且高頻反應(yīng)明顯增大。軌道不平順對車體振動的影響較大，振動的幅值和頻率都大大提高。車速提高時，盡管車體加速度反應(yīng)明顯增大，但是其位移則變化不大。

     三、減振、隔振措施

    軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境振動已成為一個不容忽視的問題，對振動的控制主要包括以下兩個方面：一是控制振源，主要從減振的角度進(jìn)行考慮；二是控制振動的傳播途徑，主要從隔振的角度進(jìn)行考慮。

    3.1  減振

    目前，在軌道交通中采用的減振降噪措施主要有：

   （1）采用重型鋼軌和無縫線路。若把50kg/m的鋼軌改成60kg/m的鋼軌，由于鋼軌的垂向剛度增加，大約可以將列車引起的沖擊振動降低10%，從而有效的抑制鋼軌的垂向振動。采用無縫線路，可有效減少輪軌間的沖擊力，減少脈沖型的激擾源，從而起到減振降噪作用。

   （2）采用彈性扣件。軌道的彈性尤其是整體道床，主要取決于扣件的彈性，國內(nèi)外對此做了大量的研究工作，研制開發(fā)了滿足不同減振要求的鋼軌扣件，在不同的地段使用不同的減振扣件，起到了良好的減振效果。

   （3）減振型軌下基礎(chǔ)。為適應(yīng)不同減振降噪的要求，各國都對傳統(tǒng)的碎石道床和整體道床開展了大量的研究工作，開發(fā)了多種基于隔振原理的具有良好振動和噪聲衰減特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的軌下基礎(chǔ)，常見的有：

    ①在碎石道床的基礎(chǔ)上，研制了軌枕墊和道渣墊，前者是在枕下加設(shè)橡膠墊，后者是在道渣底下加設(shè)橡膠墊，增加道床彈性，有效降低道渣振動，與一般碎石道床相比，能夠起到5-15dB的減振效果。在日本、歐洲地鐵中，這種構(gòu)造得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)日本新干線測定，在高架橋上鋪道渣墊可使振動加速度減少1/2-1/3，附近噪聲也減少4-8dB，減振降噪效果顯著。

    ②在整體道床的基礎(chǔ)上，開發(fā)了彈性支撐塊和彈性支撐長軌枕式整體道床。這兩種道床都大大提高了整體道床的彈性，具有良好的減振效果。

    ③采用浮置板式軌道結(jié)構(gòu)，根據(jù)德國、美國的實測資料，該結(jié)構(gòu)與普通整體道床相比，可減小振動20-30dB，減振效果十分顯著，但造價比較高。我國廣州、深圳、香港的地鐵在其部分減振地段采用了這種結(jié)構(gòu)，起到了很好的減振效果。

    3.2  隔振

    動力機(jī)器、交通車輛和施工等人類活動引起的振動對鄰近的精密儀器、設(shè)備、構(gòu)筑物等產(chǎn)生的不良影響可采用振動隔離的方法加以緩解。地面振動隔離的方法可分為緩沖隔振和屏障隔振。緩沖隔振是一種簡單、實用有效的方法，但并非所有的振動都能采用緩沖隔振，如交通和強夯引起的地面振動等，而不管何種原因引起的地面振動均可以采用屏障方法隔離。

    屏障隔振是在振源和被保護(hù)物體之間設(shè)置一個垂直于地表的隔離層，當(dāng)振動波在傳播過程中遇到屏障時，就會出現(xiàn)一個地面振動降低的屏障區(qū)，從而改變振源對被保護(hù)的構(gòu)筑物的振動作用方式，達(dá)到構(gòu)筑物和環(huán)境振動減小的目的。屏障隔振可以分為兩類：主動隔振和被動隔振。主動隔振又稱為近場隔振，即在靠近人工振源的位置設(shè)置屏障，減小振源向外輻射能量；被動隔振又稱遠(yuǎn)場隔振，在遠(yuǎn)離人工振源而又必須減小振動的地方設(shè)置屏障，即減小振動的輸入。屏障可分為連續(xù)屏障，如空溝、膨潤土泥漿、混凝土芯墻、粉煤灰等，也可以是非連續(xù)性屏障，如孔列、混凝土單排樁、多排樁等。

    四、結(jié)論與展望

    4.1  結(jié)論

    城市軌道交通作為一種新的城市交通方式，極大的緩解了城市交通擁擠的問題，其發(fā)展前景十分廣闊，但同時它所產(chǎn)生的環(huán)境振動、噪聲等問題也不容忽視。本文介紹了城市軌道交通引起的環(huán)境振動問題，主要包括以下幾點：

    第一，簡單介紹了城市軌道交通發(fā)展的現(xiàn)狀及發(fā)展前景，尤其是在我國的發(fā)展前景。

    第二，總結(jié)了城市軌道交通引起的環(huán)境振動問題對人們的工作、生活，及建筑物所產(chǎn)生的影響。

   第三，概括介紹了目前各國研究人員圍繞該問題所開展的研究工作，所采用的研究方法，以及所取得的研究成果。

    第四，介紹了基于理論研究成果所提出的減振、隔振方法，并簡單介紹了工程中常采用的幾種減振、隔振措施。

    4.2  展望

    經(jīng)過幾十年的研究，人們對軌道交通引起的環(huán)境振動問題已有了相當(dāng)認(rèn)識，但對于這樣一個由振源、傳播途徑及建筑物所組成的鏈?zhǔn)秸駝酉到y(tǒng)，其減振措施是存在很大難度的。解決這一問題，首先應(yīng)從根本上弄清振動產(chǎn)生的原因、傳播機(jī)理，以建立相應(yīng)的模型，然后對所建模型進(jìn)行研究分析，得出了相應(yīng)的控制方程，進(jìn)而對方程求解，并從解的表達(dá)式中去尋找影響振動的因素，最后，根據(jù)所得結(jié)果，采取有效的減振降噪措施，減小振動對人們生活、工作等的影響。

    城市軌道交通在我國雖然起步較晚，但近年來得到了很大發(fā)展，國務(wù)院已明確指出，鼓勵有條件的大城市積極發(fā)展城市軌道交通系統(tǒng)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，可以預(yù)見，城市軌道交通將得到更大的發(fā)展。因此，開展對城市軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境振動、噪聲等問題的研究，從而尋找有效的減振降噪措施，對于促進(jìn)城市軌道交通的發(fā)展具有十分重要的意義。

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The Environmental Vibration Induced by City Track Traffic and The Controlled Methods

XIE Wei-Ping，LIU Xiao-feng

(1.College of Civil Eng.&Architecture, WUT, Wuhan 430070,China)

Abstract: The environmental vibration induced by city track traffic is systemly intruducted in the paper. The researches and the acheivement of railway traffic induced environmental vibrations of many countries’ researchers are summarised. The methods of vibration alleviation and vibration isolation are also introducted. In the end, some problems which need further study have been proposed.

Key words: track traffic; environmental vibration; vibration alleviation; vibration isolation