城市轨道交通系统引起的环境振动问题
摘 要 城市轨道交通系统对环境及周边建筑物的振动影响正在引起人们的广泛关注,本文对此问题及国内外研究状况作了系统的综述. 关键词 轨道交通系统 环境 振动影响分类号1 国内外研究工作概况
随着现代工业的迅速发展和城市规模的日益扩大,振动对大都市生活环境和工作环境的影响引起了人们的普遍注意. 国际上已把振动列为七大环境公害之一,并开始着手研究振动的污染规律、产生的原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等. 据有关国家统计,除工厂、企业和建筑工程外,交通系统引起的环境振动(主要是引起建筑物的振动) 是公众反映中最为强烈的[ 1 ]. 随着城市的发展,在交通系统设计规划中,对环境影响的考虑越来越多. 这主要因为过去城市建筑群相对稀疏,而现在,随着城市建设的迅猛发展, 多层高架道路、地下铁道、轻轨交通正日益形成一个立体空间交通体系,从地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民点、商业中心和工业区. 如日本东京市内的交通道路很多已达到5 ～7 层,离建筑物的最短距离小到只有几米,加上交通密度的不断增加,使得振动的影响日益增大. 交通车辆引起的结构振动通过周围地层向外传播,进一步诱发建筑物的二次振动,对建筑物特别是古旧建筑物的结构安全以及其中居民的工作和日常生活产生了很大的影响. 例如在捷克,繁忙的公路和轨道交通线附近,一些砖石结构的古建筑因车辆通过时引起的振动而产生了裂缝,其中布拉格、哈斯特帕斯和霍索夫等地区发生了由于裂缝不断扩大导致古教堂倒塌的恶性事件. 在北京西直门附近,距铁路线约150 m 处一座五层楼内的居民反映,当列车通过时可感到室内有较强的振动,且受振动影响一段时间后,室内家具也发生了错位. 另外,由于人们对生活质量的要求越来越高,对于同样水平的振动,过去可能不被认为是什么问题,而现在却越来越多地引起公众的强烈反应. 这些都对交通系统引起的结构振动及其对周围环境影响的研究提出了新的要求,也引起了各国研究人员的高度重视[ 2～21 ].
日本是振动环境污染最为严重的国家之一,在其“公害对策基本法”中,明确振动为七个典型公害之一的同时,还规定了必须采取有效措施来限制振动. 在“ 限制振动法”中,特别对交通振动规定了措施要求,以保护生活环境和人民的健康. T. Fujikake 、青木一郎和K. Hayakawa 等[ 9 ,17 ,21 ] 分别就交通车辆引起的结构振动发生机理、振动波在地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研究,提出了周围环境振动水平的预测方法.
面对公众的强烈反映,英国铁路管理局研究发展部技术中心对车辆引起的地面振动进行了测试,主要就行车速度、激振频率和轨道参数的相关关系以及共振现象进行了实验研究. 瑞士联邦铁路和国际铁路联盟(U IC) 实验研究所(ORE) 共同执行了一项计划,以A. Zach 和G. Rutishauser 为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度特征,从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径. 美国G. P. Wilson 等针对铁路车辆引起的噪声和振动,提出了通过改善道床结构形式(采用浮板式道床) 和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法,降低地铁车辆引起的噪声和振动的议.
交通车辆引起的结构和地面振动是城市交通规划中的一个重要问题,由其进一步引发的周边建筑物振动以及相应的振动控制和减振措施,在规划和设计的最初阶段就应加以考虑. 为此,德国的J . Melke 等提出了一种基于脉冲激励和测试分析的诊断测试方法,来预测市区铁路线附近建筑物地面振动水平,并通过不同测点数据的传递函数分析研究了振动波的传播规律. F. E. Richart 和R. D. Woods 等则针对隔振沟和板桩墙等隔振措施进行了实验研究.
此外,西班牙、捷克等国在这些方面也做了大量的测试、调查和研究工作,通过对几种不同场地土的测试结果统计,分析了列车引起的地面振动波的传播和衰减特性,并从降低行车速度、减轻荷载重量、提高路面平整度等方面提出了减少振害的措施.
在国内,虽然城市建设起步得较晚,但随着现代化的进程,交通系统大规模发展的趋势是极为迅速的. 由于轨道交通系统具有运量大、速度快、安全可靠、对环境污染小、不占用地面道路等优点,成为缓解城市交通拥挤和减少污染的一种有效手段. 目前,我国已经拥有或正在建设地下铁道的城市越来越多,不少城市还在筹建高架轻轨交通系统. 近年来在城市交通系统建设中,对于振动可能影响环境和周边建筑物内居民生活和工作的问题也进行了预测,如拟议中的西直门至颐和园轻轨快速交通系统可能对附近的文化和科研机构产生振动影响、地铁南北中轴线可能对故宫等古建筑产生振动影响、拟建的京沪高速铁路沪宁段高速列车对苏州虎丘塔可能产生振动影响等. 为此,国内不少单位已开始结合北京、上海、沈阳等一些大城市修建地铁、轻轨交通系统时车辆引起的环境振动问题进行研究,发表了初步的研究成果[ 22～43 ].
2 振动的产生、传播规律及其对环境的影响
对我国几个典型城市的调查结果表明,交通车辆引起的环境振动水平较高. 根据铁路部门的实测,距线路中心线30 m 附近的振动可达80 dB. 地铁列车通过时,在地面建筑物上引起振动的持续时间大约为10 s. 在一条线路上,高峰时,两个方向1 h 内可通过30 对列车或更多, 振动作用的持续时间可达到总工作时间的15 %～20 %. 最近在我国某城市地铁车辆段附近进行了现场测试,结果表明,当地铁列车以15～20 km/ h 的速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85 dB , 如果列车速度达到正常运行的70 km/ h 时,其振级可能还要大得多. 可见由列车运行引起的环境振动已不同程度地影响了居民的日常生活.
在轨道交通系统中,由运行列车对轨道的冲击作用产生振动,并通过结构(隧道基础和衬砌或桥梁的墩台及其基础) 传递到周围的地层,进而通过土壤向四周传播,诱发了附近地下结构以及建筑物(包括其结构和室内家具) 的二次振动和噪声. 对于地下铁道,其影响因素主要有列车速度、车辆重量、隧道基础和衬砌结构类型、轨道类型、是否采用了隔振措施等,此外列车与轨道的动力相互作用也会加大振动作用.
有调查表明,地铁列车在隧道内高速运行时,距轨道水平距离1. 5 m 处,振级平均值为81 dB ;24 m 处,振级平均值为71. 6 dB. 这说明随着距轨道水平距离的增加,振级将不断衰减. 此外,地铁振动影响的范围在很大程度上还取决于列车通过的速度及隧道的埋深. 速度越高,振动干扰越强,影响范围越大(列车速度每提高一倍,隧道和地面的振动增加4～6 dB) ;埋深越大,影响范围越小. 文献[25 ] 采用计算机模拟的方法得到地铁列车引起的地面振动随距离的分布:在距隧道中心线40 m 左右的地面为加速度的局部放大区;对于1～3 Hz 的低频振动加速度,尽管幅值大小不同,都在0 、36 、60 m 附近出现了放大区;对于5～6 Hz 的中频加速度,只有0 m 和30 m 二个放大区,距离再大时就迅速衰减;对> 8 Hz 的高频加速度则随距离的增加而逐渐衰减. 北京曾就地铁列车对环境的振动影响进行过实测,得到了与上述分布规律相同的结果.
对于高架轻轨系统,其影响因素主要有列车速度、车辆重量、桥梁结构类型和基础类型、桥梁跨度、刚度、挠度等,列车与桥梁的动力相互作用也会加大振动作用. 目前国内尚无建成的高架轻轨系统,无法进行现场测试. 但文献[22 ,23 ] 通过力学计算、文献[29 ] 通过对铁路高架桥和路基线路的实测分析,求得高架轻轨系统在列车运行时所引起的周围地层的振动特性,得出了以下结论:
(1) 轻轨列车振动所引起的地面振动,在某一距离范围内,随距线路距离的增加而衰减,在达一定距离后会出现反弹增大(约在40～60 m 间),但总趋势是随距离的增大而逐渐衰减.
(2) 轻轨系统桥梁的基础类型对地面振动的影响非常大. 采用桩基时,地面振动的位移、速度、加速度值均比采用平基时的小许多,且桩基时,地面振动随距线路距离的增加而衰减的速度也较平基时大. 甚至由于采用了不同的桥梁基础,沿线建筑不同楼层的振动响应也有所不同. 采用浅平基础时,上面楼层的响应比下面楼层的强烈,采用桩基时各楼层的差别就小得多. (3) 高架桥线路与路基线路相比,环境振动将大幅度降低. 距线路中心线30 m 处的振动强度可降低5～10 dB.
(4) 高架轻轨的桥梁结构设计应注意避免车桥产生共振,以减小对系统振动的影响.
列车运行对大地产生的振动主要以三种波的形式传播,即横波、纵波和表面波. 日本Erichi Taniguehi 等的研究表明:位于地下2 m 深处振动加速度值为地表的20 %～50 % ;4 m 深处为10 %～30 %. 可见在车辆运行产生的环境振动中,表面波占主要地位.
由于能量的扩散和土壤对振动能量的吸收,振动波在传播过程中将有所衰减. 不同类型的振源,不同的振动方向,不同的传播方向以及不同的土介质,对振动的衰减也是有区别的.
据文献[ 2 ,29 ,30 ,34 ] 的实测结果知,振动强度的分布具有以下特点:从振源的频率分布上看,以人体反应比较敏感的低频为主,其中50～60 Hz 的振动强度较大;从列车速度的影响上看,随行车速度的提高,振动有增大的趋势;就地面振动随距离的衰减而言,距轨道中心线越近,同一列车引起的地面振动就越大,反之则越小. 很多文献认为列车运行所产生的地面振动随距线路距离增加而有较大的衰减是一般规律,见图1 (a) . 但是也有文献得出了不同的结果: 文献[38 ] 和[ 42 ] 曾分别在桥梁(京沈线滦河桥,跨度32 m 上承式钢板梁桥,桥墩高8～10 m , 车速50～80 km/ h) 和线路附近(京广线,车速25～110 km/ h) 测试了列车通过时地面振动加速度随距离的变化规律,结果分别见图1(b) 和(c) . 图1 中G 为振级;ε为各测点加速度与路基处加速度的比值. 可以发现地面振动分别在距桥墩60 m 左右处和距线路40 m 左右处出现了加速度反弹增大的现象. 这一测试结果是与理论计算的结果相吻合的[43 ]. (a) 位置分布(b) 桥梁附近(c) 线路附近
图1 实测地面振动加速度随距离的分布
随列车速度的提高,附近建筑物内的振动有增大的趋势(尤其是楼房) [ 41 ,43 ]. 而由列车引起的沿线地面建筑物振动,其振级的大小与建筑物的结构形式、基础类型以及距地铁的距离有密切的联系. 对于基础良好、质量较大的高层钢筋混凝土建筑,由于其固有频率低,不易被激起较大的振动,因而其振级较之自土壤传来的振级可衰减10～20 dB. 在距地铁隧道水平距离32 m 处,高层建筑地下室内实测振级不大于60 dB ,1 层以上则测不出地铁行驶时引起的振级;基础一般的砖混结构住宅楼可衰减5～10 dB ; 而基础较差的建筑,如轻质结构或浅基础建筑,则衰减量很小,其振级与土壤振级接近,甚至还会出现室内振动大于室外地面振动的情况.
3 减振隔振控制措施
如前所述,城市轨道交通系统产生的振动可以通过结构和周围地层传播到振动影响到的区域或个人. 为降低振动或控制振动的不利影响,可从降低振源的激振强度、切断振动的传播 途径或在传播途径上削弱振动、合理规划设计使建筑物避开振动影响区等几个方面着手. 根据有关资料,减少振源振动可采取以下几种措施[ 13 , 34 ]:
(1) 采用60 kg/m 以上的重轨,并应尽量采用无缝线路. 重轨具有寿命长,稳定性能和抗振性能良好的特点,无缝线路则可消除车轮对轨道接头的撞击.
(2) 减轻车辆的簧下质量,避免车辆与轨道产生共振,这样可降低振动强度10～15 dB.
(3) 对于地铁而言,适当增加埋深,使振动振幅随距离(深度) 增加而加大衰减;采用较重的隧道结构也可降低振动幅度.
(4) 对于在地面上运行的轻轨系统,应首先考虑采用高架桥梁. 与普通路基相比较,高架系统不但产生的振动要小,而且占地面积也小,特别适合市区.
(5) 高架轻轨系统的桥梁应优先采用混凝土梁以及整体性好、振动较小的结构形式;合理设计跨度和自振特性,以避免高速运行的列车与结构产生共振. 另外,墩台采用桩基础,可获得较浅平基础好的减振效果.
(6) 采用合适的道床和轨道结构型式,增加轨道的弹性. 瑞士联邦铁路和比利时布鲁塞尔自由大学等都在研究新型的弹性轨枕和复合轨枕以减小动力冲击力,并将有效地降低车辆、轨道和附近环境的振动.
对地铁而言,为减少维修工作量,一般都采用整体道床,其中包套式短枕整体道床、塑料短枕整体道床、浮置板式整体道床等几种道床型式都可起到减振作用. 对高架轻轨而言,道床结构形式主要有两种:一是有碴式道床结构型式,二是无碴道床结构型式. 从国外情况看,美国、加拿大多采用无碴式整体道床,德国、新加坡多采用有碴道床,香港地铁高架部分均采用无碴道床,日本轻轨采用有碴道床和混凝土板式道床.
从减振效果来说碎石道床优于整体道床,但碎石道床具有稳定性较差、养护工作量大、自重较大、轨道建筑高度较大且道床易污染等缺点,所以宜采用整体道床,其弹性不足的问题可以利用减振效果好的弹性扣件或其它减振措施弥补. 整体道床包括无枕式整体道床,短枕式整体道床,长枕式整体道床和纵向浮置板式整体道床. 其中纵向浮置板式整体道床减振效果显著,尤其是低频域减振效果更好. 无论是有碴道床还是整体道床,都可在道碴或凝土板下面设置橡胶减振垫,减振效果可达10～15 dB[ 2 ,4 ,14 ,34 ] . 采用适当的弹性扣件,可以增加整体道床的弹性. 例如,在北京地铁使用的D TI 型和D TV 型扣件中,D TV 型扣件经过室内试验比D TI 型扣件可减少振动5～8 dB.
弹性垫层是增加扣件弹性的重要组成部分. 要改善整体道床的缺点,可采用高弹性垫层, 以提供轨道所需用的弹性,缓冲列车的动力作用. 北京地铁一二期工程采用轨下10 mm 橡胶垫板、铁垫板下一层塑料垫板作为弹性垫层,但发现弹性不足. 北京新建的地铁和上海地铁采用轨下一层、铁垫板下两层圆柱型橡胶垫板,均能满足一般地段需要. 需要指出的是,道床型式、扣件型式及弹性垫层之间都要有合理的匹配关系. 为阻止表面波的传播,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. 在地表层采取挖沟、筑墙等措施有一定效果. 有三种隔离模式:弹性基础、明沟和充填式沟渠. 弹性基础对较高频率的隔振效果较好,但由于弹性基础的存在,轨道上的最大低频加速度会被放大, 所以无论是对运行列车的平稳性还是对于周围环境的隔振来说,弹性基础并不是很理想的方法;对于明沟和充填式沟渠,一般来说,减振沟越深,其有效隔振频率的下限就越低,减振效果越好,它们可以完全切断振动波的传播,只要沟的深度足够,就可以获得理想的隔振效果.
减振墙也常用来作隔振使用,其效能与减振沟类似. 有试验表明,减振墙的板质、厚度和深度对减振效果均有影响. 向地层下打入柱桩,形成柱列或柱阵可以获得显著的减振效果,国外已成功地采用这种措施防止地铁和其它振动对建筑物的干扰. 对于点振源,在其周围设置由具有一定质量的隔振材料形成的阻波区( Wave Impeding Block) ,可以很好地隔绝振动波的扩散. 阻波区隔振的基本原理是利用隔振材料的振动来吸收振源传出的振动能量,其减振效果与隔振材料的质量和埋置深度、阻波区的宽度有关. 台湾某高架桥系统,在桥墩的周围设置环状的阻波区后,环外地层的振动强度下降了5～15 dB[ 45 ].
4 减轻轨道交通系统对周边建筑物振动影响的规划设计原则
根据国内外的研究成果,为减轻轨道交通系统对周边建筑物的振动影响,规划设计中应遵循以下原则:
(1) 规定地面建筑物到地铁隧道或高架轻轨线路的水平距离,必须在古建筑附近修建地铁时,还应规定地铁隧道的埋深,以利用振动能量的传播衰减来降低振动水平.
(2) 对新规划的建筑物,应使其位置避开振动波传播的放大区;对既有的古旧建筑物或其它对振动敏感的建筑物,在规划轨道交通线时,应使振动放大区离开它们的位置.
(3) 在地铁及高架轻轨沿线的建筑物应以基础结构牢固的楼房为主,避免建造轻质结构或基础较浅的房屋. 建筑物的振动特性应合理设计,以防止其振动频率与列车产生的振动一致而形成共振.
(4) 在轨道交通规划布局中,应充分老虑利用振动波的天然屏障,如河流、高大建筑物等, 来隔绝振动的影响.
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