对轨道交通引起的环境振动问题的简单综述

对轨道交通引起的环境振动问题的简单综述

邱月丽

广州大学土木工程学院 广东广州510006

【摘要】随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，城镇不断在扩大，交通线路网在不断延伸，由轨道交通所引发的环境振动问题引起人们的高度重视。本文从振动原理、振动传播规律、所带来的危害及隔振减振措施这四个方面简单的综述。

【关键词】轨道交通 环境振动

1 前言

随着我国经济建设不断发展，人口逐渐趋向于流入城市，城市化的进程逐渐加速，城市交通也日渐繁忙，因而城市轨道交通成为缓解城市压力的一个重要手段，城市轨道交通主要由地铁、市郊铁路和轻轨等轨道交通组成。由于城市轨道线密集，遍布地下、地面及空中，穿插到城市居民点及商业中心等人们活动的场所，轨道交通给国家经济及人们的生活出行带来极大便利的同时，由于轨道交通本身的一些特性，其高速度产生的振动及噪声等不利因素不可避免地影响到人们的工作及生活等，如北京、上海、广州等大城市高架线离建筑物的距离小到只有几米，又由于现在兴起的轨道交通上盖的建筑物模式，即“TOD”模式，如何减轻轨道交通所产生的振动成为很大学者及工程师们的一个重要的课题。

2 轨道交通运行产生环境振动的危害及基本原理

通常轨道交通在运行过程中，车辆对轨道的冲击而产生振动，经过枕木、道床，传递至隧道或桥梁基础，然后经过周围土层向外传播，从而诱发周边地面及沿线建筑物的振动。而在TOD模式下的建筑物所受的振动，则是由轨道交通通过对轨道的冲击产生的振动，进而沿着上盖建筑物的墙柱传到上部结构，从而影响人们的生活、生理及心理健康等方面。

以下由三个方面来说明其危害：

1）对人们的健康有一定的影响。

轨道交通所引发的环境振动的特点具有持久性及反复性，对人们的日常及生理心理健康产生一定的影响。例如，广州地铁1号线穿插入附近某栋九层居民楼，当地铁运行经过该路段时，产生的振动及噪声给人们的日常生活带来的极大地困扰。随着经济的发展，人们的生活质量普遍提高，对居住环境的要求也越来越高，对同样的振动，若放在过去，可能这不是困扰他们的一个问题，而现在轨道交通所带来的不利影响成为越来越多人关注及讨论的话题。

另外，轨道交通系统引发的环境振动也影响人们的正常休息。据有关研究表明：当振动加速度级达到65dB时，对睡眠有轻微影响，达到69dB时，所有轻睡的人将被惊醒，达到74dB时，除酣睡的人外，其他的人将惊醒，达到79dB时，所有的人都将惊醒[1]。

2）对建筑物和构筑物的影响

虽然轨道交通所引发的环境振动相对而来都是比较轻微的，能量没有像地震那样强烈，但若长期处于这样的反复性的振动之下，结构很容易产生疲劳性损失从而使得结构强度降低，墙壁有可能产生裂缝或者变形等现象。例如，在捷克，在繁忙的公路和轨道交通附近，有一些砖石结构的古建筑因长期处于这种环境下而产生了裂缝。在北京，地铁2号线西直门站轨道旁的壁画被震落，且在附近的居民曾反映，列车通过时感受到较强的振动及室内家具也因处于这振动之下而发生移位的现象。

3）对精密设备的正常使用的影响

轨道交通路线不可避免要穿过一些装有精密设备的厂房、学校、医院和音乐厅等对振动特别敏感的区域。环境振动对电子显微镜、外科器具、半导体集成电路等精密仪器有着不可忽视的影响，可能会导致读数不准确、精度不够等不利影响。例如，北京大学环境振动与评估实验室在距地铁4号线140cm处测试地铁振动对电子显微镜的影响，研究结果表明地铁振动会影响电子显微镜的正常使用[2]。

3 环境振动传播规律

国内外众多学者对环境振动传播衰减规律进行相关的研究。

3.1 强度分布特点

有研究表明列车引发的振动对地面的特点呈现水平向衰减快于垂直向振动，故国内学者尝试探究沿线建筑物内垂直向的振动是否大于水平向的振动。夏禾、吴宣等人实测结果表明：建筑物的水平振动约小于垂直振动10dB，故沿线建筑物主要以垂直方向的振动为主。

有理论研究表明：环境振动的强度随振源的距离增大而减小。有学者研究表明，由于土体土壤对振动波具有一定吸收和减弱作用，故而地铁引发的振动经过土壤的过滤作用而呈现不断减小的趋势。但也有学者研究发现，在距振源一定距离下存在一个振动放大区，即从振源出发，随着距振源的距离不断拉大，振动强度也随之减小，但在一定距离后，振动呈现一定的放大趋势而不是一直的减小的状态。夏禾、潘昌实等学者研究发现在距振源约在40~60m处振动强度增大，但总趋势是随距离的增加而逐步衰减的[3]。同时，王田友等研究结论表明地铁列车所致的环境振动在衰减中有明显的反弹增大现象，高频部分衰减明显快于低频部分[4]。

3.2 列车速度的影响

列车引起的地面振动一般随车速的提高而增大。有研究表明：在高速列车作用下，桥梁及附近地面的测点的振动强度随车速的增大而增大，在160-280km/h的车速范围，振动强度范围可相差5-8dB。而随列车速度的增大，附近的建筑物有振动增大的趋势。

4 怎样减轻轨道交通产生振动对人们的影响

首先我们先了解轨道交通引发的环境振动是怎么产生的。轨道交通的轮轨振动通过轨枕、道床，传递至隧道或桥梁基础，再传递给地面，从而对周围区域产生振动，进而激励附近地下结构或地面建筑物产生振动并进一步诱发室内结构和家具的二次振动和噪声，从而对建筑物的结构安全以及建筑物内人们的工作和生活产生影响。从轨道交通产生振动的原理可以看出，环境振动从振源的出处、振动传播途径及振动承受体（即建筑物或仪器等对象）等这三方面考虑，以此来考虑如何减轻轨道交通产生的振动。

4.1 振源处减振隔振

1）采用重型钢轨和无缝线路

重型钢轨相对轻型而言抗振动的能力更强。若将60kg/m钢轨变为70kg/m钢轨，钢轨的刚度会增强，由列车因撞击产生振动会减小些，故重型钢轨的利用可大大降低列车产生的振动。另外，线路有缝与否，跟钢轨的平顺性有一定的关联。无缝线路大大减小列车对钢轨的撞击强度，有效地减小振动及噪声。

2）采用合适的道床和轨道结构型式

碎石道床相比整体道床而言具有较好的减震效果，但同时有具有稳定性较差，养护工作量大且道床容易受到污染等特点，故宜采用整体道床。虽然整体道床有弹性不足的缺点，可结合减振效果好的弹性扣件或其他减震措施进行搭配。

3）采用适当的弹性扣件

轨下扣件是控制钢轨振动向下传递，降低轨道结构振动的部件，地铁采用的扣件一般都具有一定的弹性。减振扣件一般包括：轨道减振器扣件、LORD粘结垫板减振扣件、双层弹性非线性减振扣件以及Vanguard先锋扣件等。

4.2 传播途径减振隔振

为阻碍表面波的传递，可采取切断振动传播途径或在传播途径上削弱振动的措施，常在传播途径中设置屏障进行减振隔振。隔振屏障即在振源与被保护物之间设置一个隔离层，当振动波在传播过程遇到屏障时使得振动有一定的隔离作用。屏障可分为连续屏障，如空沟、膨润土泥浆、混凝土芯墙、粉煤灰等；也可以说是非连续性屏障，如孔列、混凝土单排桩、多排桩、波阻块（WIB）等。

4.3 建筑物自身减振隔振

建筑物长期处于轨道交通产生的环境振动之下，虽然该振动所带来的能量相对比较微小，但因其具有反复性，容易给建筑物造成疲劳性损伤，给结构的安全带来不确定性，且会降低人们居住的舒适性。因此对轨道交通沿线的建筑物采用的隔振措施常在建筑物的基础或建筑物结构内放置隔振支座，以此达到隔振的效果。如在建筑物基础设置砂垫层，有研究表明：在爆破荷载作用下，砂垫层对于高频和低频的振动均有减振效果。在建筑物楼板中设置橡胶隔振器，研究发现橡胶隔振器具有较好的隔振效果。在建筑物底部设置隔振支座，研究表明能够明显的降低建筑物的振动加速度和振级，具有较好的隔振效果。

5 结论

综上所述，随着经济的发展，轨道交通所引发的环境振动成为人们不可忽视的一个问题，如何有效减轻振动给人们和结构成为一个不断深入研究的课题。

参考文献

[1]崔高航,陶夏新,陈宪麦.城轨交通引起的环境振动问题综述研究[J].地震工程与工程振动,2008(01):38-43.

[2]李玉龙,姜峰.轨道交通运行引起的环境振动研究综述[J].低温建筑技术,2020,42(02):76-79.

[3]夏禾,吴萱,于大明.城市轨道交通系统引起的环境振动问题[J].北方交通大学学报,1999(04):3-5.

[4]王田友,丁洁民,楼梦麟,俞洁勤.地铁运行所致建筑物振动的传播规律分析[J].土木工程学报,2009,42(05):33-39.