地下铁道列车运行时对环境影响的研究现状
摘 要:地下铁道的运营对环境的影响已越来越成为人们普遍关注的问题,主要从减振减噪的措施等方面进行了大量研究. 现对该领域目前的研究现状、研究手段及方法,指出了该领域的发展所需解决的课题,如荷载的不确定性、计算模型的改进、计算方法、钢轨磨耗的影响、振动和噪声的预测方法及各种减振减噪措施的进一步开展等. 关键词:地下铁道;振动;噪声
随着城市人口的增多,交通问题日益突出,地下铁道以其运量大、速度快、安全可靠、运行准时等特点已成为解决城市交通拥挤的有效措施. 但与此同时,地下铁道对环境的影响也引起了世界各国的普遍重视. 目前,由于列车产生的振动和噪声所引起的地铁沿线建筑物的不良影响,地铁沿线居民投诉的问题已经产生. 如何来较好的评价列车的振动和噪声影响以及采取何种措施有效,已经引起了国内外专家学者的关注.
1 国内外研究现状
1. 1 振源及传播规律
在地下铁道中,当列车以一定速度在轨道上运行时,车辆、轨道以及他们之间的相互作用都将产生振动,引起振动的原因可归结为[ 1 ] : ① 机车本身的动力作用; ② 机车和车辆以一定速度通过时的动力作用; ③ 轨道不平顺以及钢轨不均匀磨耗; ④ 车轮安装偏心产生的连续不平顺,以及车轮踏面不均匀磨耗引起的脉冲不平顺. 在振动传播规律的研究方面,目前的研究方法以数值计算和实验测试为主. 数值计算的模型通过两个二维动力模型来得到[2 ,3 ]. 在文献[2 ] 中,首先建立了列车—轨道耦合系统动力分析模型,由数值模拟分析,得到图1 所示的作用于道床底部的列车荷载激励曲线,然后再将列车动荷载加在垂直于线路平面的二维路基—土层—建筑物动力模型上,采用动力有限元法,得到隧道结构及周围物体的振动响应.
在实验方面,我国最早的研究是潘昌实教授1985 年在北京地铁所做的现场测试工作[4 ] ,现在这一研究已在北京、上海和沈阳等各地展开.
综合测试数据和数值计算结果,初步总结了振动影响规律如下[2 ,5 ,6 ] : ① 列车通过时,在轨道底部产生的加速度,经过道床后有很大的衰减; ② 高频分量随距离的增加衰减较快,低频分量衰减较慢,地面建筑物受低频的影响相当大; ③ 地表竖向振动的位移、速度和加速度沿水平距离衰减的趋势如图2 ,在振源的正上方振幅为最大值称为第一峰值,达一定距离rR 后出现一个极小值A, 而后又出现一个放大区,出现第二个峰值B, 然后沿水平距离的增加呈逐渐衰减的规律;④ 在相同的地质条件下,地面最大加速度、速度随覆盖厚度增加而线性减小,随至中线的距离增加而减小的规律近似为指数函数. 
图1 列车荷载时程曲线图2 振波沿水平距离增加衰减示意图
1.2 振动传播途径及影响因素
列车在地下铁道中运行时,从目前的研究结果[7～9]来看,其振动传播途径有3 个:① 直接影响车内驾驶员和乘客;② 列车进出站时,给车站环境带来污染;③ 以土质为媒介,通过车轮振动→轨道→隧道结构→ 周围土壤→相邻建筑物→地板、墙壁、天花板振动→二次结构噪声,使地铁沿线地面建筑物产生振动和固体声,危及建筑物及建筑物内的居民.综合上述3 种途径,其主要影响因素见表1[9].
表1 地铁列车振动传播影响参数
1.3 振动预测公式
在振动预测公式方面,一种情况为采用《动力地基基础规范》中的振动预测公式,但该公式是在地面荷载所产生的振动曲线的基础上总结出来的,对于地下移动荷载的情况,其适用性有待进一步的研究.另一种为应用J . Melke[7 ]提出的物理方法,在声源—声径—声接受系统内使用传递衰减链预测法,得到以振级来评价的预测公式LB = Lr -Rtr -Rtu -Rg -Rb (1) 式中,LB 为振级,dB ; Lr 为隧道振动振级;Rtr 为振源传给地面的波动随距离衰减项;Rtu 为土壤内部引起的衰减项;Rg 为轮机状况的修正因子;Rb 为建筑物本身的结构形成、基础类型、层楼比.式(1)较好的评价了振级的几个影响参数,但该公式中的几项均是以测量结果为基础的,普遍应用性有待进一步提高.
1.4 列车对环境噪声的影响调查研究表明[5 ,8 ],噪声污染已成为世界性的问题,地铁噪声在城市噪声中占有一定的比例.地铁噪声分为内部噪声和外部噪声:地铁内部噪声对于旅客和乘务员会造成不良的影响,这方面的噪声控制一般通过改良地铁列车的设备来达到;外部噪声则对地铁线路沿线和车站附近的居民造成干扰,目前已有地铁沿线居民因为噪声影响而投诉.外部噪声污染一般通过两条途径:① 列车作为噪声源发出的噪声声波直接由空气传播到地表形成噪声污染;② 列车的振动和噪声通过岩土介质传送到地铁附近的建筑物,形成一种结构声,即可听频率范围内的固体振动声成为地面噪声污染.经调查[9 ],对于车站附近的地表噪声影响, 主要通过第一条途径,对地铁隧道沿线的地面,主要通过第二条途径.
振动与噪声通过地下岩土介质传送到地铁附近建筑物,但是由于地下岩土的湿度、成分、弹性等影响结构声的参数很多,因此到目前为止,还很难求得这种结构声通过岩土进行传播的确切数据. 为了控制上述结构声的标准,日本的市政环境振动中,使用“振动级”对结构声加一个补充噪声量,将这个量作为噪声级使用. 所谓振动级,是指以20lg (Q/ Q0) (dB) 进行定义的修正加速度值,其中Q0= 10-5m/ s2 是标准振动加速度, Q = n∑Q2 n ·10 C /10 1/2 是对振动感觉修正的振动加速度有效值.这里,Qn、Cn 分别为频率n
( Hz) 时的振动加速度有效值和相对响应系数,可查表求得. 试验资料表明,45 dB 的噪声就开始对正常人的睡眠产生干扰,因此,世界各国对城市区域环境噪声标准已有明确规定.中国城市区域环境标准如表2.研究表明[9 ] ,列车在白天所产生的噪声的影响很接近标准值,在夜间已大大地超过了标准值,给 沿线的居民带来了很大的干扰,因此减振降噪势在必行.
1.5 减振减噪的措施
商业中心区、二类混合区综合考虑地铁列车振动的振源、传播途径和影响因素,减振降噪措施主要在以下几个方面进行:
(1) 车辆特性 ① 在满足其他条件的情况下,尽量降低车重; ② 采用弹性车轮可将隧道壁振动频率在40～50 Hz 之间的隧道壁振级减少4～10 dB ; ③ 尽量减少非悬挂质量; ④ 维护良好的车轮和钢轨状态.
(2) 轨道条件 对于轨道减振技术,常用的方法为打磨钢轨和钢轨长轨化,以减少轨道不平顺和接头冲击,随着材料技术的进步,新的减振降噪措施层出不穷,已提出的措施包括无枕整体卧入式轨道结构、合成材料减振轨枕、无碴轨道的弹性垫块与扣件、静音轨道阻尼器和利用废旧轮胎与水泥混合制成的橡胶土道床等. 我国香港地铁、上海地铁、广州地铁和北京地铁在敏感地段都采取了一定的轨道减振技术,如短枕科隆蛋技术、套靴轨枕块技术和浮置板道床技术.
(3) 隧道结构 隧道结构型式和隧道厚度也对隧道振动有较大影响. 表3[ 10 ] 给出了不同隧道结构形式对振动的影响情况. 在隧道厚度方面,材料相同,厚度加大一倍,墙壁振级降低5～8 dB.地铁隧道结构型式相对振动级铸铁或钢质单洞隧道结构+ 4 混凝土单洞隧道结构+ 2
(4) 建筑物结构 对于建筑物来说,主要的隔振措施为声屏双洞隧道结构0 障技术. Pao[ 11 ] 等利用解析的方法研究波在圆形及抛物线型障三洞隧道结构-2 壁的折射问题;高广运[ 12 ] 等首次提出了地面连续和非连续屏障站台结构-4 隔振的概念,指出非连续排桩屏障的散射效应决定隔振效果,屏障的衍射效应决定其影响范围,证明了圆截面排桩有较好的隔振效果.
(5) 地表减振措施 为防止振动在地表面的传播,在地表层采取挖沟、筑墙等措施也取得了一定的效果. 在这方面,主要有弹性基础、明沟和充填式沟渠3 种隔离模式. 研究表明[ 13 ] :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,轨道上的最大低频速度和加速度会被放大;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. 在阻隔列车引起的振动方面,明沟在3 种方式中是最好的,它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, 但明沟有稳定性的问题,须设置支撑沟架使其保持稳定. 总而言之,对于低频振动,3 种隔振措施所起的效果都不大;对于高频振动,如高速列车运行所引起的振动,3 种隔振措施所起的效果都可以,但以明沟的隔振效果最佳.
2 研究中存在的问题及展望
综合国内外研究现状,对列车在地下铁道上运行时对环境影响的研究,还需在以下几个方面进行进一步的研究:
(1) 对于列车荷载下的动力响应,国内外都进行了一定的研究,但研究主要以有限元等数值解法为主, 缺乏一定的系统性和深入性.
(2) 列车运行所产生的荷载,大部分是按确定性荷载来考虑,实际来说,应属于随机荷载. 对于随机荷载作用下隧道的动力响应的研究,无论在理论上还是在数值上,国内外都是一个全新的领域.
(3) 研究表明,钢轨的磨耗对振动和噪声的影响比较大,由于磨耗,使钢轨的表面成为一个具有很大随机特征的曲线,如何比较准确的评价磨耗对振动与噪声的影响情况,还需要大量的研究工作.
(4) 列车引起的振动在地层介质中传播有着特定的衰减特征,与车辆特性、轨道条件、隧道结构、地基特性、建筑物结构等因素有关. 式(1) 仅仅是一个比较近似的计算公式,其普遍应用性较差,应进一步研究较准确且方便应用的预测公式.
(5) 随着材料的不断发展,新型的减振降噪措施不断出现,但他们主要集中在轨道结构减振和建筑物结构隔振方面,在隧道结构等方面的研究还比较少.
(6) 列车运行时对隧道附近的建筑物和人体所产生的影响,有的取决于振动的振幅值,有的取决于振动加速度,如何较准确的评价列车所引起的振动参数,制定出较准确的振动与噪声控制标准是城市环境标准方面亟待解决的问题.
参考文献:
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