城市軌道交通中環(huán)境振動(dòng)污染的研究進(jìn)展*

姜 鵬，羅曉娟，侯明明，彭 娟，高陳璽，蘇 迪

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶，400067)

1 環(huán)境振動(dòng)污染

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸、城市建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境噪聲與振動(dòng)污染已成為環(huán)境影響最大的公害(凡是由于人類活動(dòng)引起環(huán)境污染和環(huán)境破壞，對(duì)公眾的健康、安全、生命、公私財(cái)產(chǎn)及生活舒適性等造成的危害［1］)之一。城市軌道交通系統(tǒng)的蓬勃興建，在帶給人們方便出行和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也給線路附近的環(huán)境造成了越來(lái)越嚴(yán)重的振動(dòng)影響。振動(dòng)對(duì)大都市生活環(huán)境和工作環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，國(guó)際上已經(jīng)把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害(空氣污染、水污染、土壤污染、噪聲、振動(dòng)、惡臭、地層下陷)之一［2］。

環(huán)境振動(dòng)污染指的是當(dāng)機(jī)器設(shè)備的使用、運(yùn)輸工具的運(yùn)行等引起附近地面的振動(dòng)，并以波動(dòng)形式傳播到周圍的建筑物，會(huì)造成不同程度的環(huán)境污染，從而使由振動(dòng)引起的環(huán)境公害日益受到世人的關(guān)注［3］。振動(dòng)是一種很普遍的運(yùn)動(dòng)形式，在大自然界、日常生活及生產(chǎn)過(guò)程中極為常見(jiàn)。振動(dòng)以各種形式存在著客觀世界里，人類日常生活每時(shí)每刻都處在振動(dòng)之中，它分為有用的振動(dòng)和有害的振動(dòng)兩類。

2 城市軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)危害

所謂城市軌道交通，是指城市公共交通系統(tǒng)中使用大運(yùn)量、高效率、低能耗的地鐵、輕軌等運(yùn)載工具的公共客運(yùn)方面的交通。軌道交通已經(jīng)成為世界上許多國(guó)家的眾多城市的公共交通的重要組成部分，成為緩解城市交通擁擠和減少碳排放量的一種有效手段。

在軌道交通誕生后的近一百年的時(shí)間里，由于其引起振動(dòng)的幅值和能量都比較小，沒(méi)有對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重影響，環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題并沒(méi)有引起人們的重視，后來(lái)隨著現(xiàn)代鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展和人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們才開(kāi)始對(duì)軌道交通引起的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

城市軌道交通荷載所引起的環(huán)境振動(dòng)，經(jīng)常會(huì)影響鄰近的建筑物，或?qū)︵徑駝?dòng)敏感的精密儀表、設(shè)備等有不可忽視的影響，也時(shí)常干擾鄰近居民的生產(chǎn)與生活環(huán)境。運(yùn)載工具的振動(dòng)會(huì)使乘客感到不舒適。另外，振動(dòng)的有害影響是多方面的，它損害振動(dòng)作業(yè)工人的身心健康，環(huán)境噪聲使人感到煩躁不安，影響人們的工作效率，干擾居民的正常生活，還影響或損害建筑物、精密儀器和工程設(shè)備使用壽命等［4］。

3 城市軌道交通中環(huán)境振動(dòng)污染的研究

3.1 振源的研究現(xiàn)狀

高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的振源模型就是車輛和橋梁動(dòng)力相互作用的模型。最早研究車-橋動(dòng)力相互作用的文獻(xiàn)見(jiàn)于1849年Willis寫的一份關(guān)于橋梁振動(dòng)的報(bào)告，分析了Chester橋梁垮塌的原因［5］，在以后100多年的歷史中，各國(guó)學(xué)者對(duì)車-橋動(dòng)力耦合作用進(jìn)行了廣泛而深入的研究。研究的主要內(nèi)容關(guān)于激勵(lì)源的問(wèn)題。引起車-橋系統(tǒng)振動(dòng)的原因可以分為系統(tǒng)外部激勵(lì)和系統(tǒng)內(nèi)部自激勵(lì)兩大類。

(1)關(guān)于系統(tǒng)外部激勵(lì)。英國(guó)鐵路管理局研究發(fā)展部技術(shù)中心測(cè)試了車輛引起的地面振動(dòng)，對(duì)行車速度、激振頻率和軌道參數(shù)的相關(guān)關(guān)系以及共振現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［6］。

瑞士聯(lián)邦鐵路和國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)實(shí)驗(yàn)研究所(ORE)共同執(zhí)行了一項(xiàng)計(jì)劃，以A.Zach和G.Rutishauser為首的研究小組研究了地鐵列車和隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和加速度特征，從改善線路結(jié)構(gòu)的角度提出了降低地鐵列車振動(dòng)對(duì)附近地下及地面結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響的途徑［6］。

(2)關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)。美國(guó)G.P.Wilson等針對(duì)鐵路車輛引起的噪聲和振動(dòng)，通過(guò)改善道床的結(jié)構(gòu)形式(采用浮板式道床)和改革車輛轉(zhuǎn)向架的構(gòu)造以減少輪軌接觸力的方法，提出控制車輛引起的噪聲和振動(dòng)的建議［7］。

日本是振動(dòng)環(huán)境污染最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，T.Fujikake、青木一郎和K.Hayakawa等［8，9，10］分別就交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)生機(jī)理、振動(dòng)波在地下和地面的傳播規(guī)律及其對(duì)四周居民的影響進(jìn)行了研究，提出了四周環(huán)境振動(dòng)水平的猜測(cè)方法。

3.2 隔振措施的研究

隔振就是為降低振動(dòng)或控制振動(dòng)的不利影響，可從降低振源的激振強(qiáng)度、切斷振動(dòng)的傳播途徑或在傳播途徑上削弱振動(dòng)。主要隔離模式有:聲屏障，減振溝(明溝、充填式溝渠)、排樁或孔列、減振墻。

應(yīng)用屏障是防止和減輕地面振動(dòng)的有效措施。聲屏障是軌道交通運(yùn)行中降低噪聲和抑制振動(dòng)的一種有效措施。在地面和高架的城市軌道交通系統(tǒng)中都可以采用聲屏障可有效控制噪聲的傳播。高廣運(yùn)［11］等首次提出了地面連續(xù)和非連續(xù)屏障隔振的概念，指出非連續(xù)排樁屏障的散射效應(yīng)決定隔振效果，而屏障的衍射效應(yīng)決定其影響范圍。于秀娟，李廣影［11］針對(duì)噪聲與振動(dòng)影響的敏感區(qū)域如學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、住宅、站臺(tái)等沿線建筑的防噪減振的要求較高，同時(shí)受到安裝空間、線路設(shè)備限界以及市容、路容美觀性要求等一系列限制，提出“雙面吸聲屏障”，降噪減振效果較佳，但也受到一定條件的制約。

德國(guó)R.D.Woods(1965)首先在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了明溝的隔振效果［12］;Lysmer(1972)研究了明溝對(duì)水平剪切波的隔振效果［13］。

德國(guó)F.E.Richart和R.D.Woods等又針對(duì)隔振溝和板樁墻等隔振措施進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［14］?；诮煌ㄜ囕v引起的結(jié)構(gòu)和地面振動(dòng)，進(jìn)一步引發(fā)的周邊建筑物振動(dòng)以及相應(yīng)的振動(dòng)控制和減振措施，在規(guī)劃和設(shè)計(jì)的最初階段就應(yīng)加以考慮，從而提出了一種基于脈沖激勵(lì)和測(cè)試分析的診斷測(cè)試方法，來(lái)猜測(cè)市區(qū)鐵路線四周建筑物地面振動(dòng)水平，并通過(guò)不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)分析研究了振動(dòng)波的傳播規(guī)律。

排樁和孔列的研究，是Woods(1974)對(duì)孔列的隔振效果進(jìn)行研究之后才相繼開(kāi)始的［15］;Liao等人(1978)將水波比擬為彈性波分別對(duì)樁列數(shù)和孔列數(shù)的隔振效果進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明:排樁數(shù)目越多，屏障體系的厚度越大，隔振效果越好。但是多排樁的排距對(duì)隔振效果的影響不明顯［16］。

另外，減振墻也常用來(lái)作為隔振使用，其效能與減振溝類似。有試驗(yàn)表明，減振墻的板質(zhì)、厚度和深度對(duì)減振效果均有影響，可以獲得明顯的減振效果，國(guó)外已成功地采用這種措施防止地鐵和其他振動(dòng)對(duì)建筑物的干擾，但減振墻的應(yīng)用容易影響市容美觀。

3.3 減振技術(shù)的研究

減振就是用彈性連接取代剛性連接，減少振動(dòng)的能量從振源傳遞出去或者在基礎(chǔ)與設(shè)備之間裝設(shè)有效裝置(例如彈性扣件、隔振墊層等)，減弱通過(guò)基礎(chǔ)傳遞到儀器設(shè)備的振動(dòng)，從而達(dá)到降低振動(dòng)、抑制傳播的目的。目前，國(guó)內(nèi)外城市軌道交通減振降噪技術(shù)主要體現(xiàn)在:選用合適的軌下基礎(chǔ)、采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂?、增加一定的彈性墊層、采用新型的鋼軌線路、加強(qiáng)軌道的不平順管理和采用優(yōu)良的混凝土梁。

在高架線路采用彈性鋼軌扣件，可以減小振動(dòng)向橋梁和沿線建筑物傳遞，降低輪軌噪聲以及抑制高架梁體對(duì)周邊建筑物的二次噪聲。日本高架線路測(cè)試結(jié)果表明，采用彈性鋼軌扣件，噪聲可降低3 dB［17］。采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂?，可以增加整體道床的彈性。例如，在北京地鐵使用的DTI型和DTV型扣件中，DTV型扣件經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)比DTI型扣件可減少振動(dòng)5～10 dB［7］。

彈性墊層是增加扣件彈性的重要組成部分，采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂梢栽黾诱w道床的彈性，緩沖列車的動(dòng)力作用［18］。北京新建的地鐵和上海地鐵采用鋼軌下一層、鐵墊板下兩層的圓柱型橡膠墊板，均能滿足一般地段需要［7］。必須指出的是，道床型式、扣件型式及彈性墊層之間都要有一定的匹配關(guān)系，應(yīng)用操作時(shí)有些難度。

采用重型鋼軌可有效抑制鋼軌的垂向振動(dòng)。將50 kg/m鋼軌改成60 kg/m鋼軌后，鋼軌的垂向剛度增加，可以把列車沖擊而產(chǎn)生的振動(dòng)降低10%［19］。采用無(wú)縫線路，即將標(biāo)準(zhǔn)鋼軌焊接成長(zhǎng)型鋼軌，減少鋼軌接頭數(shù)量，從而減少接頭處輪軌沖擊引起的振動(dòng)與噪聲。

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，輪軌噪聲是城市軌道交通噪聲的主要來(lái)源。由于噪聲和振動(dòng)在500～2 500 Hz頻率范圍內(nèi)線性相關(guān)，且鋼軌在此范圍內(nèi)是主要的輻射體，因此，有效抑制鋼軌振動(dòng)、減小鋼軌的振動(dòng)加速度和頻率是降噪的關(guān)鍵［18］。測(cè)試結(jié)果表明:鋼軌打磨后，在振動(dòng)頻率為8～100 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)水平下降4～8 dB，站臺(tái)上的振動(dòng)水平下降5～15 dB［20］。但必須要制定嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃，才能確保軌道處于平順狀態(tài)，從而減少振動(dòng)與噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響。

高架軌道交通系統(tǒng)的橋梁優(yōu)先采用混凝土梁柱以及整體性能好、振動(dòng)相對(duì)小的結(jié)構(gòu)形式;合理設(shè)計(jì)跨度和自振特性，以避免高速運(yùn)行的列車與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。另外，橋墩墩臺(tái)采用樁型基礎(chǔ)，可獲得相比淺平的基礎(chǔ)更佳的減振效果。

4 結(jié)論

城市軌道交通的發(fā)展將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，由振動(dòng)引起的環(huán)境污染和帶來(lái)對(duì)人們的健康傷害，這些已經(jīng)成為高架軌道交通系統(tǒng)亟待解決的課題。城市高架軌道交通的振動(dòng)控制是一項(xiàng)綜合性工作，正是在這種背景下著手研究其引起的振動(dòng)危害，并提出了相應(yīng)的減振與隔振方法，達(dá)到理想的減振降噪的效果，因而對(duì)環(huán)境振動(dòng)防止對(duì)策的研究已經(jīng)成為一個(gè)非常新穎且重要的環(huán)境工程學(xué)的方向。

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