地鐵振動(dòng)及其控制的研究

地鐵振動(dòng)及其控制研究摘要介紹國(guó)內(nèi)外地鐵振動(dòng)及其控制研究現(xiàn)實(shí)狀況,系統(tǒng)闡述地鐵振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、地鐵振動(dòng)傳輸和現(xiàn)在振動(dòng)控制方法,并提出需要處理幾個(gè)問題。關(guān)鍵詞振動(dòng)控制地鐵結(jié)構(gòu)振動(dòng)地下鐵道是城市當(dāng)代化一個(gè)主要交通工具,因?yàn)榫邆洳徽加玫孛婵臻g、運(yùn)量大、速度快、按時(shí)、方便等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為處理城市交通擁擠和降低噪聲大氣污染一個(gè)有效伎倆。但與此同時(shí),地鐵列車運(yùn)行時(shí)引發(fā)振動(dòng)和噪聲也是世界各國(guó)地鐵普遍存在一個(gè)值得重視問題。在國(guó)際上,振動(dòng)已被列為七大環(huán)境公害之一[1]。地鐵列車高速運(yùn)行是地鐵振動(dòng)主要發(fā)生源,不但直接影響到列車內(nèi)駕乘人員舒適及健康,也使地鐵沿線地面建筑物發(fā)生受迫振動(dòng)。因?yàn)榈罔F線路大都從建筑物及人群密集城市中心地段穿過,地鐵振動(dòng)對(duì)環(huán)境和周圍建筑物內(nèi)居民生活和工作都會(huì)產(chǎn)生一定影響。北京地鐵西單站附近居民,就曾經(jīng)因地鐵造成振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲問題進(jìn)行過投訴。鐵道部勞動(dòng)衛(wèi)生所經(jīng)過對(duì)我國(guó)幾個(gè)經(jīng)典城市鐵路環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),考查了鐵路沿線居民區(qū)受列車運(yùn)行引發(fā)環(huán)境振動(dòng)污染現(xiàn)實(shí)狀況,測(cè)試結(jié)果表明,離軌道中心線30m之內(nèi)振級(jí)大部分靠近80dB[2]。這超出了《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)要求城市“混合區(qū)”晝間75dB及夜間72dB要求。這么高振級(jí)將極大地影響地鐵沿線居民日常生活及身心健康。所以,研究地鐵振動(dòng)污染規(guī)律及其控制方法就具備非常主要意義。本文主要闡述現(xiàn)在地鐵振動(dòng)理論及其控制方法研究現(xiàn)實(shí)狀況。1國(guó)內(nèi)外研究概況實(shí)際上,自地鐵開始運(yùn)行以來,地鐵對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響就已經(jīng)引發(fā)人們關(guān)注。1977年,Rucker對(duì)柏林地鐵雙線區(qū)間隧道列車振動(dòng)進(jìn)行過試驗(yàn)研究,1979年Dawn和Stanworth研究了鐵路運(yùn)行所產(chǎn)生地面振動(dòng),1982年英國(guó)倫敦運(yùn)輸科學(xué)顧問室進(jìn)行了地鐵區(qū)間隧道振動(dòng)試驗(yàn)。由此,人們開始展開了對(duì)振動(dòng)污染規(guī)律、產(chǎn)生原因、傳輸路徑、控制方法以及對(duì)人體危害等研究。瑞士聯(lián)邦鐵路和國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)試驗(yàn)研究所(ORE)共同執(zhí)行了一項(xiàng)計(jì)劃,以A.Zach和G.Rutishauser為首研究小組研究了地鐵列車和隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和加速度特征,從改進(jìn)線路結(jié)構(gòu)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)影響路徑。美國(guó)G.P.Wilson等針對(duì)鐵路車輛引發(fā)噪聲和振動(dòng),提出了經(jīng)過改進(jìn)道床結(jié)構(gòu)形式(采取浮板式道床)和改革車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)以降低輪軌接觸力方法,降低地鐵車輛引發(fā)噪聲和振動(dòng)提議。德國(guó)J.Melke等提出了一個(gè)基于脈沖激勵(lì)和測(cè)試分析診療測(cè)試方法,來預(yù)測(cè)市區(qū)鐵路線附近建筑物地面振動(dòng)水平,并經(jīng)過不一樣測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞函數(shù)分析研究了振動(dòng)波傳輸規(guī)律。F.E.Richart和R.D.Woods等則針對(duì)隔振溝和板樁墻等隔振方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在我國(guó),這方面工作開展得較晚,但伴隨地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)迅猛發(fā)展,對(duì)地鐵振動(dòng)研究日益成為一個(gè)熱門問題。中外學(xué)者經(jīng)過數(shù)十年實(shí)際測(cè)試和理論分析,在地鐵振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、傳輸規(guī)律以及控制方法上都取得了一定結(jié)果。2地鐵振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理2.1產(chǎn)生機(jī)理地鐵列車高速行進(jìn)是地鐵振動(dòng)主要發(fā)生源,詳細(xì)起源于列車輪軌系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng),其表現(xiàn)為[2,3]:(1)列車行駛時(shí),對(duì)軌道重力加載產(chǎn)生沖擊,造成車輪與軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng);(2)地鐵車輛運(yùn)行時(shí),眾多車輪與鋼軌同時(shí)發(fā)生作用所產(chǎn)生作用力,造成車輛與鋼軌結(jié)構(gòu)(包含鋼軌、構(gòu)件、道床等)上振動(dòng)(實(shí)測(cè)表明振源處振級(jí)可達(dá)103dB);(3)車輪滾過鋼軌接縫處時(shí),輪軌相互作用產(chǎn)生車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)振動(dòng);(4)軌道不平順和車輪粗糙損傷等隨機(jī)性激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng);(5)車輪偏心等周期性激勵(lì)造成振動(dòng)。2.2影響原因地鐵列車運(yùn)行時(shí)影響振動(dòng)源原因包括到車輛、軌道、道床、隧道、地質(zhì)條件等方面,詳細(xì)原因見表1[3]。文件[4]認(rèn)為,嚴(yán)格意義上,上述各參量關(guān)系為函數(shù)關(guān)系,但現(xiàn)在尚無成熟精準(zhǔn)表示式。上述主要參數(shù)中以列車速度、車輛重量、輪軌條件、隧道基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)類型及是否使用隔振方法等原因?qū)Φ罔F振動(dòng)源特征影響較大,其主要表現(xiàn)為[3,4,5]:(1)在一定運(yùn)行速度范圍內(nèi),地鐵隧道振動(dòng)振級(jí)隨列車運(yùn)行速度增加而增加,大致上速度每增大1倍,振動(dòng)振級(jí)增加約6dB;(2)輪軌表面不規(guī)則,將使振級(jí)增加5～10dB,車輪不圓整將使振級(jí)增加10～22dB;(3)國(guó)外關(guān)于不一樣隧道結(jié)構(gòu)修正值研究結(jié)論見表2。在相同地質(zhì)條件下,當(dāng)隧道材料相同時(shí),結(jié)構(gòu)厚度增大1倍,墻壁振動(dòng)可降低5～18dB,而混凝土單洞隧道振動(dòng)低于鑄鐵或鑄鋼單洞隧道壁振動(dòng);三洞隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)低于雙洞隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng),站臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)最低。3地鐵振動(dòng)傳輸?shù)罔F振動(dòng)產(chǎn)生是縱波、橫波、表面波合成復(fù)雜波動(dòng)現(xiàn)象,其傳輸形態(tài)也較為復(fù)雜。依照已經(jīng)有研究結(jié)果,近場(chǎng)振動(dòng)波型主要以彎曲波形式傳輸,遠(yuǎn)場(chǎng)主要以表面波形式傳輸。振動(dòng)傳輸路徑是從軌道傳到軌道扣件和道床,再傳遞到隧道和巖土,從而引發(fā)附近地面建筑物振動(dòng)。在振動(dòng)傳輸特征上,主要有以下結(jié)論[2,4,6,7]:(1)地鐵列車運(yùn)行時(shí),在振動(dòng)振源頻率分布上,以人體反應(yīng)比較敏感低頻為主,其中50～60Hz振動(dòng)強(qiáng)度較大;(2)振動(dòng)傳輸過程中,振動(dòng)伴隨距軌道水平距離增加而衰減。高頻分量隨距離衰減較快,低頻部分衰減較慢;水平向振動(dòng)比鉛垂向振動(dòng)衰減得快。所以,對(duì)地面及建筑物影響主要是鉛垂方向振動(dòng);(3)振動(dòng)頻譜隨距離而改變,地鐵振動(dòng)最大值對(duì)應(yīng)頻率在10～30Hz范圍內(nèi);(4)地鐵列車對(duì)臨近建筑物振動(dòng)影響范圍不超出100m,此范圍外建筑物振動(dòng)可忽略不計(jì)。詳細(xì)影響范圍會(huì)因隧道結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件不一樣而不一樣;(5)影響振動(dòng)傳輸主要原因有列車運(yùn)行速度、隧道埋深、地質(zhì)條件等。地鐵運(yùn)行速度越高,建筑物振動(dòng)響應(yīng)越大;隧道埋深越大,影響范圍越小;地質(zhì)條件不一樣,對(duì)振動(dòng)能量耗散大小不一樣;(6)列車振動(dòng)引發(fā)沿線地面建筑物振動(dòng),在建筑物方面,其振級(jí)大小與建筑物結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型以及與地鐵線距離有親密關(guān)系。4地鐵振動(dòng)控制方法地鐵運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)問題能夠在地鐵工程最初規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段經(jīng)過一些方法得到一定程度控制。4.1規(guī)劃階段控制方法在最初規(guī)劃階段,文件[5]認(rèn)為,要把線路選擇和城市規(guī)劃結(jié)合起來考慮。(1)線路走向盡可能與城市快速路、主干道或次干道重合。(2)合理控制地鐵線路兩側(cè)擬建建筑物建設(shè)距離。(3)在軌道交通規(guī)劃布局中,應(yīng)充分利用振動(dòng)波天然屏障,如河流、高大建筑物等,來阻隔振動(dòng)影響。4.2設(shè)計(jì)施工階段控制方法在設(shè)計(jì)施工階段,采取合理隔振、減振方法,能有效降低地鐵振動(dòng)帶來問題。隔振是用一些彈性元件或其余方法隔斷部分振波傳輸;減振是在產(chǎn)生振源設(shè)備或部件上加裝阻尼結(jié)構(gòu)或阻尼元件,或者增加設(shè)備或元件本身阻尼來達(dá)成減振目標(biāo)。依照地鐵振動(dòng)產(chǎn)生、傳輸和相關(guān)原因分析,能夠從振源減振控制、振動(dòng)傳輸路徑控制、受保護(hù)建筑物控制三方面來考慮地鐵振動(dòng)控制。4.2.1振源減振控制從振動(dòng)源頭減小振動(dòng)是最直接控制方法,依照地鐵振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和影響原因分析,能夠采取以下詳細(xì)方法[3～6,9]。(1)車輛輕型化。(2)車輪平滑化。經(jīng)過采取彈性車輪、阻尼車輪和車輪踏面打磨等車輪平滑方法,可有效降低車輛振動(dòng)強(qiáng)度。(3)采取重型鋼軌和無縫線路。(4)采取盤式制動(dòng)。(5)采取直線電機(jī)。直線電機(jī)具備造價(jià)低、振動(dòng)小、噪聲低、能耗低、污染小、安全性能好等很多優(yōu)點(diǎn),是二十一世紀(jì)城市軌道交通發(fā)展方向。(6)適當(dāng)控制地鐵列車運(yùn)行速度。(7)采取適當(dāng)彈性扣件或軌道減振器?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)地鐵通常采取扣件型式主要有DTI型～DTⅦ型、WJ2型和單趾彈簧扣件等,這些扣件主要用于通常減振要求路段,大部分扣件可降低振動(dòng)2～9dB;在減振要求較高地段常采取軌道減振器?，F(xiàn)在,軌道減振器慣用有科龍蛋減振器、改進(jìn)型科龍蛋減振器、軌枕靴等新型減振器。其中,軌枕靴減振效果最優(yōu),可達(dá)19dB;其次為改進(jìn)型科龍蛋,減振7～8dB;科龍蛋減振值為3～5dB。(8)選擇合理軌道結(jié)構(gòu)類型,降低振源激振強(qiáng)度?，F(xiàn)在,除傳統(tǒng)有碴軌道結(jié)構(gòu)以外,還有浮置板軌道結(jié)構(gòu)和彈性短軌枕軌道結(jié)構(gòu)(LVT,即索尼威爾低振動(dòng)軌道)這兩種減振型軌道結(jié)構(gòu)。依照德國(guó)實(shí)測(cè)資料,浮置板式軌道結(jié)構(gòu)減振效果可高達(dá)30dB,其缺點(diǎn)是造價(jià)較高。香港西部鐵路在不一樣路段分別采取了浮置板軌道結(jié)構(gòu)和彈性短軌枕軌道結(jié)構(gòu),取得了很好減振效果,使香港西鐵成為世界最平靜軌道交通線路之一。國(guó)內(nèi)廣州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線也都合理采取了這兩種軌道結(jié)構(gòu),達(dá)成了預(yù)期效果。不過,這兩種軌道結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)較高。4.2.2振動(dòng)傳輸路徑控制經(jīng)過對(duì)振動(dòng)傳輸路徑及其影響原因分析,采取一些隔振或其余方法,可使得振動(dòng)影響降低[2,3,6,8,10]。(1)在鋼軌與軌枕之間加隔振材料。主要有橡膠隔振墊板和浮置板隔振系統(tǒng)。橡膠隔振墊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工方便,不足之處是隔振效果較小,比通常道床結(jié)構(gòu)可增加傳遞損失4dB左右;浮置板隔振系統(tǒng)是一個(gè)質(zhì)量—彈簧隔振系統(tǒng),既可用于有道碴軌道,也可用于無碴軌道,減振效果最好,缺點(diǎn)是造價(jià)較高。(2)增加隧道埋深,增加隧道壁厚,依照實(shí)際情況選取適宜隧道結(jié)構(gòu)。隧道埋深越大,振動(dòng)影響越小,隧道厚度對(duì)隧道振動(dòng)有十分顯著影響,材料相同,隧道厚度加大一倍,隧道壁振動(dòng)降低5～8dB,隧道結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)影響前面已經(jīng)有闡述,不再重復(fù)。(3)對(duì)于有碴軌道,增加道碴厚度,在道碴床和隧道之間鋪設(shè)整體橡膠道碴墊。鋪設(shè)橡膠道碴墊,可降低隧道壁振動(dòng)10～20dB,但鋼軌變形增大。(4)用屏障隔振。屏障隔振是一個(gè)常見工程方法,用來妨礙或改變外圍振動(dòng)波向屏蔽區(qū)傳輸,從而減小屏蔽區(qū)地面、結(jié)構(gòu)振動(dòng)。采取隔振溝、消振壁、緩沖帶和圍欄樁,均能夠降低地鐵振動(dòng)向地基傳遞。其中隔振溝是很好方式,只要溝深度足夠,它能夠切斷振動(dòng)波傳輸,取得理想隔振效果。4.2.3受保護(hù)建筑物控制由列車振動(dòng)引發(fā)沿線地面建筑物振動(dòng),其振級(jí)大小與建筑物基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形式以及與地鐵線距離關(guān)于?，F(xiàn)在,關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)方面控制方法研究較少,主要有以下幾個(gè)結(jié)論或提議[2,3,8]。(1)地基彈性很大程度上影響著建筑物對(duì)振動(dòng)感應(yīng)程度,地基剛性越強(qiáng),建筑物內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)越低。所以,地鐵振動(dòng)影響范圍內(nèi)建筑物要做好基礎(chǔ)加固。(2)建筑物振動(dòng)與建筑結(jié)構(gòu)關(guān)于,對(duì)于輕型結(jié)構(gòu)框架或基礎(chǔ),振動(dòng)衰減為零;對(duì)于重型結(jié)構(gòu)框架或基礎(chǔ),振動(dòng)衰減為(15±5)dB;對(duì)于重型結(jié)構(gòu)建筑物樓層增加,振動(dòng)降低,每層降低1～4dB,輕體結(jié)構(gòu)振動(dòng)不隨樓高增加而降低。(3)經(jīng)過調(diào)整房屋結(jié)構(gòu)體系剛度,改變結(jié)構(gòu)自振頻率,防止主振源與房屋結(jié)構(gòu)之間因?yàn)榈皖l耦合作用產(chǎn)生共振現(xiàn)象。(4)能夠采取在建筑結(jié)構(gòu)上安裝控制裝置方法,達(dá)成減小地鐵振動(dòng)引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)目標(biāo)。5有待研究問題即使關(guān)于地鐵運(yùn)行引發(fā)振動(dòng)這一課題國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了不少研究工作,但依然有不少需要處理問題。如:(1)在地鐵振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理上,地鐵振動(dòng)源主要影響原因?qū)φ駝?dòng)源影響,都是經(jīng)過實(shí)測(cè)得出結(jié)論,各參量之間關(guān)系怎樣,現(xiàn)在尚無成熟精準(zhǔn)表示式。(2)現(xiàn)在因?yàn)闀r(shí)間及空間限制,在研究地鐵列車振動(dòng)影響問題時(shí),通常都將這個(gè)三維空間問題簡(jiǎn)化為二維平面問題,這就無法確定結(jié)論準(zhǔn)確性。(3)在振動(dòng)控制方法上,現(xiàn)在頻率高于20Hz振動(dòng)控制方法已趨于成熟,但低頻振動(dòng)依然是一個(gè)還未處理問題。近年來多倫多、舊金山、費(fèi)城等城市城市軌道交通研究表明,車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)(主要是低剛度懸掛系統(tǒng)和彈性車輪)對(duì)于低頻振動(dòng)影響較大,值得深入研究。(4)地鐵振動(dòng)對(duì)地面建筑物影響及其建筑物響應(yīng)控制問題研究將會(huì)有主要工程意義和社會(huì)意義。參考文件[1]郭文軍.地鐵振動(dòng)機(jī)理及減振方法研究[M].北京:北方交通大學(xué),1996.[2]曲經(jīng)建,夏禾,石紅兵.軌道交通系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境振動(dòng)影響[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)第十四屆年會(huì)論文集.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,.[3]董霜,朱元清.地鐵振動(dòng)環(huán)境對(duì)建筑影響研究概況[J].噪聲與振動(dòng)控制,,24(2):14.[4]辜小安,等.我國(guó)地鐵環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)實(shí)狀況及控制方法[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)境保護(hù),,30(5):206208.[5]彭勝群.地鐵振動(dòng)污