地铁振动环境及对建筑影响的研究概况_董霜

文章编号:1006-1355(2004)02-0001-04

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地铁振动环境及对建筑影响的研究概况

董 霜, 朱元清

(上海市地震局 上海200062)

摘 要:介绍了国内外地铁振动环境及对建筑影响研究概况,系统阐述了地铁振动的产生、传播和相关因素等理论,并进一步探讨了地铁振动的控制措施。

关键词:振动与波;地铁振动;建筑;隔振;振动控制中图分类号:TB53 文献标识码:A

AGeneralStudyonVibrationCausedbySubwayandItsimpactforBuildings

DONGShuang,ZHUYuan-qing

(SeismologicalBureauofShanghai,Shanghai200062,China)

Abstract:Thispaperintroducesthegeneralstudyonvibrationcausedbysubwayathomeandboard,andgiveasystemicexpatiationabouttheproducing,transmittingandcorrelationfactorsofv-i

brationofsubwaytheoretically.Moreover,weputforwardsomeexploratoryproposalsforcontrollingtheimpact.

Keywords:vibrationandwave;vibrationofsubway;building;isolatingvibration;controlofvibra-tion

引 言

随着现代工业的迅速发展和城市规模的不断扩

大,城市地铁轨道交通日益成为解决城市交通的重要手段。在城市地铁修建趋势方兴未艾的同时,地铁运行所引发的振动与噪声问题也逐渐显现出来。巴黎七号线、十三号线在巴士底狱的新歌剧院下方通过,歌剧院方面认为地铁车辆的噪声和振动对歌剧院的演出有影响。为此,巴黎地铁公司对此进行了研究试验,并会同歌剧院、巴黎声学研究所共同进行了现场测试。实验证明在枕木底部加了一层橡胶垫后情况得到了改善。除此之外还有很多地铁振动噪声扰民的例子。实际上自地铁开始运营以来,地铁对环境的振动影响就已经引起了人们的关注。主要系统阐述地铁振动环境对建筑影响的研究概况,并对地铁振动的理论和控制措施进行了探讨。

过6000公里。

地铁交通以其不占用地面空间、运量大、速度快、准时、方便、舒适等优点而受到人们的青睐,但与此同时,地铁列车运行引起的振动也越来越被人们所关注,在国际上,振动已被列为七大环境公害之一。同时,人们也开始展开了对振动的污染规律、产生的原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等等的研究。

在英国,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(UIC)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。

美国纽约拥有世界上运行线路最长的地铁。但纽约地铁车站噪声曾高达100~115dB,接近人耳的痛阈。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建议。

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1 国内外地铁振动环境及研究概况

1863年1月10日英国伦敦建成世界上第一条地下铁路并开始通车,标志着城市地下轨道交通方式的诞生。一百多年以后,地铁已经成为一种普遍

的城市现代化交通工具遍及全球。目前全世界有100多座城市开通了300多条地铁线路,总长度超

收稿日期:2003-11-17

作者简介:董霜(1978-)女,河南沈丘人,在读硕士生,主要从事地震观测技术。2003年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期

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,法国、日本、西班牙、捷克等国家在这些方面也做了大量的测试、调查和研究工作,都取得了一定的成果。

目前,我国地铁运输系统迅猛发展,北京、上海、天津和广州等城市均有地铁运营,其运行长度达105km。近年来,又有10余个城市立项修建地铁或轻轨。预计到2010年,我国城市轨道交通长度将达到350~450km。由于这些地铁线路均贯穿城市的中心地段,那里建筑群相对比较密集,地铁振动对环境和周边建筑物内居民生活和工作都产生了一定的影响。北京地铁西单车站附近的居民,就曾经就地铁造成的振动和结构噪声问题进行过投诉。目前北方交通大学刘维宁、夏禾等,石家庄铁道学院张玉娥等,北京市环境监测中心王毅等以及铁道部劳动卫

-5]

生研究所[1,在地铁振动的产生机理,传播规律以及控制方法方面取得了一定成果。

车-轨道系统撞击振动通过轨道、道床、隧道和土层、钢筋混凝土传播到建筑物而引起的结构振动称为固体声;通过空气传播的噪声,称为空气声。在传播过程中,振动能量的一部分由于弹性波的扩散而使得振动强度减弱;另一部分则被振动介质的阻尼作用削弱了。对于结构介质而言,金属(钢、铜、铝)的阻尼最小,钢筋混凝土次之,橡胶阻尼最大。2.3 地铁振动的相关因素

地铁列车运行中振动大小及振动环境对周边建筑的影响程度与车辆特性、轨道、隧道、道床、地质条件以及建筑物与地铁间距离等因素有关。具体因素参数见表1。

表1 影响地铁振动的因素参数

1车辆

2轨道

3道床 4隧道

5地质条件

6建筑物

列车运行速度、载荷、车厢长度、列车主要悬挂刚度及阻尼、车轮表面状况、轮轨间蠕滑系数、轮轨牵引电机、齿轮传动、列车高速运行产生的气流

轨道线路曲率、坡度、钢轨踏面状况、轨道质量、刚度和阻尼、钢轨紧固件间隙道床类型、道床构筑结构、道床隔振条件隧道埋深、隧道壁厚度、隧道结构尺寸和形状、隧道基础、隧道衬砌土层及岩石成份、密度、弹性模量、剪切系数和损失因子、地型条件与地铁线路间的距离、建筑物类型和结构细节、材料、地板固有频率、房间尺寸大小

2 地铁振动理论分析

2.1 地铁振动产生的机理

地铁运行产生的振动与噪声主要来源于列车的轮轨系统和动力系统。轮轨间的接触刚度是很大,

轮轨长期相互作用都会产生磨损,车轮可能出现失圆或者产生扁疤,钢轨则产生波浪型磨耗。地铁车辆运行中众多车轮与钢轨同时发生作用所产生的作用力,造成车辆与钢轨结构(包括钢轨、构件、道床等)上的振动(实测表明振源处振级可达103dB),其中轮轨之间的横向缝隙以及轮对在轨道方向和水平不平顺的作用力下产生强迫的横向振动。在惯性力和悬挂力的作用下,轮对有保持其运动不改变方向的趋势,从而产生相对于是极轨道中心线的偏移运动。而竖向振动的产生则主要由轨道不平顺等随机性激励、车轮偏心等周期性激励、车轮与钢轨的碰撞等所引起。

2.2 地铁振动的传播

地铁振动产生的是纵波、横波、表面波合成的复杂波动现象。其传播的形态也较为复杂。日本ErichiTaniguehi等的研究表明:位于地下2m深处振动加速度值为地表的20%~50%;4m深处为10%~30%。可见地铁车辆运行产生的振动环境中,表面波占主要地位。在传播过程中,波的能量有所扩散,并被各种介质吸收。根据传播的介质不同,由地铁振动所产生的噪声分为固体声和空气声。列3 地铁振动的控制

地铁轨道交通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。根据地铁振动的产生、传播、和相关因素的分析,可以从以下三个方面来控制地铁产生的振动:振源的控制、振动传播途径的控制和受保护建筑的控制。3.1 振源的控制

根据地铁运行中产生振动的机理,控制地铁振动,从源头主动减振可以采取以下具体措施:

(1)使用特性车轮或者消声车轮;(2)修整车轮踏面,轮轨踏面经常润滑;(3)采用阻尼钢轨和无缝焊接长钢轨,钢轨表面定期打磨,钢轨接缝处加强保养;

(4)钢轨转弯时避免小半径曲线,采用灵活转向架;

(5)车辆轻型化,实验证明,车辆载重的减小可使得受影响建筑振动幅度有所降低;

(6)采用适当的弹性扣件,可以增加整体道床的地铁振动环境及对建筑影响的研究概况

弹性。例如,北京地铁使用的DTI型和DTV型扣件中,DTV型扣件经过室内实验比DTI型扣件可减少振动5~8dB;

(7)采用盘式制动;

(8)采用直线电机,直线电机没有齿轮转动的噪声和振动,除此之外还具有节能、成本低和便于维护的优点。目前全球已有10条地铁线路在使用直线电机运载系统,其中仅日本就有5条之多。近期国内的广州地铁四号线已率先全国计划采用直线电机运载系统;

(9)根据不同地质条件,适当控制地铁列车运行速度。地铁列车运行速度越快,振动传播速度越快。当列车以接近或者超过瑞利波速的速度运行时,将使得地基振动强度比低速运行时高很多。瑞利波是沿界面传播的面波,瑞利波在土壤中的传播速度很高(900Km/h~1800Km/h),而在沙土壤中,瑞利波传播速度较低(126Km/h);(10)其它

3.2 振动传播途径的控制

地铁振动在传播途径中,轨道条件、隧道结构、地基特性等各环节均可以对控制振动的传播产生影响,因此着重讨论一下几个方面。

3.2.1 在钢轨与轨枕之间加隔振材料。随着科技的发展,轨道交通的隔振材料类型和品种越来越多,表2为各种隔振材料的比较。

(1)橡胶隔振垫

橡胶隔振垫常采用硬橡胶制成,此种措施构造

方法橡胶隔振垫D7-88(科隆蛋)

浮

置板

厚橡胶垫或JM橡胶复面玻璃纤维垫阻尼弹簧隔振垫

隔振材料投资/公里

60~70万元70~80万元120~140万元120~140万元360~400万元

50万元

170~190万元170~190万元410~450万元

3

简单,施工方便,已经在国内外得到较为广泛的应用。不足之处是隔振效果较小,比一般道床结构可增加传递损失4dB左右。

(2)/科隆蛋0(D7-88轨道隔振器)

增加隔振垫的厚度减少其刚度固然能够达到更高的传递损失,但是这样会影响轨道的稳定性。为此又研究出了轨道隔振器,目前较为典型的是/koln0蛋形隔振器,简称科隆蛋,国内又命名为D7-88轨道隔振器。此种隔振器隔振效率比橡胶垫高,其传递损失比一般道床可增加10dB,并且轨道的稳定性也比较好。

(3)浮置板隔振系统

浮置板隔振系统是由整块钢筋混凝土板和支撑它的弹性元件组成。弹性元件可选择:厚橡胶垫、叠层橡胶垫,玻璃纤维垫或者阻尼弹簧隔振器等。架设轨道的混凝土结构浮置板距离底部地面约40毫米,是完全/浮0在地基面上的,当列车在上面行驶时,这段浮着的混凝土结构会下降几毫米,列车运行产生的高频振动,透过隔振器减为低频,振动幅度明显减弱,而且在正常范围内,还可将噪声减少25至40分贝。例如,深圳地铁四号线距建筑桩基最近仅1.8米,为减少振动,地铁施工单位在此区间的253米双线距离内,安装660个弹簧隔振器。这是在我国首次采用新型弹簧浮置板进行减振。弹簧隔振器虽然造价较高,但是使用年限长,如果地下出现沉降等不均匀现象,弹簧振隔器也可以对其进行调解,提高隧道安全。

附加投资

合计

隔振效果(传递损失)

4dB左右10dB左右20dB左右20dB左右30dB左右

表2 不同隔振材料的比较

3.2.2 增加隧道埋深,增加隧道壁厚。隧道深度对建筑物的振动也有影响,深度越浅,建筑物振动越大,深度越深,建筑物振动越小。隧道厚度和隧道结构型式对隧道振动影响较大。材料相同,隧道否度增加一倍,隧道壁振动降低5~8dB。隧道不同结构型式对振动的影响大小依次为:铸铁或钢质单洞隧道结构>隧道土单洞隧道结构>双洞隧道结构>三洞隧道结构>站台隧道结构。

3.2.3 有对振动环境特别敏感的建筑物的区段,依据实际情况采用减振措施。例如,我国的天津地铁一号线、深圳地铁四号线,在施工时均对线路通过的实地环境进行了充分考虑,在振动敏感区分别采用了/弹性支撑块式轨道0和区间铺设橡胶浮置板减振道床等减振措施。

3.3 受保护建筑的控制

地铁通过时引起建筑物的振动原因有两个,地基振动和空气噪声。其中建筑物基础振动导致地板、墙体、梁柱、门窗等振动而在建筑物内产生可听声,称作二次结构噪声。地铁二次结构噪声频率范围一般在20~200Hz,峰值一般出现在50~80Hz,声级在35~45dB。二次结构噪声与空气声特性不同,对人产生的影响也不同。

可见地基弹性很大程度上影响着建筑物对振动的感应程度,地基的刚性越强,建筑物内振动响应越2003年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期

低。此外建筑物内振动还与建筑物结构有关对于重型框架结构,振动衰减较大。

建筑物的振动响应还取决于通过地基的振动干扰源特性,在主频区,波传播的速度c=fK为影响建筑物响应的主要干扰源。当振动波长比建筑物宽度长或者波长总数与建筑物宽度一至时,此时振动以平移的方式进入建筑物,如果建筑物的宽度为扰动波长的(N-1/2)倍,其中N为整数,此时将产生共振现象。

因此,要减小地面建筑受地铁振动的影响,建筑物本身可采取的隔振措施有:(1)规划地面建筑到隧道的水平距离;(2)地铁沿线建筑物施工时做好基础隔振工作;(3)采用屏障隔振。下面简要介绍一下屏障隔振。

屏障隔振是一种常见的工程方法,用来阻碍或改变外围振动波向屏蔽区的传播,从而减小屏蔽区的地面、结构振动。应用屏障来进行隔振造价低,可作为结构的一部分,并且不易被损坏。

屏障振隔体系可以分为连续屏障和非连续屏障两类。连续屏障是指连续的整体,常见的有:(1)开口空沟,开口空沟仅适用于相对波长较短的情况。

(2)用泥浆、锯屑、砂子等填充的沟。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。

(3)混凝土刚性隔振墙。隔振墙效能与减振沟类似,有试验表明,隔振墙的板质、厚度和深度对减振效果均有影响。

非连续屏障由间断的屏障单体组成,常见的有:(1)圆柱形排桩或排孔隔振体系。Woods等(1974)认为桩径必须等于或者大于被屏障波长的1/6。而高广运等(1996)则认为应该考虑波的散射、衍射和吻合效应,排桩屏障体系的深度和长度决定

隔振范围,加深和加长屏障,可以减少从底面和侧面绕过的波,当屏障尺寸与波长相当时,屏障即没有隔振作用。

(2)在地层下打入柱桩,形成柱列或柱阵,减振效果显著。采用这种措施防止地铁振动对沿线建筑的干扰,在国外已有成功案例。

(3)密布封口钢管桩隔振体系。该隔振体系与隔振墙效果相当。

4 结论与建议

随着人们对生活质量要求的提高,地铁振动环境所引发的各种危害将越来越凸现出来。因此,在各城市大兴修建地铁的同时,应该做好长远规划,在施工的同时,积极主动的采取各种避振、隔振措施。另一方面,地铁振动环境辐射范围内的建筑应做好加固基础,采用弹性元件进行隔振等应对措施。

城市交通需要地铁,要创造一个科学、合理和健康的人居环境,需要交通部门、环境保护、建筑规划、建筑设计、建筑施工、产品制造等各方面、各部门的共同努力,有关管理部门的监督和广大居民以及全社会的关注,才能展现人居环境的噪声与振动控制新局面。参考文献:

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2004年全国振动工程及应用学术会议

(转子动力学、故障诊断、模态分析与试验、振动与噪声控制联合会议)

2004年全国振动工程及应用学术会议将于2004年8月11日至17日在四川成都召开。本次学术大会由中国振动工程

学会转子动力学专业委员会、故障诊断专业委员会、模态分析与试验专业委员会和振动与噪声控制专业委员会联合主办,西南交通大学承办。

本次学术大会将交流有关转子动力学、机械设备故障诊断、模态分析以及振动与噪声控制等领域的研究成果及最新进展情况。会议论文经过审核确认后将在5振动工程学报6以增刊的形式发表。欢迎大家踊跃投稿、并积极参加我国振动工程领域的本次双年度学术交流盛会。

有关本次学术会议的投稿要求、重要时间以及联系方式等,请见征文征文通知或访问振动、冲击、噪声国家重点实验室网站http:Mvsn.sjtu.edu.cn。

中国振动工程学会 转子动力学、故障诊断、模态分析与试验、振动与噪声控制专业委员会