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地鐵振動(dòng)及其控制的研究論文
摘 要 介紹國(guó)內(nèi)外地鐵振動(dòng)及其控制的研究現(xiàn)狀,系統(tǒng)闡述地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理、地鐵振動(dòng)的傳播和目前的振動(dòng)控制措施,并提出需要解決的幾個(gè)問題。
關(guān)鍵詞 振動(dòng)控制 地鐵 結(jié)構(gòu) 振動(dòng)
地下鐵道是城市現(xiàn)代化的一種重要交通工具,由于具有不占用地面空間、運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)、方便等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為解決城市交通擁擠和減少噪聲大氣污染的一種有效手段。但與此同時(shí),地鐵列車運(yùn)行時(shí)引起的振動(dòng)和噪聲也是世界各國(guó)地鐵普遍存在的一個(gè)值得重視的問題。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)的主要發(fā)生源,不僅直接影響到列車內(nèi)駕乘人員的舒適及健康,也使地鐵沿線地面建筑物發(fā)生受迫振動(dòng)。由于地鐵線路大都從建筑物及人群密集的城市中心地段穿過,地鐵振動(dòng)對(duì)環(huán)境和周邊建筑物內(nèi)居民的生活和工作都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。北京地鐵西單站附近的居民,就曾經(jīng)因地鐵造成的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲問題進(jìn)行過投訴。
鐵道部勞動(dòng)衛(wèi)生所通過對(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)的振級(jí)大部分接近80dB[2]。這超出了《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)規(guī)定的城市“混合區(qū)”晝間75dB及夜間72dB的要求。這樣高的振級(jí)將極大地影響地鐵沿線居民的日常生活及身心健康。因此,研究地鐵振動(dòng)污染規(guī)律及其控制方法就具有非常重要的意義。本文主要闡述目前地鐵振動(dòng)理論及其控制措施的研究現(xiàn)狀。
1、國(guó)內(nèi)外研究概況
事實(shí)上,自地鐵開始運(yùn)行以來,地鐵對(duì)環(huán)境的振動(dòng)影響就已經(jīng)引起人們的關(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)生的地面振動(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)的污染規(guī)律、產(chǎn)生原因、傳播途徑、控制方法以及對(duì)人體的危害等的研究。
瑞士聯(lián)邦鐵路和國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)實(shí)驗(yàn)研究所(ORE)共同執(zhí)行了一項(xiàng)計(jì)劃,以A.Zach和G.Rutishauser為首的研究小組研究了地鐵列車和隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和加速度特征,從改善線路結(jié)構(gòu)的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)影響的途徑。
美國(guó)G.P.Wilson等針對(duì)鐵路車輛引起的噪聲和振動(dòng),提出了通過改善道床結(jié)構(gòu)形式(采用浮板式道床)和改革車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)造以減少輪軌接觸力的方法,降低地鐵車輛引起的噪聲和振動(dòng)的建議。
德國(guó)的J.Melke等提出了一種基于脈沖激勵(lì)和測(cè)試分析的診斷測(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,并通過不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)分析研究了振動(dòng)波的傳播規(guī)律。
F.E.Richart和R.D.Woods等則針對(duì)隔振溝和板樁墻等隔振措施進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
在我國(guó),這方面的工作開展得較晚,但隨著地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)的迅猛發(fā)展,對(duì)地鐵振動(dòng)的研究日益成為一個(gè)熱門問題。中外學(xué)者通過數(shù)十年的實(shí)際測(cè)試和理論分析,在地鐵振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律以及控制方法上都取得了一定成果。
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)的主要發(fā)生源,具體來源于列車的輪軌系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng),其表現(xiàn)為[2,3]:
(1)列車行駛時(shí),對(duì)軌道的重力加載產(chǎn)生的沖擊,造成車輪與軌道結(jié)構(gòu)的振動(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)生的作用力,造成車輛與鋼軌結(jié)構(gòu)(包括鋼軌、構(gòu)件、道床等)上的振動(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)生的車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng);
(4)軌道的不平順和車輪的粗糙損傷等隨機(jī)性激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng);
(5)車輪的偏心等周期性激勵(lì)導(dǎo)致的振動(dòng)。
2.2 影響因素
地鐵列車運(yùn)行時(shí)影響振動(dòng)源的因素涉及到車輛、軌道、道床、隧道、地質(zhì)條件等方面,具體因素見表1[3]。
文獻(xiàn)[4]認(rèn)為,嚴(yán)格意義上,上述各參量的關(guān)系為函數(shù)關(guān)系,但目前尚無成熟的精確表達(dá)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措施等因素對(duì)地鐵振動(dòng)源特性影響較大,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)行速度的增加而增加,大體上速度每增大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)外有關(guān)不同隧道結(jié)構(gòu)修正值的研究結(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)的傳播
地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的是縱波、橫波、表面波合成的復(fù)雜波動(dòng)現(xiàn)象,其傳播形態(tài)也較為復(fù)雜。根據(jù)已有的研究成果,近場(chǎng)的振動(dòng)波型主要以彎曲波形式傳播,遠(yuǎn)場(chǎng)主要以表面波形式傳播。振動(dòng)的傳播途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)附近地面建筑物的振動(dòng)。在振動(dòng)的傳播特性上,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)振動(dòng)傳播過程中,振動(dòng)隨著距軌道水平距離的增加而衰減。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。因此,對(duì)地面及建筑物的影響主要是鉛垂方向振動(dòng);
(3)振動(dòng)的頻譜隨距離而改變,地鐵振動(dòng)最大值對(duì)應(yīng)的頻率在10～30Hz范圍內(nèi);
(4)地鐵列車對(duì)臨近建筑物的振動(dòng)影響范圍不超過100m,此范圍外的建筑物振動(dòng)可忽略不計(jì)。具體影響范圍會(huì)因隧道結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件不同而不同;
(5)影響振動(dòng)傳播的主要因素有列車運(yùn)行速度、隧道埋深、地質(zhì)條件等。地鐵運(yùn)行速度越高,建筑物的振動(dòng)響應(yīng)越大;隧道埋深越大,影響范圍越小;地質(zhì)條件不同,對(duì)振動(dòng)能量的耗散大小不同;
(6)列車振動(dòng)引起的沿線地面建筑物的振動(dòng),在建筑物方面,其振級(jí)的大小與建筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型以及與地鐵線的距離有密切關(guān)系。
4、地鐵振動(dòng)控制措施
地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)問題可以在地鐵工程最初的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段通過一些措施得到一定程度的控制。
4.1規(guī)劃階段的控制措施
在最初的規(guī)劃階段,文獻(xiàn)[5]認(rèn)為,要把線路選擇和城市規(guī)劃結(jié)合起來考慮。
(1)線路走向盡量與城市快速路、主干道或次干道重合。
(2)合理控制地鐵線路兩側(cè)擬建建筑物的建設(shè)距離。
(3)在軌道交通規(guī)劃布局中,應(yīng)充分利用振動(dòng)波的天然屏障,如河流、高大建筑物等,來阻隔振動(dòng)的影響。
4.2設(shè)計(jì)施工階段的控制措施
在設(shè)計(jì)施工階段,采取合理的隔振、減振措施,能有效減少地鐵振動(dòng)帶來的問題。隔振是用一些彈性元件或其他措施隔斷部分振波的傳播;減振是在產(chǎn)生振源的設(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)備或元件本身的阻尼來達(dá)到減振的目的。根據(jù)地鐵振動(dòng)的產(chǎn)生、傳播和相關(guān)因素的分析,可以從振源減振控制、振動(dòng)傳播途徑控制、受保護(hù)建筑物控制三方面來考慮地鐵振動(dòng)的控制。
4.2.1振源減振控制
從振動(dòng)源頭減小振動(dòng)是最直接的控制方法,根據(jù)地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素的分析,可以采取以下具體措施[3～6,9]。
(1)車輛輕型化。
(2)車輪平滑化。通過采用彈性車輪、阻尼車輪和車輪踏面打磨等車輪平滑措施,可有效降低車輛振動(dòng)強(qiáng)度。
(3)采用重型鋼軌和無縫線路。
(4)采用盤式制動(dòng)。
(5)采用直線電機(jī)。直線電機(jī)具有造價(jià)低、振動(dòng)小、噪聲低、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),是21世紀(jì)城市軌道交通發(fā)展的方向。
(6)適當(dāng)控制地鐵列車運(yùn)行速度。
(7)采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂蜍壍罍p振器。目前國(guó)內(nèi)地鐵通常采用的扣件型式主要有DTI型～DTⅦ型、WJ2型和單趾彈簧扣件等,這些扣件主要用于一般減振要求的路段,大部分扣件可降低振動(dòng)2～9dB;在減振要求較高的地段常采用軌道減振器。目前,軌道減振器常用的有科龍蛋減振器、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)選擇合理的軌道結(jié)構(gòu)類型,降低振源的激振強(qiáng)度。目前,除傳統(tǒng)的有碴軌道結(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)。根據(jù)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。香港的西部鐵路在不同路段分別采用了浮置板軌道結(jié)構(gòu)和彈性短軌枕軌道結(jié)構(gòu),取得了很好的減振效果,使香港西鐵成為世界最安靜的軌道交通線路之一。國(guó)內(nèi)的廣州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線也都合理采用了這兩種軌道結(jié)構(gòu),達(dá)到了預(yù)期的效果。但是,這兩種軌道結(jié)構(gòu)的造價(jià)相對(duì)較高。
4.2.2 振動(dòng)傳播途徑控制
通過對(duì)振動(dòng)傳播途徑及其影響因素的分析,采取一些隔振或其他措施,可使得振動(dòng)的影響降低[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)。橡膠隔振墊構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工方便,不足之處是隔振效果較小,比一般道床結(jié)構(gòu)可增加傳遞損失4dB左右;浮置板隔振系統(tǒng)是一種質(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,根據(jù)實(shí)際情況選取合適的隧道結(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)有十分明顯的影響,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)的影響前面已有論述,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。屏障隔振是一種常見的工程方法,用來阻礙或改變外圍振動(dòng)波向屏蔽區(qū)的傳播,從而減小屏蔽區(qū)的地面、結(jié)構(gòu)振動(dòng)。采用隔振溝、消振壁、緩沖帶和圍欄樁,均可以降低地鐵振動(dòng)向地基的傳遞。其中隔振溝是較好的方式,只要溝的深度足夠,它可以切斷振動(dòng)波的傳播,取得理想的隔振效果。
4.2.3 受保護(hù)建筑物控制
由列車振動(dòng)引起的沿線地面建筑物的振動(dòng),其振級(jí)的大小與建筑物基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形式以及與地鐵線的距離有關(guān)。目前,關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)方面的控制措施研究較少,主要有以下幾個(gè)結(jié)論或建議[2,3,8]。
(1)地基彈性很大程度上影響著建筑物對(duì)振動(dòng)的感應(yīng)程度,地基的剛性越強(qiáng),建筑物內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)越低。因此,地鐵振動(dòng)影響范圍內(nèi)的建筑物要做好基礎(chǔ)的加固。
(2)建筑物振動(dòng)與建筑結(jié)構(gòu)有關(guān),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)減少,每層減少1～4dB,輕體結(jié)構(gòu)振動(dòng)不隨樓高的增加而減少。
(3)通過調(diào)整房屋結(jié)構(gòu)體系的剛度,改變結(jié)構(gòu)自振頻率,避免主振源與房屋結(jié)構(gòu)之間由于低頻耦合作用產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。
(4)可以采用在建筑結(jié)構(gòu)上安裝控制裝置的辦法,達(dá)到減小地鐵振動(dòng)引起的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。
5、有待研究的問題
雖然關(guān)于地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)這一課題國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了不少的研究工作,但仍然有不少需要解決的問題。如:
(1)在地鐵振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理上,地鐵振動(dòng)源的主要影響因素對(duì)振動(dòng)源的影響,都是通過實(shí)測(cè)得出的結(jié)論,各參量之間的關(guān)系如何,目前尚無成熟的精確表達(dá)式。
(2)目前由于時(shí)間及空間的限制,在研究地鐵列車振動(dòng)的影響問題時(shí),一般都將這個(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)論的準(zhǔn)確性。
(3)在振動(dòng)的控制措施上,目前頻率高于20Hz的振動(dòng)控制措施已趨于成熟,但低頻振動(dòng)仍然是一個(gè)尚未解決的問題。近年來多倫多、舊金山、費(fèi)城等城市的城市軌道交通的研究表明,車輛轉(zhuǎn)向架的設(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,值得進(jìn)一步研究。
(4)地鐵振動(dòng)對(duì)地面建筑物的影響及其建筑物響應(yīng)的控制問題的研究將會(huì)有重要的工程意義和社會(huì)意義。
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