城市軌道交通環(huán)境振動影響與減振措施選用

姜佑明

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司工程管理部，廣東 廣州 511400)

0 引 言

城市軌道交通作為一種高效的交通組織形式，在滿足城市居民出行需求，降低對路面交通干擾方面具有重要的作用。但是由于城市軌道交通車輛與軌道間的相互作用，在列車運行的同時會產(chǎn)生一定程度的振動，這種振動會進(jìn)一步導(dǎo)致軌道周邊環(huán)境以及地上建筑物內(nèi)部產(chǎn)生二次結(jié)構(gòu)噪聲，由于一旦某條線路建成，則這種對建筑自身的安全以及其中的人員的影響將是長期的。

在城市軌道交通振動研究方面，可以根據(jù)振動傳遞的路徑將研究對象分為三個方面，分別是振源、傳遞路徑和影響對象。在作為源頭的輪軌系統(tǒng)而言，已有大量的關(guān)于車輛動力學(xué)模型[1]、軌道動力學(xué)模型[2～3]、激勵模型[4]以及輪軌接觸力學(xué)[5]方面的研究。在傳遞路徑，因為軌道通常以隧道內(nèi)地下線、地面面上線、橋梁高架線三種方式存在，這也決定了軌道外的振動傳遞路徑和環(huán)境。對于高架線，輪軌系統(tǒng)的振動通過扣件傳遞到道床，再通過墩柱傳遞到基礎(chǔ)上，最后通過土體向周圍的環(huán)境進(jìn)行傳播。而非高架線，則道床中的振動將直接通過土體傳播到周圍的環(huán)境中。針對這些振動傳遞路徑，部分學(xué)者研究了多種措施[6]對這些路徑進(jìn)行阻隔，減少其向外界環(huán)境傳遞的能量。針對某些需要特殊進(jìn)行減振保護(hù)的對象，學(xué)者們根據(jù)對象的特點，結(jié)合其周圍城市軌道交通振動環(huán)境的實際情況進(jìn)行了大量工作，對于對象的保護(hù)起到了良好的效果。

在2022年6月，《中華人民共和國噪聲污染防治法》頒布實施，其中第六章對交通運輸噪聲污染防治進(jìn)行了規(guī)定。這也表明，城市軌道交通的運行對于周邊環(huán)境的影響必須作為噪聲污染防治的對象予以考慮。

1 環(huán)境振動影響

隨著城市建設(shè)規(guī)模的增大，部分城市的城市軌道交通線網(wǎng)的建設(shè)密度越來越密集，這也導(dǎo)致受到影響的區(qū)域涉及住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)，且線路與各種建筑、設(shè)施的距離也越來越近。這種接近的背后也意味著越來越多的人員將在線路周圍生活、工作。由于城市軌道交通運營的長久性，其造成的振動對于人的影響也是一個不可忽略的問題。見圖1。

圖1 軌道交通對環(huán)境振動的影響[1]

2 振動對鄰近建筑的影響

由于城市軌道交通是作為城市公共交通的一種重要解決方案，在線路的規(guī)劃上一般分布于人口密集或客流集中的區(qū)域。軌道交通由于其自身特點，通常是沿著主干道進(jìn)行建設(shè)，特別是地鐵。這種建設(shè)方式可以避免隧道等地下構(gòu)筑物與周圍建筑物樁基等的相互干擾，減小工程施工對周圍建筑物的影響，也可減少自身施工的復(fù)雜程度。

由于城市軌道交通這種沿路而建的特點，在線路的周圍存在大量的建筑物。而這些建筑物的樁基與線路之間的直線距離一般較近，僅約數(shù)10 m。在車輛運行的過程中，輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生的振動，由鋼軌通過扣件、道床等向周圍的土體環(huán)境中進(jìn)行傳播，最后通過建筑的樁基傳遞到建筑物中[7]。

雖然城市軌道交通所產(chǎn)生的能量相較于地震造成的瞬時影響要小很多，但是其長期、反復(fù)發(fā)生，對于隧道及建筑物的結(jié)構(gòu)而言，這種作用易造成疲勞損壞[8～10]。這種作用嚴(yán)重時會導(dǎo)致局部失穩(wěn)、沉降和開裂等問題。

建筑物受到的振動影響不僅與城市軌道交通中的列車輪軌系統(tǒng)的振動強(qiáng)度有關(guān)，也因其自身結(jié)構(gòu)特點而異，比如，構(gòu)造形式、樁基類型、建筑高度和與線路的距離等。

一般而言，列車運行速度越快，通常其周圍建筑內(nèi)的振動也就越大[11]。對于中低層的建筑則是樓層越高振動越大；而對于高大鋼筋混凝土建筑，由于其固有頻率遠(yuǎn)低于激振頻率，其自身難以發(fā)生較大振動，減振量可達(dá)10～20 dB。而對于普通的磚混結(jié)構(gòu)的建筑而言，減振量會有所減小。對于一些基礎(chǔ)較差的建筑，其自身的振動量可能與土壤中的振動量相當(dāng)，即無減振效果。

建筑物與隧道之間的距離決定了振動所要傳播的遠(yuǎn)近，一般距離越遠(yuǎn)則受到的振動影響越小。

3 對人體產(chǎn)生的影響

振動如同常見的噪聲污染和水污染一樣，是評估環(huán)境質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。相繼也頒布了《中華人民共和國噪聲污染防治法》、《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》和《環(huán)境噪聲與振動控制工程技術(shù)導(dǎo)則》等法律法規(guī)。

振動對于人體產(chǎn)生的影響可反映在泌尿系、消化、神經(jīng)和運動等系統(tǒng)[12]。而且每個人因為個體的差異，對于振動的承受能力也不盡相同[13～14]。

振動作為一種機(jī)械作用，其對人體的影響由振動頻率、振動強(qiáng)度和人體暴露的時間三個因素決定。而在上述三種因素中，頻率起著主要作用。人僅能夠感知到1～1 000 Hz的振動，但是由于人體各個組織的共振頻率的原因，人對1～80 Hz的振動尤為敏感[15]。而當(dāng)振動頻率不變時，振動強(qiáng)度越大，對人體的影響越大。除振動頻率和振動強(qiáng)度外，人體暴露在振動環(huán)境中的時間對人體也有明顯的影響。所以對于經(jīng)常工作于振動環(huán)境下的人群，為保護(hù)其身心健康，對于不同振動強(qiáng)度環(huán)境下的工作時間有相應(yīng)的規(guī)定。

4 對儀器設(shè)備的影響

不同的儀器設(shè)備都有著自身的使用環(huán)境要求。對于一些精密儀器而言，振動是影響其精度的一種重要影響因素。

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展和大量精密設(shè)備儀器的廣泛使用，城市軌道交通線路穿過設(shè)備儀器場所在的區(qū)域是十分常見的。

由于各類儀器設(shè)備對與所處環(huán)境的振動狀況均具有一個限值，若因列車運行引起的振動超過這一上限，必然會導(dǎo)致其所測量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，影響到儀器的正常使用。如這種振動過于強(qiáng)烈，甚至可對儀器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞，使其可用壽命大幅縮短[16～19]。

4.1 振動控制措施

在《地鐵設(shè)計規(guī)范》[20](征求意見稿)中，曾建議按照Z振級減振量的大小將減振要求劃分為：初級(≤5 dB)、中級(5～10 dB)、高級(10～15 dB)和特殊減振(≥15 dB)四種等級。雖然在后續(xù)的正式發(fā)布的《地鐵設(shè)計規(guī)范》中未再明確提出減振量的范圍，但在地鐵設(shè)計實踐中，基本上仍以上述減振量范圍作為減振軌道選擇的依據(jù)。

為減輕列車運行所產(chǎn)生的振動對環(huán)境的干擾，不同的減振路段需要根據(jù)其減振要求，結(jié)合其線路周圍環(huán)境的特點，采取不同的措施進(jìn)行綜合考量。而線路振動的控制措施，從結(jié)構(gòu)上，按照從上到下的順序可以分為振動源治理、扣件系統(tǒng)減振和道床系統(tǒng)減振三種措施。

4.2 振動源治理

在振動源治理方面，很多的研究關(guān)注在輪軌之間的相互作用方面，比如波磨等?；谶@些研究成果，對于線路的設(shè)計也提出了一些好的建議，比如采用無縫線路，保證了輪軌相互作用的平順性，減少了相互沖擊帶來的振動。另外比如在小曲線路段鋼軌工作邊涂抹油脂，定期對鋼軌廓形修整，對車輪型面鏇削等。

4.3 扣件系統(tǒng)減振

扣件作為將鋼軌固定在軌枕上的部件，其自身具有一定的剛度，其對鋼軌的作用屬于一種彈性限制。根據(jù)振動力學(xué)的知識，通過選擇不同剛度和阻尼的扣件系統(tǒng)，結(jié)合線路的行車特點，車輛運行過程中所產(chǎn)生的振動即可得到一定程度的隔離，降低其對外界的影響。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果可知，利用扣件系統(tǒng)實現(xiàn)減振，一般也只可達(dá)到中等減振的要求，即減振量在5～10 dB之間。

4.4 道床系統(tǒng)減振

相比于直接對道床板進(jìn)行支撐的軌道結(jié)構(gòu)型式，在扣件系統(tǒng)中，實質(zhì)上是僅對鋼軌及車輛進(jìn)行了彈性支撐，其彈性支撐上部的總質(zhì)量較小，自身固有頻率較高，所以根據(jù)隔振原理，其隔振量不如道床系統(tǒng)減振措施大。特別是對于高級鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)，其固有頻率在10 Hz左右，減振量在15 dB以上。

鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)是將利用內(nèi)置的鋼彈簧隔振器將道床、鋼軌一起支撐起來，使之呈懸浮狀態(tài)，見圖2。其鋪設(shè)與更換技術(shù)均已成熟，在國內(nèi)城市軌道交通中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2 鋼彈簧浮置板道床系統(tǒng)

針對現(xiàn)有的一些減振措施，按照減振等級進(jìn)行了分類，如表1所示。根據(jù)表1中不同措施所對應(yīng)的減振量，可為線路設(shè)計提供參考。

表1 減振等級與措施

5 結(jié) 論

軌道交通的振動問題所涉及的原因多種多樣，在進(jìn)行源頭控制上難度極大。現(xiàn)有的控制方式以減少車輛-線路-軌道的相互作用產(chǎn)生的振動源的控制與阻隔線路上所產(chǎn)生的振動向外界環(huán)境進(jìn)行傳播的路徑為主。

通過長期的研究與實踐，在城市軌道交通振動控制領(lǐng)域，特別是軌道系統(tǒng)的振動控制方面，已經(jīng)有大量的措施可以應(yīng)用。在進(jìn)行線路設(shè)計時可根據(jù)不同地段的減振需要，同時考慮經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選用。