謝偉平，劉曉峰

（ 武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070）

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

    關鍵詞：軌道交通；環境振動；減振；隔振；

    一、城市軌道交通的發展現狀

    隨著我國經濟建設的不斷發展和城市化進程的加快，城鎮人口急劇增加，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、環境污染、運輸效率下降，這在很大程度上制約了我國經濟的發展，已成為各大中城市在經濟發展和城市建設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，以緩解城市交通擁擠的問題，目前，發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。據國家計委資料顯示，“十五”期間，中國城市交通投資將達到8000億元人民幣，其中至少有2000億元用于地鐵建設，有近1000億元用于輕軌建設，今后我國將積極支持具備條件的大城市加快發展城市軌道交通，地鐵、輕軌建設將會在較長時間里成為中國基礎建設投資的重點之一。

    所謂城市軌道交通，是指城市公共交通系統中的地鐵、輕軌等公共客運系統，由于它具有大運量、高效率、低污染等優點，因此成為世界許多國家城市公共交通的重要組成部分。城市軌道交通建設在我國雖然起步較晚，但近年來得到了迅速發展，目前中國已有20個特大城市和大城市正在建設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410多km；預計從現在起，到2010年左右，中國將有15個城市規劃建設軌道交通1500km，這些計劃建設的城市軌道交通的總投資將達到5000億元人民幣左右，北京、上海、廣州三座城市規劃以每年40km的速度建設軌道交通，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展，如大連、武漢等城市建設了輕軌，上海市建設了磁懸浮等。

     二、城市軌道交通產生的環境問題

    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，也產生了環境振動、噪聲污染等一系列問題。振動對大城市生活環境和工作環境的影響引起了人們的廣泛關注，國際上已把振動列為七大環境公害之一，并開始著手研究振動的產生原因、傳播途徑、控制方法以及對人體的危害等。

    據有關國家統計[1]，除工廠、企業和建筑物施工外，交通系統引起的環境振動問題是公眾反映中最強烈的，約占總投訴的14%。

    2.1 環境振動產生的影響

    1、影響沿線居民的正常工作和生活

    環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、休息和學習。振動試驗表明，振動強度越高，對人們睡眠的影響越大。當振動加速度為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生影響；當振動加速度為65dB時，對睡眠有輕微影響；達到69dB時，所有輕微睡眠的人將會被驚醒；達到74dB時，除酣睡的人，所有人都將被驚醒；達到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構安全

    交通車輛引起的結構振動通過周圍地層向外傳播，進一步引發臨近建筑物（包括室內家具）的二次振動，從而對附近建筑物尤其是古舊建筑物的結構安全產生很大影響。在捷克，繁忙的公路或軌道交通線附近的某些磚石結構的古教堂，因車輛通過時產生的振動而產生了裂縫，甚至發生了由于裂縫不斷擴大而導致建筑物倒塌的事故。在北京據西直們附近距離鐵路約150m處的一座五層樓內的居民反映，當列車經過時，可感到室內有較強振動，玻璃和門窗發出嗡嗡的聲音，一段時間后，室內家具由于振動而發生了錯位。

    3、影響精密儀器的生產及正常使用

    環境振動對激光、電子顯微鏡、電子天平、外科手術器具等的操作也有很大影響。它會造成這些儀器讀數不準、精度下降、使用壽命縮短等。例如，廣州市環保所所處位置交通狀況比較復雜，其一側30m處有廣深高速鐵路通過，另一側約80m處又有城市高架線路，該所內的儀器對環境要求較嚴格，使用環境要遠離振源（如軌道、交通干線、重要機械等），為保護儀器的正常工作，該所曾對周圍環境振動產生的影響進行了實測與評價，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體器件也會產生很大影響，在電子芯片的制造過程中，0.01微米的誤差就可造成災難性的后果。

    2.2  環境振動的研究現狀

    軌道交通產生的環境振動問題與車輛、軌道、橋梁、地基等諸多因素有關，因此對這一問題的研究變得十分復雜。各國的研究人員對振動的產生原因、傳播途徑以及傳播規律進行了大量的研究工作，縱觀目前本領域對該問題所采取的相關研究方法和研究對象，大致可分類如下：

    第一，用傳統的格林函數分析法和波動理論對軌道系統動力響應的研究。

    Grassie S.L.[2] 等指出了傳統軌道模型的不足，同時提出了兩種模型：其一是連續性模型，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進行了分析。Krylov[3]用GREEN函數計算了由于軌道彎曲引起的地面振動，得出了考慮軌道—地基系統中彎曲波傳播的影響時地面振動表達式。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，應用GREEN函數計算了地基—軌道接觸點處土層的阻抗矩陣，得到了時間域的響應。ShengX.[5]等根據作用于軌道上穩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，建立了相應的梁動力剛度矩陣，由此確定了臨界速度和共振頻率。

    第二，用傳統的格林函數分析法和波動理論對鐵路橋梁系統動力響應的研究。

    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，利用理論分析的方法，得到了控制梁動力響應的關鍵參數，建議了有效控制梁共振響應的優化設計標準。Moreno Delgado R. [8]對高速列車下軌道橋梁系統進行了模擬，并用有限元法分析了軌道橋梁在移動車輛下的動力響應。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、軌道以及橋梁結構的相互作用。Wu Y.S.[10]等研究了運行于簡支橋梁上的列車的二維穩態響應，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，確認了當列車—軌道—橋梁共振時列車的最大響應。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上的成層地基，將波在土中的傳播變換到頻率—波數域中進行求解，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進行分析。

    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格時，應力不連續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，基于車輛及懸掛系統的動力平衡，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。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構的各成分，考慮無限介質，建立了地基振動的三維模型，提出了以位移為基礎的，將傳統有限元法與邊界元法相結合的雜交方法。

    第四，運用有限元法對鐵路橋梁動力響應系統的研究。

    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和隨機性振動響應。Delgado.R.[15]對高速列車下軌道—橋梁—車輛系統進行了模擬，并用有限元法分析了軌道橋梁在移動車輛下的動力響應。

    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的動力響應問題，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、壩體上的軌道系統和高架軌道系統等，分別作出了不同情形下軌道系統的時間—加速度譜，頻率振幅譜，傳遞函數響應譜，波動特征衰減曲線等，指出輪距和車廂數目對地面振動的影響至關重要，對于由列車產生的豎向荷載，在相鄰的地面將會產生相對的水平響應，并且不同軌道系的響應特征不一樣。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置阻波塊以達到減振效果的措施，并分析了不同材料和排列的阻波塊所產生的不同減振作用，以找出最優的減振方案。

    新加坡的Hong Hao[18]等人在Lamb的研究成果基礎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，并采用現場實測的路面粗糙度計算了三個點的響應，計算結果與實測結果一致。通過反應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。

    同濟大學的蔣通[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，對高架軌道進行了車—橋動力分析。對給定的功率譜密度函數，構造等效的頻譜幅值和隨機相位后再作Fourier逆變換來模擬軌道不平順，結果表明新方法比通常的三角級數法更為有效。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，結果表明，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

    軌道交通產生的環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行考慮；二是控制振動的傳播途徑，主要從隔振的角度進行考慮。

    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，國內外對此做了大量的研究工作，研制開發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。為適應不同減振降噪的要求，各國都對傳統的碎石道床和整體道床開展了大量的研究工作，開發了多種基于隔振原理的具有良好振動和噪聲衰減特性、結構穩定的軌下基礎，常見的有：

    ①在碎石道床的基礎上，研制了軌枕墊和道渣墊，前者是在枕下加設橡膠墊，后者是在道渣底下加設橡膠墊，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，這種構造得到了廣泛應用。根據日本新干線測定，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在整體道床的基礎上，開發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構，根據德國、美國的實測資料，該結構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構，起到了很好的減振效果。

    3.2  隔振

    動力機器、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、設備、構筑物等產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物體之間設置一個垂直于地表的隔離層，當振動波在傳播過程中遇到屏障時，就會出現一個地面振動降低的屏障區，從而改變振源對被保護的構筑物的振動作用方式，達到構筑物和環境振動減小的目的。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置屏障，減小振源向外輻射能量；被動隔振又稱遠場隔振，在遠離人工振源而又必須減小振動的地方設置屏障，即減小振動的輸入。屏障可分為連續屏障，如空溝、膨潤土泥漿、混凝土芯墻、粉煤灰等，也可以是非連續性屏障，如孔列、混凝土單排樁、多排樁等。

    四、結論與展望

    4.1  結論

    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，其發展前景十分廣闊，但同時它所產生的環境振動、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展的現狀及發展前景，尤其是在我國的發展前景。

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

   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

    經過幾十年的研究，人們對軌道交通引起的環境振動問題已有了相當認識，但對于這樣一個由振源、傳播途徑及建筑物所組成的鏈式振動系統，其減振措施是存在很大難度的。解決這一問題，首先應從根本上弄清振動產生的原因、傳播機理，以建立相應的模型，然后對所建模型進行研究分析，得出了相應的控制方程，進而對方程求解，并從解的表達式中去尋找影響振動的因素，最后，根據所得結果，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展，國務院已明確指出，鼓勵有條件的大城市積極發展城市軌道交通系統，隨著我國經濟的不斷發展，城市化進程的加快，可以預見，城市軌道交通將得到更大的發展。因此，開展對城市軌道交通產生的環境振動、噪聲等問題的研究，從而尋找有效的減振降噪措施，對于促進城市軌道交通的發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