振動對環(huán)境的影響

振動對環(huán)境的影響

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，對大城市生活和工作環(huán)境的影響越來越受到關(guān)注。國際上已把振動列為七大環(huán)境公害之一,并已開始著手研究振動污染規(guī)律、振動產(chǎn)生的原因、傳播路徑與控制方法以及對人體的危害等問題。1振動對于人類生活的影響日益重要所謂振動公害,是指人類活動引起的地面、建筑物、交通車輛等振動對人的生活和工作環(huán)境的影響、對人體健康的影響、對建筑物安全的影響以及對精密儀器正常使用的影響等。據(jù)有關(guān)國家統(tǒng)計,除工廠、企業(yè)和建筑施工之外,交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動問題(主要是建筑物的振動)是公眾反映中最強(qiáng)烈的,約占總投訴率的14%,如圖1所示。隨著城市的發(fā)展,對城市交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中考慮環(huán)境影響的要求越來越高。這是因為,過去城市建筑群相對稀疏,交通車輛引起的振動對周圍環(huán)境的影響未成為人們關(guān)注的環(huán)境問題。而現(xiàn)在,隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展,多層的高架道路、地下鐵道、輕軌交通正日益形成一個立體空間交通體系,從地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民點、商業(yè)中心和工業(yè)區(qū)。如日本東京以及我國北京、上海、廣州等大城市,市內(nèi)的立體交通道路很多已達(dá)到5至7層之多,如圖2所示,而離建筑物的最短距離則小到只有幾米,甚至緊挨建筑物,如圖3所示。交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動通過周圍地層向外傳播,進(jìn)一步誘發(fā)鄰近建筑物(包括室內(nèi)家俱等)的2次振動和噪聲,對建筑物的結(jié)構(gòu)安全及其居民的工作和日常生活產(chǎn)生很大的影響。在捷克,繁忙的公路或軌道交通線附近的某些磚石結(jié)構(gòu)的古教堂因車輛通過時引起振動而產(chǎn)生裂縫如圖4所示。甚至發(fā)生了由于裂縫不斷擴(kuò)大導(dǎo)致建筑物倒塌的事例。在北京,西直門附近距鐵路約150m處一座5層樓內(nèi)的居民,當(dāng)列車通過時可感到室內(nèi)有較強(qiáng)的振動,門窗和家具的玻璃發(fā)出噪聲,一段時間后室內(nèi)家具由于振動而發(fā)生了錯位,如圖5所示。環(huán)境振動對激光、電子顯微鏡、電子天平的操作、外科手術(shù)器具、半導(dǎo)體集成電路的制作等也有很大的影響,它會使這些精密儀器和設(shè)備產(chǎn)生讀數(shù)不準(zhǔn)、精度下降,使用壽命縮短,甚至不能正常工作。圖6(a)、(b)所示是150000倍率的電子顯微鏡在振動環(huán)境下有無受到振動影響時產(chǎn)生影象的比較?？梢?為保證精密儀器設(shè)備和精加工機(jī)床工作的可靠性,周圍環(huán)境振動的影響是不容忽視的。環(huán)境振動一般不會對人體直接造成傷害,但它會干擾人們的日常生活,使人感到不適和心煩,甚至影響人們的睡眠、休息和學(xué)習(xí)。試驗研究表明:振動強(qiáng)度愈高,對人們?nèi)胨退呱疃鹊挠绊懹?當(dāng)振動為60dB時,一般人剛剛可以感覺到振動,它并不影響人們的睡眠,但對較敏感的人或患病者則會產(chǎn)生影響;當(dāng)振動達(dá)到65dB時,對睡眠有輕微影響;達(dá)到69dB時,所有輕微睡眠的人將被驚醒;達(dá)到74dB時,除酣睡的人,其他人將驚醒;達(dá)到79dB時,所有的人都將驚醒?？梢娬駝訉幼≡阼F路線周圍的居民影響是很大的。一方面是振動日益增大,另一方面,人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高,即使對同樣水平的振動,在過去可能不是問題,而現(xiàn)在卻越來越多地引起了公眾的強(qiáng)烈反應(yīng)。這些都對交通系統(tǒng)引起的結(jié)構(gòu)振動及其對周圍環(huán)境影響的研究提出了新的要求,引起了各國研究人員的高度重視[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。日本是振動污染最嚴(yán)重的國家之一,因而對環(huán)境振動問題極為重視。在其“公害對策基本法”中,明確振動為七大環(huán)境公害之一,規(guī)定必須采取有效措施加以限制。在“限制振動法”中,對交通振動提出了特別要求,以保全生活環(huán)境和保護(hù)人民的健康。日本通產(chǎn)省環(huán)境局、日本噪聲控制學(xué)會組織制訂了有關(guān)環(huán)境振動公害控制及法規(guī)的專門文獻(xiàn)。江島淳和青木一郎分別就交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動的發(fā)生機(jī)理、振動的傳播規(guī)律及其對周圍居民的影響進(jìn)行了研究,并提出了振動預(yù)測方法。日本鐵道綜合技術(shù)研究所建立了專用振動臺和人體振動分析模型,研究了不同頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時間的振動對人體的影響。T.Fujikake、吉岡修等就新干線高速列車對環(huán)境振動的影響進(jìn)行了現(xiàn)場測試,分析了車輛、軌道、橋梁、地面等不同部位的振動特點,并研究了不同類型的隔振屏障的隔振效果。在美國,G.P.Wilson等針對鐵路車輛引起的噪聲和振動,提出了通過改善軌道結(jié)構(gòu)形式(例如采用浮置板式道床)及改革鐵路車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)造以減少輪軌接觸力,從而降低地鐵車輛引起的結(jié)構(gòu)噪聲和振動的建議。L.G.Kurzweil等則研究了地鐵列車的振動在不同地層中的傳播路徑、衰減特性以及鄰近建筑物的2次振動和噪聲問題。面對公眾的強(qiáng)烈反映,英國鐵路管理局研究發(fā)展部技術(shù)中心對鐵路車輛引起的地面振動進(jìn)行了測試,主要就行車速度、激振頻率和軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系以及共振現(xiàn)象等進(jìn)行了實驗研究。在歐洲的許多國家,高速鐵路網(wǎng)的建設(shè)使得人們對交通引起的環(huán)境振動問題產(chǎn)生了極大關(guān)注和研究熱潮。在比利時,部分高速鐵路線路是在既有鐵路上改造的,往往穿過一些城鎮(zhèn),有些新建的站線甚至緊靠著建筑物的基礎(chǔ),如圖7所示。在安特衛(wèi)普車站,高速列車將從地下通過,產(chǎn)生與地下鐵道類似的振動影響。為此,魯汶大學(xué)G.DeRoeck和G.Degrande教授等與比利時鐵路公司SNCB合作,在布魯塞爾至巴黎之間高速鐵路線上進(jìn)行了試驗,測試和分析了高速列車通過時附近地面振動的分布規(guī)律。他們還通過汽車沖擊振動試驗和數(shù)值模擬的方法研究了振源特性與地面振動的傳遞函數(shù)關(guān)系。軌道車輛引起的結(jié)構(gòu)和地面振動是城市交通規(guī)劃中的一個重要問題,由其進(jìn)一步引發(fā)的周邊建筑物振動以及相應(yīng)的振動控制和減振措施,在規(guī)劃設(shè)計的最初階段就應(yīng)加以考慮。為此,文獻(xiàn)報道了一種基于脈沖激勵和測試分析的診斷測試方法,來預(yù)測市區(qū)鐵路線附近地面和建筑物的振動水平,并通過不同測點數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)關(guān)系分析研究了振動的傳播規(guī)律。文獻(xiàn)報道對隔振溝、板樁墻、阻波障(WIB,WaveImpedingBarrier)等隔振措施進(jìn)行的試驗研究及取得的成果。在國內(nèi),雖然大城市發(fā)展較晚,但隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程,軌道交通大規(guī)模發(fā)展的趨勢是極為迅速的。目前已經(jīng)擁有或正在建設(shè)地下鐵道的城市越來越多,不少城市還在籌建高架輕軌交通系統(tǒng)。近年來已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)軌道交通引起的振動可能影響環(huán)境和周邊建筑物內(nèi)居民生活、工作的公眾反映的預(yù)測,如西直門至頤和園快速軌道交通系統(tǒng)可能對附近文化和科研機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動影響、地鐵南北中軸線可能對故宮等古建筑產(chǎn)生的振動影響、擬建的京滬高速鐵路可能產(chǎn)生的高速列車對蘇州虎丘塔的振動影響等。為此,北京市地鐵總公司、北京市環(huán)境保護(hù)局、北方交通大學(xué)等已經(jīng)通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(圖8)的方法進(jìn)行研究,發(fā)表了有關(guān)普通鐵路、地鐵、高架輕軌列車作用下的地面、隧道及高架橋梁的振動及其對周圍環(huán)境和建筑物影響的研究成果。在廣州和深圳,包含振動影響在內(nèi)的環(huán)境評價已經(jīng)成為新建軌道交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中必不可少的程序。在臺灣,臺北至高雄之間的高速鐵路對臺灣南部科學(xué)園區(qū)可能產(chǎn)生的振動影響已經(jīng)引起了各界人士的廣泛關(guān)注。臺灣大學(xué)的楊永斌教授、成功大學(xué)的朱圣浩教授等采用數(shù)值分析的方法對高速鐵路的環(huán)境振動影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和預(yù)測,并提出了降低環(huán)境振動影響的措施。2由鐵路引起的環(huán)境振動特征2.1振動影響因素軌道交通對環(huán)境和周圍建筑物的影響可通過圖9的示意加以說明:由運(yùn)行車輛對軌道的沖擊作用產(chǎn)生振動,通過結(jié)構(gòu)(路基、橋梁墩臺及其基礎(chǔ)、隧道基礎(chǔ)和襯砌等)傳遞到周圍的地層,并經(jīng)過地層向四周傳播,激勵附近地下結(jié)構(gòu)或地面建筑物產(chǎn)生振動并進(jìn)一步誘發(fā)室內(nèi)結(jié)構(gòu)和家具的二次振動和噪聲,從而對建筑物的結(jié)構(gòu)安全以及建筑物內(nèi)人們的工作和生活產(chǎn)生影響。對于地面鐵路,主要影響因素有:車輛類型、載重、行車速度、鐵路軌道的不平順、車輪的不平順、鋼軌接頭、軌道的結(jié)構(gòu)特性、路基的彈性特性等。軌道養(yǎng)護(hù)狀態(tài)對振動的影響也很大,一般振動大的軌道,經(jīng)過養(yǎng)護(hù)其振動可降低約5～10dB。對于高架軌道系統(tǒng),主要影響因素有:列車速度、車輛重量、橋上軌道的特性、橋梁型式和基礎(chǔ)類型、橋梁的跨度、剛度、撓度、橋梁支座的類型和減振性能、橋梁接縫、路橋過渡段的剛度不一致性等,此外列車與橋梁的相互作用也會加大振動的作用。對于地下鐵道,主要影響因素有:列車速度、車輛重量、隧道的埋置深度、隧道基礎(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)類型、軌道類型、是否采用了隔振措施等,此外列車與軌道的相互作用也會加大振動作用。2.2鐵路環(huán)境的振動特征2.2.1列車通過速度為200km/h對于普通的雙線鐵路,列車運(yùn)行的間隔可以短至5～10min,每次列車通過的持續(xù)時間根據(jù)車速和列車長度不同可長至2～3min。因此,列車引起的環(huán)境振動持續(xù)時間可長達(dá)總時間的1/5～1/3。高速鐵路因列車行駛而產(chǎn)生的振動是間歇性的,每次列車振動持續(xù)的時間比較短。日本新干線列車通過時的標(biāo)準(zhǔn)振動級表示為梯形特性曲線,當(dāng)列車通過速度為200km/h時,峰值的持續(xù)時間約為7s左右,而具有這樣峰值的振動每經(jīng)4～8min間隔發(fā)生1次,其影響也是可觀的。根據(jù)北京地鐵的調(diào)查:一列地鐵列車通過時,在地面建筑物上引起的振動持續(xù)時間約為10s鐘。在一條地鐵線路上,高峰時,2個方向1h內(nèi)可通過30對列車,或更多一些。因而振動作用的持續(xù)時間,可達(dá)到地鐵總工作時間的15%～20%,其對環(huán)境產(chǎn)生的振動影響是不容忽視的。2.2.2振動的傳播與傳播軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的振動類似于一般振動,也是以3種波的形式傳播,即剪切波,壓縮波和表面波。實測結(jié)果表明:地下2m深土層的振動加速度為地表的20%～50%;4m深時則減少到10%～30%。所以,在車輛運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境振動中,表面波傳播占主要地位。由于能量的擴(kuò)散和土層對振動能量的吸收,車輛引起的振動強(qiáng)度在其傳播過程中將有所衰減。不同類型的振源,不同的振動方向,不同的傳播方向以及不同的土介質(zhì),對振動的衰減是有區(qū)別的。就地面振動隨距離的衰減而言,距軌道越近,同一列車引起的地面振動就越大,反之則越小。一些文獻(xiàn)認(rèn)為列車運(yùn)行所產(chǎn)生的地面振動隨至線路距離增加而有較大的衰減是一般規(guī)律。對于軌道交通系統(tǒng),振動通過橋墩向地層傳播可看作點振源,而通過道床直接傳播則看作線振源。理論分析結(jié)果表明:環(huán)境振動的強(qiáng)度隨至振源的距離而衰減。對點振源,可表示成Ur=U0r-ne-2πfξr/V(1)式中U0為振源附近基點的振幅;Ur為到振源距離為r的地點的振幅;ξ為土層介質(zhì)的阻尼比;f為振動的頻率,V為傳播速度,n為系數(shù),對表面波取n=0.5,對無限半空間的實體波取n=2。而對線振源,可表示成Arz=12K0r?kze?αzrv3/4(2)Arz=12Κ0r-kze-αzrv3/4(2)式中Arz為距軌道中心r(m)處的振幅;v為列車運(yùn)行速度,單位為km/h;K0為不同土類的振幅系數(shù);Kz為振動在傳播過程中的綜合衰減系數(shù),對垂直振動Kz=0.75,對水平振動Kz=0.3;αz為土層對振動能量的吸收系數(shù),其取值見文獻(xiàn)。振動強(qiáng)度的變化還與地層土的密度有密切關(guān)系,一般土的粘彈性系數(shù)越大,衰減越快;密度越高,振動的衰減就越慢。根據(jù)很多城市的調(diào)查,不少結(jié)果符合這些規(guī)律。圖10(a)所示是在我國幾個城市的調(diào)查結(jié)果,該圖表明鐵路車輛引起的環(huán)境振動水平較高。另據(jù)鐵路部門的實測,距線路中心30m附近的地面振動可達(dá)80dB,而隨著距離的增加,強(qiáng)度迅速衰減。但也有研究得出了不同的結(jié)果。如文獻(xiàn)報道在沈陽測試列車通過時地面振動加速度隨距離的變化規(guī)律,結(jié)果如圖10(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)地面振動分別在距線路30～50m處出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象,且這一結(jié)果與數(shù)值分析的結(jié)果相吻合。在比利時,G.Degrande等對布魯塞爾—巴黎之間的高速鐵路進(jìn)行了環(huán)境振動測試,在列車速度為256～314km/h的情況下,也得到了同樣的規(guī)律,其振動加速度反彈增大區(qū)約在距線路20～40m的范圍,如圖10(c)所示。實際上若仔細(xì)觀察圖10(a),也會發(fā)現(xiàn)類似的反彈現(xiàn)象,說明該現(xiàn)象具有一定的普遍性。有研究認(rèn)為這種現(xiàn)象是由S波在基巖(堅硬層)與地表之間的(軟)土層中重復(fù)反射而形成的,如圖11所示。反彈增大區(qū)的位置與波速、基巖深度以及土層的性質(zhì)有關(guān),而公式(1)和(2)未能反映出這一規(guī)律。2.2.3振動測試結(jié)果列車引起的地面振動一般隨車速的提高而增大,從圖12可以看出這種規(guī)律。在西班牙,G.Volberg根據(jù)對3種不同場地的測試結(jié)果,回歸出振動級與列車速度的關(guān)系為Lv=64+20lg(v/40)(3)式中v為車速,km/h;Lv為振動速度級,參考基準(zhǔn)速度為5×10-8m/s。文獻(xiàn)報道了對新干線的橋梁及其周圍地面的振動進(jìn)行的測試,結(jié)果表明:在高速列車作用下,橋梁和附近地面不同測點的振動加速度都是隨車速的提高而增大,在160～280km/h的車速范圍內(nèi),振動強(qiáng)度可相差5～8dB,見圖12(b),其經(jīng)驗公式為Lv=10nlg(v/v0)+Lv0(4)式中v0為參考車速,km/h;Lv0為參考車速下的平均振級,n是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定的系數(shù),反映車速對振級大小的影響,取值范圍為1.5～3.5。地鐵振動影響的強(qiáng)度和范圍也與列車通過的速度有關(guān):車速越高,振動干擾越強(qiáng)(有的文獻(xiàn)認(rèn)為列車速度每提高1倍,隧道和地面的振動增加4～6dB),影響范圍越大。根據(jù)北京、天津地鐵的實測結(jié)果,對于整體道床、彈性軌道扣件的軌道,在20～100km/h的車速范圍時,隧道結(jié)構(gòu)的垂向加速度可按下式估算:Lv=67+20lg(v/65)+ΔL(5)式中v為車速,km/h;ΔL為不同輪軌條件下的修正值:對于無縫線路、車輪圓整、輪軌表面平滑時,ΔL=0,如果輪軌表面不平滑,則ΔL=5～11dB,如果是短軌、車輪不圓整,則ΔL=10～22dB。3一般介紹軌道交通系統(tǒng)的振動特性3.1基礎(chǔ)類型對地面振動的影響除了上述的一般規(guī)律外,高架軌道橋梁系統(tǒng)引起的環(huán)境振動還有如下特點:1)高架橋線路與路基線路相比,環(huán)境振動將大幅度降低,距線路中心線30m處的振動強(qiáng)度可降低5～10dB。2)橋梁基礎(chǔ)類型對地面振動的影響很大。采用樁基時,由列車運(yùn)行引起地面振動的位移、速度、加速度值均比采用平基時小許多,且用樁基時地面振動隨距線路距離的增加而衰減的速度也較平基時大。而且由于采用了不同的橋梁基礎(chǔ),沿線建筑不同樓層的振動響應(yīng)也有所不同,采用淺平基礎(chǔ)時,高樓層的響應(yīng)比低樓層的劇烈,采用樁基時各樓層的差別就小得多。3)圖13所示是日本新干線對軌道—橋梁—橋墩—地面系統(tǒng)的測試結(jié)果:鋼軌的振動高達(dá)90dB,到橋墩處就已經(jīng)衰減了約20dB;地面振動隨距離衰減的規(guī)律也很明顯;從頻率特征上看,對不同的測點,均以10～20Hz左右的頻率比較突出。3.2振動放大區(qū)和移動方向?qū)τ诘罔F列車的振動效應(yīng),除了通過現(xiàn)場實測了解其對環(huán)境的振動影響以外,文獻(xiàn)作者根據(jù)實測軌道加速度得到了列車荷載的模擬數(shù)據(jù)表達(dá)式,進(jìn)而采用有限元法分析了隧道和周圍土體的振動特性;文獻(xiàn)作者也通過建立系統(tǒng)動力分析模型的方法對地鐵列車引起的環(huán)境振動及振動波的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。圖14所示是文獻(xiàn)作者采用計算機(jī)模擬方法得到的地鐵列車引起的地面振動隨距離的分布,很容易看出,在距隧道中心線30～40m的地面為加速度的局部放大區(qū)。文中還給出了分頻段的加速度分布:對于1～3Hz的低頻振動,盡管幅值大小不同,都在0m、36m和60m附近出現(xiàn)了放大區(qū);對于5～6Hz的中頻,只有0m和30m2個放大區(qū),距離再大時則迅速衰減;對8Hz以上的高頻加速度則隨距離的增加而單調(diào)衰減。北京地鐵總公司曾就地鐵列車對環(huán)境的振動影響進(jìn)行過實測,得到了與上述分布規(guī)律相同的結(jié)果。有調(diào)查表明:地鐵列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行時,距軌道水平距離1.5m處,地面振級平均值為81dB,而24m處為71.6dB。地鐵振動影響的范圍在很大程度上還取決于隧道的埋深,埋深越深影響范圍越小。隧道的結(jié)構(gòu)類型和襯砌厚度對于地鐵列車引起的振動有很大的影響。表1給出了不同類型的隧道相對振級,當(dāng)隧道襯砌的厚度增加1倍,其振動級可降低5～18dB。根據(jù)文獻(xiàn)的回歸分析,地鐵列車引起的地面振動可以用下面的表達(dá)式估計:對圓形隧道LV1=K1?12lgL1+25lgv50?24lgW130+X(6)LV1=Κ1-12lgL1+25lgv50-24lgW130+X(6)對箱形隧道LV2=K2?16lgL2+25lgv50?24lgW230+X(7)LV2=Κ2-16lgL2+25lgv50-24lgW230+X(7)式中LV1、LV2為地面預(yù)測點的垂直振動振級(峰值振級的平均值,d