讓地鐵更安靜

文/馬蒙（北京交通大學(xué)）

二十年前，我剛來(lái)北京交通大學(xué)讀書(shū)，當(dāng)時(shí)北京只有地鐵1號(hào)、2號(hào)和13號(hào)線(xiàn)。坐地鐵多少還帶著點(diǎn)體驗(yàn)的新鮮感，全然沒(méi)想到很快地鐵就完全融入每個(gè)市民的出行和生活中，更沒(méi)有想到，我有機(jī)會(huì)深度參與到全國(guó)各地地鐵線(xiàn)路的環(huán)境振動(dòng)影響研究中。

作者代表中國(guó)參加在荷蘭海牙舉行的歐盟框架計(jì)劃科研項(xiàng)目的開(kāi)題儀式

多層交疊的軌道交通下穿比利時(shí)安特衛(wèi)普歷史建筑“中心火車(chē)站”

微小的振動(dòng)

地鐵環(huán)境振動(dòng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，它涉及到土木工程、機(jī)械工程、環(huán)境工程、材料科學(xué)、聲學(xué)等多個(gè)一級(jí)學(xué)科。雖然這是個(gè)比較小眾的研究方向，但在建設(shè)綠色環(huán)保軌道交通的目標(biāo)下，這門(mén)學(xué)科的重要性也日益凸現(xiàn)出來(lái)。

與地鐵設(shè)計(jì)建造所關(guān)注的安全性不同，環(huán)境振動(dòng)關(guān)注的是舒適性問(wèn)題。隨著人們生活水平的日益提升，每天上百趟列車(chē)在地下穿越通行，微小的振動(dòng)傳到附近的建筑引起的振動(dòng)噪聲環(huán)境污染也逐漸受到關(guān)注。自20世紀(jì)七八十年代，國(guó)外學(xué)者意識(shí)到這一問(wèn)題，并提出這種特殊污染可能會(huì)對(duì)軌道交通線(xiàn)路附近的居民、古建筑以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精密儀器產(chǎn)生潛在影響。中國(guó)地鐵建造啟動(dòng)“開(kāi)掛”模式后，這些理論上存在的三大問(wèn)題，同時(shí)在北京和其他各大城市涌現(xiàn)出來(lái)。

地鐵6號(hào)線(xiàn)改線(xiàn)

地鐵振動(dòng)對(duì)古建筑影響是一類(lèi)很特殊的問(wèn)題。歷史文化名城中古建筑往往也是旅游目的地，將游客便捷地送達(dá)旅游景點(diǎn)是地鐵選線(xiàn)設(shè)站需要考慮的重要因素。但微小持久的振動(dòng)對(duì)古建筑完整性保護(hù)和地層穩(wěn)定都會(huì)造成潛在的威脅。北京地鐵6號(hào)線(xiàn)最初規(guī)劃在文津街—景山前街一線(xiàn)地下東西向延伸的，但該方案受到文物專(zhuān)家的強(qiáng)烈反對(duì)，其中一個(gè)重要原因即是列車(chē)微振動(dòng)問(wèn)題。

當(dāng)時(shí)我剛讀研究生，導(dǎo)師安排我計(jì)算未來(lái)6號(hào)線(xiàn)的列車(chē)振動(dòng)對(duì)故宮西北角樓、北海團(tuán)城等幾處古建筑的影響，計(jì)算結(jié)果超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我們國(guó)家的古建筑振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求速度最大值控制在10-4m/s量級(jí)（注：振動(dòng)可以用加速度、速度和位移來(lái)描述，但每一個(gè)描述物理量都是隨時(shí)間變化的。速度最大值是指在關(guān)心的時(shí)間段內(nèi)，速度絕對(duì)值最大的值。），比國(guó)外同類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)普遍嚴(yán)格一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)閲?guó)外的標(biāo)準(zhǔn)是控制古建筑不出現(xiàn)安全性的損壞，而中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)是要求古建筑的完整性不受振動(dòng)影響。換言之，即使古建筑本身是安全的，但如果建筑附屬壁畫(huà)、彩繪、雕塑等因振動(dòng)出現(xiàn)微小的裂縫也是不允許的。于是，為了保護(hù)北京城內(nèi)的古建筑，地鐵6號(hào)線(xiàn)改線(xiàn)。

中國(guó)方案

一次我和中科院周家漢教授探討制定如此嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)是否科學(xué)。周教授是錢(qián)學(xué)森先生的學(xué)生，他給我講述了錢(qián)老曾經(jīng)對(duì)振動(dòng)數(shù)量級(jí)問(wèn)題的論述，他認(rèn)為古建筑微振動(dòng)比人的有感振動(dòng)低一個(gè)數(shù)量級(jí)是對(duì)文物負(fù)責(zé)任的態(tài)度。但這樣嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)自然給地鐵建設(shè)帶來(lái)極大的困難，有沒(méi)有可能實(shí)現(xiàn)地鐵建設(shè)與文物保護(hù)的雙贏？

位于古城西安的地鐵建設(shè)就必須面對(duì)這個(gè)問(wèn)題。明城墻環(huán)繞古城一周，鐘鼓樓位于古城中心。這個(gè)問(wèn)題如果不解決西安地鐵就沒(méi)法進(jìn)到城墻內(nèi)，也將難以緩解古城內(nèi)交通擁堵問(wèn)題。振動(dòng)預(yù)測(cè)成了首先需要解決的問(wèn)題。

穿樓而過(guò)的重慶軌道交通李子壩站

這可比預(yù)測(cè)天氣、預(yù)測(cè)房?jī)r(jià)走勢(shì)更具挑戰(zhàn)性。車(chē)輪和鋼軌之間產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)經(jīng)過(guò)軌道、隧道、地層達(dá)到古建筑的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)，這當(dāng)中每一個(gè)環(huán)節(jié)都帶有極大的不確定性，而預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度必須實(shí)現(xiàn)在10-4m/s水平的定量化。當(dāng)時(shí)，盡管?chē)?guó)外提出過(guò)很多著名的理論預(yù)測(cè)模型，但振動(dòng)在典型中國(guó)榫卯木結(jié)構(gòu)中的傳遞衰減、多種復(fù)雜交通振動(dòng)疊加影響等方面的研究依舊是空白。

西安地鐵2、6號(hào)線(xiàn)下穿鐘樓和城墻的振動(dòng)問(wèn)題受到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的關(guān)注，為此西安地鐵公司組織了包括機(jī)械勘察設(shè)計(jì)研究院、北京交大、上海交大等多家科研單位組成團(tuán)隊(duì)開(kāi)展攻關(guān)。當(dāng)時(shí)我也在導(dǎo)師的指導(dǎo)下直接參與了振動(dòng)預(yù)測(cè)方法研究和預(yù)測(cè)模型建立。

面對(duì)嚴(yán)苛的古建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的控制，科研團(tuán)隊(duì)提出了“多道防線(xiàn)”的思路，從振動(dòng)產(chǎn)生的源頭、傳播途徑和古建筑本體采取措施。在源頭，為西安地鐵下穿鐘樓段特別設(shè)計(jì)了鋼彈簧浮置板，即利用兩列鋼彈簧將整個(gè)道床浮置起來(lái)，最大可能降低軌道剛度并抑制振動(dòng)向外傳播。在傳播途徑上，團(tuán)隊(duì)圍繞鐘樓設(shè)計(jì)建造了一圈隔離樁，一方面控制盾構(gòu)隧道施工通過(guò)時(shí)產(chǎn)生沉降，同時(shí)也期望能夠阻隔一部分振動(dòng)能量。在古建筑本體，對(duì)鐘樓木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了維護(hù)修繕，盡可能減少由于古建筑自身病害引起的振動(dòng)傳遞放大問(wèn)題。

西安地鐵2號(hào)線(xiàn)開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)后，地鐵公司專(zhuān)門(mén)組織了針對(duì)鐘樓的振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果不僅滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，也與北京交大團(tuán)隊(duì)在此前發(fā)表的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合?？梢哉f(shuō)，這是一項(xiàng)里程碑式的研究成果，在許多方面沒(méi)有國(guó)外相似案例可參考的情況下，從預(yù)測(cè)方法到預(yù)測(cè)模型、從控制理念到控制措施都實(shí)現(xiàn)了突破。更重要的是，鐘樓乃至西安地鐵2號(hào)線(xiàn)下穿其他古建筑等個(gè)案的研究，不僅為國(guó)內(nèi)其他歷史文化名城建設(shè)軌道交通探索了一條途徑，同時(shí)也給國(guó)外同類(lèi)案例提供了參考。此后，意大利、伊朗等國(guó)在開(kāi)展地鐵建設(shè)和古建筑微振動(dòng)保護(hù)時(shí)都不同程度引用和借鑒了“中國(guó)方案”。

十年減振降噪

十多年來(lái)，地鐵高速建設(shè)推進(jìn)了地鐵環(huán)境振動(dòng)這一學(xué)科領(lǐng)域在中國(guó)的迅速成長(zhǎng)。我國(guó)不僅在工程實(shí)踐研究中領(lǐng)先國(guó)際，在理論研究方面也實(shí)現(xiàn)了跨越式的追趕。

我讀書(shū)時(shí)，國(guó)際期刊上發(fā)表的幾乎所有知名模型都是歐洲學(xué)者提出的。但這幾年，這一領(lǐng)域，中國(guó)人發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊上的文章幾乎占到了80%。不過(guò)，要徹底解決地鐵振動(dòng)問(wèn)題，建設(shè)更加綠色環(huán)保的軌道交通，我們?nèi)匀挥性S多挑戰(zhàn)需要面對(duì)。比如，振動(dòng)對(duì)精密儀器影響的預(yù)測(cè)和控制問(wèn)題。這比古建筑還要嚴(yán)苛一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。國(guó)內(nèi)外在解決這類(lèi)問(wèn)題時(shí)，大多數(shù)都采用了地鐵線(xiàn)路改線(xiàn)繞避和實(shí)驗(yàn)室搬遷等被動(dòng)應(yīng)對(duì)措施。精密儀器問(wèn)題涉及到的學(xué)科領(lǐng)域更多，不但需要跨學(xué)科的科研團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)展攻關(guān)，還需要地鐵建設(shè)方和實(shí)驗(yàn)室歸屬方之間的相互理解和配合，以積極態(tài)度去推進(jìn)這一學(xué)科的發(fā)展。

另一個(gè)需要沉下心來(lái)應(yīng)對(duì)的，是地鐵環(huán)境振動(dòng)對(duì)人體的影響。2009年，我還在讀博時(shí)，北京交通大學(xué)主辦了第四屆環(huán)境振動(dòng)國(guó)際會(huì)議。會(huì)上，我認(rèn)識(shí)了一位荷蘭專(zhuān)家，在參觀完我所在的實(shí)驗(yàn)室后，他邀請(qǐng)我們參與他正主持申報(bào)的一項(xiàng)歐盟框架計(jì)劃。半年后，我們參加申報(bào)的項(xiàng)目被歐盟委員會(huì)批復(fù)，北京交大也成為在交通運(yùn)輸領(lǐng)域第一個(gè)受到歐盟委員會(huì)直接資助的中國(guó)高校。在與來(lái)自英國(guó)、荷蘭等十多家科研單位的學(xué)者們共同就列車(chē)引起人體睡眠質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)研究，當(dāng)研討不同國(guó)家開(kāi)展振動(dòng)對(duì)人體影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)中國(guó)是空白，作為項(xiàng)目參與單位，我們無(wú)法對(duì)項(xiàng)目提供來(lái)自中國(guó)數(shù)據(jù)的支撐。而英國(guó)、瑞典、荷蘭、波蘭等團(tuán)隊(duì)在整整三年里開(kāi)展了持續(xù)不斷的測(cè)試、問(wèn)卷分析、志愿者室內(nèi)試驗(yàn)工作，這種為了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)制定而開(kāi)展的大量重復(fù)性的研究工作，是我們要學(xué)習(xí)的。

2022年6月1日，新的《中華人民共和國(guó)噪聲污染防治法》正式實(shí)施，新的噪聲法明確將軌道交通環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題提升到法律層面，這為構(gòu)建更加安靜、綠色的軌道交通提出了更高的要求，也是這一“小眾”學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者和研發(fā)人員共同努力的愿景。