軌道交通系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)影響

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1、軌道交通系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)影響 摘要：隨著我國(guó)人民生活水平的提高，軌道交通系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境及臨近建筑物的振動(dòng)影響越來(lái)越引起人們的關(guān)注，并且隨著我國(guó)城市輕軌交通系統(tǒng)的

2、興建，使環(huán)境振動(dòng)污染的問(wèn)題更加突出。本文對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，并提出了減少建筑物振動(dòng)的措施。 關(guān)鍵詞：軌道交通系統(tǒng) 環(huán)境 振動(dòng) 一、引言 在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家，軌道交通系統(tǒng)引起的振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響早已引起人們的注意，并且把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一【1】。而在我國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，振動(dòng)問(wèn)題也引起了一些專(zhuān)家學(xué)者的注意。振動(dòng)試驗(yàn)表明，振動(dòng)對(duì)于居住在鐵路線周?chē)木用竦挠绊懛浅４螅⑶椅：θ藗兊纳硇慕】?，?dāng)振動(dòng)加速度達(dá)65dB時(shí)，對(duì)睡覺(jué)有輕微影響；振動(dòng)加速度達(dá)到69dB時(shí)，所有輕睡的人將被驚醒；振動(dòng)加速度達(dá)到74dB時(shí)，除酣睡的人，一般情況下，其他人將驚醒【2】。

3、 鐵道部勞動(dòng)衛(wèi)生研究所通過(guò)對(duì)我國(guó)幾個(gè)典型城市的鐵路環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，考察了鐵路沿線居民區(qū)受列車(chē)運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)污染現(xiàn)狀，測(cè)試結(jié)果表明，離軌道中心線30m之內(nèi)區(qū)域的振級(jí)大部分接近80dB。這樣高的振級(jí)將極大地影響鐵路沿線居民的日常生活及身心健康。因此，著手研究振動(dòng)污染規(guī)律、振動(dòng)產(chǎn)生的原因、振動(dòng)傳播途徑及控制方法具有非常重要的意義。 在我國(guó)，隨著現(xiàn)代化的進(jìn)行，交通系統(tǒng)大規(guī)模發(fā)展的趨勢(shì)極為迅速。由于城市軌道交通系統(tǒng)（包括地下鐵道和城市高架輕軌）具有運(yùn)量大、速度快、安全可靠、對(duì)環(huán)境污染少、不占用一般道路等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決城市交通擁擠和減少污染的一種有效手段。國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有和正在建設(shè)的地下鐵道系統(tǒng)

4、的城市越來(lái)越多，而且不少城市還在籌建輕軌交通系統(tǒng)。近年來(lái)在城市交通系統(tǒng)建設(shè)中，對(duì)于振動(dòng)可能影響環(huán)境和周邊建筑物內(nèi)居民生活和工作的問(wèn)題也進(jìn)行了預(yù)測(cè)。如擬議中的西直門(mén)至頤和園輕軌快速交通系統(tǒng)可能對(duì)附近文化和科研機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲影響、地鐵南北中軸線可能對(duì)故宮等古建筑的振動(dòng)影響。為此，北京市地鐵總公司、北京市城建設(shè)計(jì)院、北京市環(huán)境保護(hù)局、北方交通大學(xué)、鐵道部科學(xué)研究院等單位已經(jīng)開(kāi)始結(jié)合北京、上海等一些大城市修建地鐵、輕軌交通系統(tǒng)時(shí)車(chē)輛引起的環(huán)境振動(dòng)的工程實(shí)際進(jìn)行研究，發(fā)表了有關(guān)地鐵、輕軌車(chē)輛作用下隧道及高架橋梁的振動(dòng)、振動(dòng)波的傳播及其對(duì)周?chē)h(huán)境和建筑物影響的初步研究成果。 二、振動(dòng)的產(chǎn)生及傳播規(guī)

5、律 軌道交通系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)環(huán)境和周邊建筑物的影響一般通過(guò)以下方式進(jìn)行：由運(yùn)行列車(chē)對(duì)軌道的沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)（隧道基礎(chǔ)和襯砌或橋梁的墩臺(tái)及其基礎(chǔ)）傳遞到周?chē)牡貙?，進(jìn)而通過(guò)土介質(zhì)向四周傳播，進(jìn)一步誘發(fā)附近地下結(jié)構(gòu)以及建筑物（包括其結(jié)構(gòu)和室內(nèi)家具）的二次振動(dòng)和噪聲，從而對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全以及建筑物內(nèi)的人們的工作和生活產(chǎn)生了很大的影響。 軌道交通系統(tǒng)的振動(dòng)主要由以下幾個(gè)方面產(chǎn)生： （1）列車(chē)以一定的速度運(yùn)行時(shí)，對(duì)軌道的重力加載產(chǎn)生的沖擊； （2）列車(chē)在軌道上運(yùn)行時(shí)，輪軌相互作用產(chǎn)生的車(chē)輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)； （3）當(dāng)車(chē)輪滾過(guò)鋼軌接頭時(shí)，輪軌相互作用產(chǎn)生的車(chē)輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)； （4）

6、軌道的不平順和車(chē)輪的損傷也是系統(tǒng)振動(dòng)的振源。 對(duì)于高架輕軌系統(tǒng)，其影響因素主要有列車(chē)速度、車(chē)輛重量、橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型和基礎(chǔ)類(lèi)型、跨度、剛度、撓度等，列車(chē)與橋梁前相互作用也會(huì)加大振動(dòng)作用。 對(duì)于地下鐵路，其影響因素主要有列車(chē)速度、車(chē)輛重量、隧道基礎(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)類(lèi)型、軌道類(lèi)型、是否采用隔振措施等。 在理論分析方面，由于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建成高架輕軌系統(tǒng)，文獻(xiàn)〔 3”－〔 5”采用二維的車(chē)一橋共同作用力學(xué)模型，通過(guò)動(dòng)力分析求得了列車(chē)運(yùn)行時(shí)作用在橋上的列車(chē)振動(dòng)荷載，然后再采用"橋墩一基礎(chǔ)一地基"二維共同作用的模型，通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)分析，求得了通過(guò)橋墩并垂直于線路的橫斷面上的地基和地面的振動(dòng)特性。通過(guò)分析和計(jì)算，得

7、到了以下結(jié)論：輕軌列車(chē)振動(dòng)所引起的附近地面振動(dòng)，在某一距離范圍內(nèi)，將隨距輕軌線路距離的增加而衰減；在一定距離內(nèi)又出現(xiàn)了反彈增大（大約在40～60m間），但總趨勢(shì)是隨距離的增大而衰減；輕軌系統(tǒng)橋梁的基礎(chǔ)類(lèi)型對(duì)地面的振動(dòng)影響比較大，采用樁基時(shí)由列車(chē)運(yùn)行所引起的地面振動(dòng)的位移匯度伽速度值均較采用平基時(shí)的小許多，且采用樁基時(shí)，地面振動(dòng)隨距線路距離的增加而衰減的速度也較平基為大。甚至由于采用了不同的橋梁基礎(chǔ)，沿線建筑不同樓層的振動(dòng)響應(yīng)也有所不同。采用淺平基礎(chǔ)時(shí)，高樓層的響應(yīng)比低樓層的劇烈，若采用樁基時(shí)，各樓層的差別就小得多；高架橋線路與路基線路相比，環(huán)境振動(dòng)將大幅度降低。距線路中心線30m處的振動(dòng)強(qiáng)度可

8、降低5～10dB。 對(duì)于地鐵列車(chē)的振動(dòng)效應(yīng)，除了通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了解其對(duì)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)影響以外，文獻(xiàn)〔6”根據(jù)實(shí)測(cè)軌道加速度得到了列車(chē)荷載的模擬數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而采用有限元方法分析了隧道和周?chē)馏w的振動(dòng)特性；文獻(xiàn)〔5”通過(guò)建立系統(tǒng)動(dòng)力分析模型的方法就地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)所引起的環(huán)境振動(dòng)及振動(dòng)波的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。 已有調(diào)查表明【7】，地鐵列車(chē)在隧道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)，距軌道水平距離 1.5m處，振級(jí)平均值為81dB，距軌道水平距離24m處，振級(jí)平均值為71.6dB。這說(shuō)明隨著距軌道水平距離的增加，振級(jí)將不斷衰減。此外，地鐵振動(dòng)影響的范圍在很大程度上還取決于列車(chē)通過(guò)的速度及隧道的埋深。速度越高，振動(dòng)干擾越強(qiáng)

9、，響應(yīng)的影響范圍越大，埋深越大，影響范圍也越小。隨距離增大而振動(dòng)強(qiáng)度減弱的規(guī)律也適用于沿線建筑物。由于列車(chē)運(yùn)行所引起的地面水平振動(dòng)，在傳播過(guò)程中的衰減要快于垂直方向，因而沿線建筑物內(nèi)垂直方向的振動(dòng)將大于水平方向的振動(dòng)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：樓房的水平振動(dòng)一般小于垂直振動(dòng)十幾分貝，因此在評(píng)價(jià)樓房受列車(chē)運(yùn)行所引起的振動(dòng)影響時(shí)，可以垂直方向?yàn)橹鳌? 對(duì)于建筑物的平面而言，其縱向勁度大于橫向勁度，所以無(wú)論建筑物的走向與線路的相對(duì)位置如何，當(dāng)建筑物受到列車(chē)運(yùn)行所引起的振動(dòng)影響時(shí)，總以其橫向大于縱向振動(dòng)的規(guī)律出現(xiàn)。就不同樓層高度而言[8]，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于低層建筑，特別是在四層以下，隨著樓層的增高，振動(dòng)的強(qiáng)度有增大

10、的趨勢(shì)。 隨著列車(chē)速度的提高，附近建筑物內(nèi)測(cè)得的振動(dòng)有增大的趨勢(shì)，尤其樓房?jī)?nèi)側(cè)的振動(dòng)表現(xiàn)得特別明顯。而由列車(chē)振動(dòng)引起的沿線地面建筑物的振動(dòng)，其振級(jí)的大小又與建筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類(lèi)型以及與地鐵的距離有密切的聯(lián)系。對(duì)于基礎(chǔ)良好、質(zhì)量較大的高層鋼筋混凝土建筑，由于其固有頻率低，不易被激勵(lì)起較大的振動(dòng)，因而其振級(jí)較自土壤傳來(lái)的振級(jí)有相當(dāng)大的衰減，衰減量可達(dá)10～20dB，因此在距地鐵隧道水平距離32m處，高層建筑物地下室內(nèi)實(shí)測(cè)振級(jí)不大于60dB，一層以上則測(cè)不出地鐵行駛時(shí)引起的振動(dòng)；基礎(chǔ)一般的磚混結(jié)構(gòu)住宅樓可衰減5～10dB；而基礎(chǔ)較差的建筑，如輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或淺基礎(chǔ)的建筑，則衰減量很少，其振級(jí)與土壤振

11、級(jí)相近，甚至還會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)振動(dòng)大于室外地面振動(dòng)的現(xiàn)象。 根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，振動(dòng)強(qiáng)度的分布有以下特點(diǎn)： （1）在振源的頻率分布上，以人體反應(yīng)比較敏感的低頻為主，其中50～60Hz的振動(dòng)強(qiáng)度較大。 （2）在列車(chē)速度的影響上，隨行車(chē)速度的提高，振動(dòng)有增大的趨勢(shì)。 （3）就地面振動(dòng)隨距離的衰減而言，距軌道中心線越近，同一列車(chē)引起的地面振動(dòng)越大，反之則越小。 一般認(rèn)為，列車(chē)運(yùn)行所產(chǎn)生的地面振動(dòng)隨距線路距離的增加而有較大的衰減是一般規(guī)律，但是也有文獻(xiàn)得出了不同的結(jié)果。文獻(xiàn)[9]和[10]曾分別在橋梁（京沈線灤河橋，跨度32m上承式鋼板梁橋，橋墩高8～10m，車(chē)速50～80km小）和線路附近（京廣線

12、，車(chē)速 25～110km/h）測(cè)試了列車(chē)通過(guò)時(shí)地面振動(dòng)加速度隨距離的變化規(guī)律。G為振級(jí)，ω為各測(cè)點(diǎn)加速度與路基處加速度的比值?？梢园l(fā)現(xiàn)地面振動(dòng)分別在距橋墩60m左右處和距線路40m左右處出現(xiàn)了加速度的反彈增大。這一測(cè)試結(jié)果是與理論計(jì)算的結(jié)果相吻合的。 隨距離增大而振動(dòng)強(qiáng)度減弱的規(guī)律也適用于沿線建筑，由于列車(chē)引起的地面水平方向振動(dòng)在傳導(dǎo)過(guò)程中的衰減要快于垂直方向的振動(dòng)，因而沿線建筑物內(nèi)的垂直方向的振動(dòng)將大于水平方向的振動(dòng)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：建筑物的水平振動(dòng)一般約小于垂直振動(dòng)10dB，因此在評(píng)價(jià)建筑物受軌道交通系統(tǒng)影響時(shí)，可以垂直方向的振動(dòng)為主。 軌道交通系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)影響

13、 : 三、計(jì)算報(bào)動(dòng)的理論方注 當(dāng)振動(dòng)接收點(diǎn)與波源距離小于列車(chē)1／π長(zhǎng)度，且接收點(diǎn)遠(yuǎn)至足以產(chǎn)生遠(yuǎn)域時(shí)，由列車(chē)所形成的振動(dòng)荷載幾何上可以模擬成諧和線荷載波源。 在豎向諧和線荷載作用于彈性半空間情況下，振動(dòng)能量呈圓柱狀擴(kuò)散，振幅衰減速率較點(diǎn)波源作用下為沒(méi)（點(diǎn)波源作用下，能量呈球狀擴(kuò)散），R波由二維波成了類(lèi)似一維的波，在地表面上并不衰減，而遠(yuǎn)域的體波（P波和S波），其振幅在地表面下將反比于接收點(diǎn)與線荷載距離的平方（呈衰減）。 上述波傳問(wèn)題在波源下的解都是把地基上看作均勻、各向同性的彈性半空間，這種地基上模型是對(duì)實(shí)際地基上的理想化。但是它給出了在點(diǎn)波源

14、或線波源作用下體波、面波衰減的一些基本特征。 四、減振隔振措施 交通荷載所引起的地面振動(dòng)，經(jīng)常會(huì)影響鄰近的結(jié)構(gòu)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，因而對(duì)地面振動(dòng)防止對(duì)策的研究已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的環(huán)境和工程問(wèn)題。應(yīng)用屏障是防止和減輕地面振動(dòng)的有效措施，對(duì)該問(wèn)題的研究始于本世紀(jì)40年代。一般而言，振動(dòng)的有效隔阻可由河渠、橡膠墊層、板樁墻以及樁等屏障來(lái)截?cái)?、散射、繞射各種應(yīng)力波而達(dá)成。屏障又可以分為連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障。連續(xù)屏障是指屏障是連續(xù)的整體，如開(kāi)口溝渠，用泥漿、鋸屑和沙子等填充的溝或混凝土剛性墻等；非連續(xù)屏障措屏障由間斷的屏障單體

15、構(gòu)成．如圓柱行排孔和排樁等。一般所研究的振動(dòng)屏障問(wèn)題，可以分成兩大類(lèi)，一為主動(dòng)隔振，又稱(chēng)（近場(chǎng)）積極隔振，即利用間接或圍繞振動(dòng)的障壁，以減少由振動(dòng)源發(fā)射出來(lái)的波能。由于主動(dòng)隔振法的屏壁接近波源，所以其主要用于阻隔體波（P波和S波）。另一類(lèi)為被動(dòng)隔振，又稱(chēng)（遠(yuǎn)場(chǎng)）消極隔振，即在高振源較遠(yuǎn)處作屏障，隔開(kāi)振動(dòng)，使之無(wú)法降低振動(dòng)的地點(diǎn)。被動(dòng)隔振法由于障蔽遠(yuǎn)離振動(dòng)源，所以主要用來(lái)阻隔面波（R波）。屏障隔振的原理是建立在波能的反射、散射和衍射的基礎(chǔ)上，實(shí)質(zhì)上是彈性波和存在于均質(zhì)彈性介質(zhì)（屏障）間的相互作用結(jié)果。屏障對(duì)波的散射效應(yīng)決定其隔振效果。由于R波的散射是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，所以理論解多限于體波，并以

16、SH液研究最多，但仍限于幾種規(guī)則屏障。 關(guān)于振動(dòng)屏障的問(wèn)題，已有很多人做過(guò)研究，如Woods[11]曾提出有關(guān)利用明渠產(chǎn)生主動(dòng)陽(yáng)振的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告。 Pao[12]等曾利用解析的方法研究波在圓形及拋物線型障壁的折射問(wèn)題，其中解析的方法由于閉和型的解不易獲得，而使其解僅限于簡(jiǎn)單的幾何形狀和在特珠的理想條件下。近年來(lái)，又有許多學(xué)者利用有限元配合特殊的人工邊界研究了彈性基礎(chǔ)對(duì)降低交通振動(dòng)的效用，利用有限元與邊界元或無(wú)限元的雜交法，研究交通的隔振問(wèn)題。高廣運(yùn)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。 為防止振動(dòng)表面波的傳播，

17、在地表采取挖溝、筑墻等措施也能取得一定效果。有三種隔離模式：彈性基礎(chǔ)、明溝和充填式溝渠。研究結(jié)果表明：彈性基礎(chǔ)對(duì)較高頻率的隔振效果好，但由于彈性基礎(chǔ)的存在，軌道上的最大低頻速度和加速度會(huì)被放大，所以無(wú)論是對(duì)于運(yùn)行列車(chē)的平穩(wěn)性還是對(duì)周?chē)h(huán)境的隔振來(lái)說(shuō)，彈性基礎(chǔ)并不是很理想的方法；對(duì)于明溝和充填式溝渠而言，一般來(lái)說(shuō)，減振溝越深，其有效隔振頻率的下限就越低，減振效果越好。溝的寬度與隔振效果無(wú)關(guān)。對(duì)阻隔列車(chē)引起的振動(dòng)而言，明溝在三種方式中是最好的，它可以完全切斷振動(dòng)波的傳播，只要溝的深度足夠，就可以獲得理想的隔振效果。但在實(shí)際應(yīng)用上，明溝有穩(wěn)定性的問(wèn)題，須設(shè)置支撐構(gòu)架使其保持穩(wěn)定。對(duì)于低頻振動(dòng)，上述三

18、種隔振措施所引起的效果都不大，對(duì)于高頻振動(dòng)，如高速列車(chē)運(yùn)行所引起的振動(dòng)，上述三種隔振措施的效果都可以，但以明溝的隔振效果為最佳。 五、結(jié)論 雖然對(duì)于軌道交通系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響這一課題國(guó)內(nèi)外都做了不少工作，但仍有很多工作要做。 （1）軌道交通系統(tǒng)引起的振動(dòng)都是通過(guò)土壤而傳遞到臨近結(jié)構(gòu)物，造成于抗性的振動(dòng)或破壞，因此，必須首先了解地表下波傳特性。 （2）工程實(shí)際中遇到的土都是各種各樣，非常復(fù)雜，所以在研究上介質(zhì)中彈性波的傳播問(wèn)題時(shí)，必須在彈性波理論揭示的規(guī)律基礎(chǔ)上，再引人大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的具體參數(shù)來(lái)解決振動(dòng)的波動(dòng)衰減問(wèn)題。 軌道交通系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境的振動(dòng)影響 :