地下鐵道的振動及其控制措施的研究1

關歆瑩 劉 超

1）北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

2）北京工業大學，北京 100022

3）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

地下鐵道的振動及其控制措施的研究1

關歆瑩1，2）劉 超3）

1）北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

2）北京工業大學，北京 100022

3）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

150年來地下鐵道得到了廣泛的發展，近20年來我國的地下鐵道更是得到了迅猛的發展。在地下鐵道給城市居民的工作和生活帶來方便的同時，其引發的振動與噪音也給城市建設和居民生活帶來了危害。本文從振動產生、振動傳播和振動作用三個階段論述了地鐵振源及其傳播的規律；傳播特性與振源頻率、振源與軌道距離、振動頻率，以及列車運行速度、隧道埋深、地質條件、建筑物結構等有關；振動傳播影響因素包括：土壤類型、鋼軌類型、軌道類型、建筑物質量類型、建筑物材料等；地鐵振動的危害是多方面的，噪聲干擾人們的日常生活，振動對建筑物的安全性、使用壽命造成影響，同時還影響精密儀表測量等。本文提出了在規劃設計階段、施工階段的振動控制措施，以期減小其危害。

地下鐵道 振動 傳播規律 控制措施

引言

自1863年倫敦采用明挖法施工的第一條地鐵通車開始，城市交通就進入了軌道交通的新時代。地下鐵道的建設與發展經歷了以下幾個階段，第一階段：1863—1899年，世界上有7個城市修建了地下鐵道；第二階段：1900—1949年，世界上又有13個城市修建了地下鐵道；第三階段：隨著各國城市大運量公共客運需求的快速增長，地下鐵道發展非常迅速。到1999年為止，世界上已有44個國家、120余座城市開通了地下鐵道。線路總數為340余條，總長為7000多公里，車站總數為5400余座。據不完全統計，現在城市快速軌道交通線網總長達到100km以上的城市己經達到15個，最長的巴黎線網，整體規模已經超過550km。

我國城市軌道交通的建設是從北京開始的，北京地鐵一號線第一期工程于1969年10月基本建成。90年代后，地鐵建設進入了一個高速發展的時期，先后有北京、上海、廣州、大連、長春、天津、武漢等城市建成了城市軌道交通。截至2005年，全國城市軌道交通運營里程達到435km。2005年3月上海市城市軌道交通己經建成通車共5條線路，共計112km。在2010年世博會開幕之前，上海市規劃建成45分鐘軌道交通圈。迄今為止，我國已有10個城市開通了31條城市軌道交通線路，運營里程達835.5 km。到2016年，我國將新建89條城市軌道交通線路，總建設里程2500 km（劉遷，2002）。

地下軌道交通是一種大運量、安全、快捷、準時、方便、舒適的理想交通工具，由于地下軌道交通無空氣污染，有利于保護人們的生存環境，改善空氣質量，在解決城市交通問題中有著特殊的地位和作用。盡管地鐵對城市發展有巨大貢獻，給城市居民的生活帶來很大方便，但地鐵運行所引發的振動與噪聲問題，一直受到人們的關注。地鐵列車運行時產生的振動將通過軌道傳遞給隧道支護結構，并通過支護結構以外的巖土介質傳播到地面，引起地面的振動，從而進一步誘發建筑的二次振動，對建筑物的結構安全以及居民的工作和日常生活都會產生影響（余楓等，2005）。由于城市地下軌道交通均貫穿市中心，對沿線周圍的建筑居住環境產生的影響不容忽視。城市地下軌道交通振動的現狀和研究工作在世界各國都受到了重視。除此之外，振動還會影響精密設備和儀器的正常使用，甚至會對建筑物造成損害。隨著現代工業的迅速發展和城市規模的日益擴大，振動對大都市生活環境和工作環境的影響引起了人們的關注，研究振動的污染規律、產生原因、傳播途徑、控制方法以及對人體的危害等已成為需要解決的課題。

1 地下鐵道振動的傳播規律及其危害

1.1 振源及其傳播規律

地鐵列車在運行時由于輪軌相互作用產生振動，進而通過軌道基礎和隧道襯砌傳播至土體，從而對沿線地面建筑產生影響。這個過程可以分為以下3個階段：①振動產生階段，即列車車輪對軌道的沖擊產生激勵，主要由 5種原因構成：列車運行時，對軌道的重力加載產生的沖擊，造成車輪與軌道結構的振動；眾多車輪與鋼軌同時發生作用產生的作用力，造成車輛與軌道結構的振動；車輪經過鋼軌接縫處時，輪軌相互作用產生的車輪與鋼軌結構的振動；軌道的不平順和車輪的粗糙損傷等隨機性激勵產生的振動；車輪的偏心等周期性激勵導致的振動。②振動傳播階段，即振動通過軌道基礎和襯砌結構向周圍土介質和地面建筑傳播。③振動作用階段，即振動作用在沿線的地面建筑上，進而誘發建筑結構及其室內物品的二次振動和噪聲，從而對建筑結構本身和建筑物內的人群、精密生產和敏感儀器產生影響。

目前的研究方法以數值計算和實驗測試為主。數值計算的模型通過2個二維動力模型得到（劉維寧等，1996）。劉維寧等（1996）首先建立了列車-軌道耦合系統動力分析模型，并由數值模擬分析得到了圖1所示的作用于道床底部的列車荷載激勵曲線，然后再將列車動荷載加在垂直于線路平面的二維路基-土層-建筑物動力模型上，采用動力有限元法得到了隧道結構及周圍物體的振動響應。在實驗方面，潘昌實等（1990）對北京地鐵進行了現場測試，獲得了襯砌若干控制點以及附近一座地面風亭2個控制點的動態反應，并對其進行了頻譜分析。根據軌道加速度測試和車輛體系的振動分析，得到了列車荷載的模擬數學表達式，進而采用有限元法分析了隧道和周圍土體體系的動力性態，分析結果表明，對于若干測點的實測和計算加速度值符合良好。

上海地鐵測試結果表明（圖2），在0—30m范圍內，豎直方向的振級為66.0—84.2dB。在距離地鐵隧道10m范圍內，振級達到了75dB以上，超過了我國《城市區域環境振動標準（GB10070-1988）》（中華人民共和國國家標準，1988）：城市中一般商業與居民混合區的豎直方向振級標準限值為晝間75dB、夜間72dB。在30m距離內，水平方向（L、T向）的振級為69.2—86.5dB，變化基本保持一致；其衰減規律與加速度幅值衰減規律類似，在17.5 m處存在1個回升區。由圖3可知：隨著頻率的增加，相應的振級總體呈上升趨勢。在低于10Hz的頻率段，各點的振級基本重合，即各點的振動所包含小于10Hz的低頻成分基本相等，在0—10Hz區段對應的振級為10—45dB，衰減很慢；在大于10—60Hz區段，距離地鐵線路越近的測點，其振級隨頻率增加而升高的趨勢越明顯，各點分頻振級均在 60Hz達到峰值，其后隨著頻率的升高略有下降，但隨著與地鐵線路距離的增加，振級衰減較快。A線和B線1號測點處的 60Hz分頻振級均超過了規范值，此處若有住宅建筑，應作隔振處理。各點的振級區別主要集中在高頻段，尤其是 40—80Hz區段，說明地鐵振動以相對高頻成分為主，這與加速度幅值譜體現的信息相符合，對于地鐵隔振減振來說，應著重降低振動的高頻成分（樓夢麟等，2009）。

圖1 列車荷載時程曲線Fig. 1 Train load time-history curve

圖2 A線各測點振級變化曲線Fig. 2 Curves of vibration magnitudes at measuring points along line A

根據綜合測試數據和數值計算結果，振動影響呈現以下規律：①列車通過時，在軌道底部產生的加速度，經過道床后有很大的衰減；②高頻分量隨距離的增加衰減較快，低頻分量衰減較慢，地面建筑物受低頻的影響相當大；③地表豎向振動的位移、速度和加速度沿水平距離衰減的趨勢如圖4所示，在振源的正上方振幅為最大值稱為第一峰值，達一定距離rR后，出現一個極小值A，而后又出現1個放大區，出現第二個峰值B，最后沿水平距離的增加呈逐漸衰減的規律；④在相同的地質條件下，地面最大加速度、速度隨覆蓋厚度增加而線性減小，隨著到中線的距離增加而減小的規律近似為指數函數。

1.2 地鐵振動傳播特性

地鐵振動產生的是縱波、橫波、表面波合成的復雜波動現象，其傳播形態也較為復雜。根據已有的研究成果，近場的振動波型主要以彎曲波形式傳播，遠場主要以表面波形式傳播。振動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，從而引發附近地面建筑物的振動。振動的傳播特性主要表現為（辜小安等，2003；張艷平等，2000；張楠等，2001）：①地鐵列車運行時，在振動振源的頻率分布上，以低頻為主，其中 50—60Hz的振動強度較大；②在振動傳播過程中，振動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，水平向振動比鉛垂向振動衰減得快，因此，對地面及建筑物的影響主要是鉛垂方向的振動；③振動的頻譜隨距離而改變，地鐵振動最大值對應的頻率在 10—30Hz范圍內；④地鐵列車對臨近建筑物的振動影響范圍不超過 100m，此范圍外的建筑物振動可忽略不計，影響范圍會因隧道結構和地質條件不同而不同；⑤影響振動傳播的主要因素有列車運行速度、隧道埋深、地質條件等。地鐵運行速度越高，建筑物的振動響應越大；隧道埋深越大，影響范圍越小；地質條件不同，對振動能量的耗散大小不同；⑥列車振動引起的沿線地面建筑物的振動，其振級的大小與建筑物的結構形式、基礎類型以及與地鐵線的距離有密切關系。

1.3 振動傳播途徑及影響因素

列車在地下鐵道中運行時，其振動傳播途徑有 3種（辜小安，2000；田春芝，2000）：①以土質為媒介，通過車輪振動→軌道→隧道結構→周圍土壤→相鄰建筑物→地板、墻壁、天花板振動→二次結構噪聲，使地鐵沿線地面建筑物產生振動和固體聲，危及建筑物及建筑物內的居民；②列車進出站時，給車站環境帶來污染；③直接影響車內駕駛員和乘客。表 1給出了主要的影響因素。

表1 地鐵列車振動傳播影響參數Table 1 Effect parameters of metro train vibration propagation

1.4 危害

地鐵列車引起的振動一般都低于結構的破壞振級，不會造成像地震那樣的直接破壞，但它能引起結構的局部顫振，如門窗及室內物件的振動，甚至在附近一些建筑物內引起二次結構噪聲，使人明顯感覺不適，造成失眠、煩躁等癥狀，嚴重干擾人們的日常生活。鐵道部勞動衛生研究所通過對我國幾個典型城市的鐵路環境振動的現場實測，考查了鐵路沿線居民區受列車運行引起的環境振動污染現狀，對鐵路沿線共1916名居民進行的調查顯示，80dB的振動強度己經使50%左右的居民產生高度煩惱（馬筠，1987）。日本環境廳對新干線附近1000戶居民的調查也發現了類似的規律，振級為65dB時居民投訴率為30%；振級為70dB時居民投訴率為40%；振級為75dB時居民投訴率為50%（公害防止技衍法規編輯委員會，1984）。

此外，地鐵列車引起的振動盡管是小幅的，但由于其具有長期的反復性，也會對建筑物的安全性和使用壽命造成影響。常見的破壞現象表現為：基礎和墻壁的龜裂、墻皮剝落、石塊滑動、地基變形和下沉等，重者可使建筑物倒塌。這在古建筑保護問題上尤其值得研究。例如，在捷克曾發生因交通振動導致古教堂倒塌的惡性事件。有預測認為，北京地鐵四號線西直門至頤和園段可能對附近文化和科研機構產生振動和噪聲影響；地鐵8號線（市中心部分）可能對故宮等古建筑產生振動影響。

地鐵列車振動還會對精密儀器產生影響。主要表現為：影響精密儀器儀表的測量精度和測量范圍；對靈敏電器引起誤操作，從而可能造成重大事故；使精密機床的加工精度下降，甚至損害精密機床的刀具和精密部件。如峰值速度為 25μm/s即可影響到一些敏感實驗儀器的測量范圍和精度，而0.01μm的振動就會對電子芯片的制造造成嚴重后果。

2 地下鐵道振動控制措施

地鐵運行產生的振動問題可以在地鐵工程最初的規劃、設計和施工階段通過一些措施得到一定程度的控制。

2.1 規劃階段的控制措施

在最初的規劃階段，要把線路選擇和城市規劃結合起來考慮（彭勝群，2004）：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擬建建筑物的建設距離；③在軌道交通規劃布局中，應充分利用河流、高大建筑物等振動波的天然屏障，來阻隔振動的影響。

2.2 設計施工階段的控制措施

在設計施工階段，采取合理的隔振、減振措施，能有效減少地鐵振動帶來的問題。隔振是用一些彈性元件或其他措施隔斷部分振波的傳播；減振是在產生振源的設備或部件上加裝阻尼結構或阻尼元件，或者增加設備或元件本身的阻尼來達到減振的目的。根據地鐵振動的產生、傳播和相關因素的分析，可以從以下三方面來考慮地鐵振動的控制：

（1）振源減振控制

從振動源頭減小振動是最直接的控制方法，根據地鐵振動產生的機理和影響因素的分析，可以采取以下措施（潘昌實，1990；辜小安，2003；董霜等，2004）：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強度。③采用重型鋼軌和無縫線路。④采用盤式制動。⑤采用具有造價低、振動小、噪聲低、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優點的直流電機，是21世紀城市軌道交通發展的方向。⑥適當控制地鐵列車運行速度。⑦采用適當的彈性扣件或軌道減振器。目前國內地鐵通常采用的扣件型式主要有DTIII型—DTVII型（圖5）、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，可達19dB；其次為改進型科龍蛋，減振7—8dB；科龍蛋減振值為3—5dB。⑧選擇合理的軌道結構類型，降低振源的激振強度。目前，除傳統的有碴軌道結構以外，還有浮置板軌道結構和彈性短軌枕軌道結構（LVT，即索尼威爾低振動軌道）這兩種減振型軌道結構。根據德國實測資料，浮置板式軌道結構減振效果可高達30dB，其缺點是造價較高。香港的西部鐵路在不同路段分別采用了浮置板軌道結構和彈性短軌枕軌道結構，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。國內的廣州地鐵1、2號線也都合理采用了這兩種軌道結構。經實測該種道床相對于普通整體道床的加速度級減振效果約13—15dB，但對于f＜50Hz頻率范圍內的振幅降低不明顯，因此對應于人體感覺敏感的振動頻率（f＝1－80Hz），其計權振動級減振效果較低。該結果與國外的測量結論相符（Kurzwell，1979）。

圖5 不同扣件減振效果（v=60km/h）Fig. 5 Damping effect of different fastener (v=60km/h)

（2）振動傳播途徑控制

通過對振動傳播途徑及其影響因素的分析，采取一些隔振或其他措施，可使得振動的影響降低（張艷平等，2000；田春芝，2000；董霜等，2004）。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。橡膠隔振墊構造簡單，施工方便，隔振效果較小，比一般道床結構可增加傳遞損失4dB左右；浮置板隔振系統是一種質量-彈簧隔振系統，既可用于有道碴軌道，也可用于無道碴軌道，減振效果最好，缺點是造價較高。②增加隧道埋深，增加隧道壁厚，根據實際情況選取合適的隧道結構。隧道埋深越大，振動影響越小，隧道厚度對隧道振動有十分明顯的影響，材料相同，隧道厚度加大一倍，隧道壁振動可降低5—8dB。③對于有道碴軌道，增加道碴厚度，在道碴床和隧道之間鋪設整體橡膠道碴墊。鋪設橡膠道碴墊，可降低隧道壁振動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波向屏蔽區的傳播，從而減小屏蔽區的地面、結構振動。采用隔振溝、消振壁、緩沖帶和圍欄樁，均可以降低地鐵振動向地基的傳遞。其中隔振溝是較好的方式，只要溝的深度足夠，它可以切斷振動波的傳播，取得理想的隔振效果。

3 結論與建議

（1）在地鐵振動產生機理上，地鐵振動源的主要影響因素對振動源的影響，都是通過實測和有限元等數值解法得出的結論，各參量之間的關系如何，目前尚無成熟的精確表達式，缺乏一定的系統性和深入性。

（2）我國地鐵振動源可將隧道視為整體振源，其頻譜特性以f=80-1000Hz的頻率為主，不同隧道結構及地質條件，其隧道壁處的振動值不同。當隧道埋深為 9—16m，列車運行速度為60km/h情況下，我國地鐵隧道壁處的垂向Z振級為75—110dB。

（3）不同地質條件對環境振動傳播特性影響較大。當地鐵列車在區間以時速v=50-70km/h運行時，距離隧道中心線10—50m范圍內，可達到《城市區域環境振動標準（GB10070-1988）》（國家技術監督局，1988）中對居住區域標準限值的要求。

（4）我國地鐵現有的振動控制措施主要采用彈性扣件、軌道減振器、浮置板道床等措施。其中，浮置板道床減振效果最佳，其次為軌道減振器，各種彈性扣件減振效果也可達2—9dB。

（5）在振動的控制措施上，目前頻率高于 20Hz的振動控制措施已趨于成熟，但低頻振動仍然是一個尚未解決的問題。隨著材料的不斷發展，新型的減振降噪措施不斷出現，但它們主要集中在軌道結構減振和建筑物結構隔振方面，在隧道結構等方面的研究還比較少。

（6）列車運行時對隧道附近建筑物和人體所產生的影響，有的取決于振動的振幅值，有的取決于振動加速度，如何較準確的評價列車所引起的振動參數，制定出較準確的振動與噪聲控制標準，是城市環境標準方面亟待解決的問題。

董霜，朱元清，2004. 地鐵振動環境對建筑影響的研究概況. 噪聲與振動控制，24（2）：1—4.

辜小安，2000. 地鐵振動對建筑物內二次結構噪聲影響預測. 鐵道勞動安全衛生與環保，27（1）：34—39.

辜小安，任京芳，劉揚等，2003. 我國地鐵環境振動現狀及控制措施. 鐵道勞動安全衛生與環保，30（5）：206—208.

公害防止技衍法規編輯委員會，1984. 公害防止技術法規振動篇. 執善株式會社.

國家技術監督局，1988. 城市區域環境振動標準（GB 10070-1988）.北京：中國標準出版社.

劉遷，2002. 城市快速軌道交通線網規劃發展和存在問題. 城市規劃，26（11）：72—75.

劉維寧，夏禾，郭文軍，1996. 地鐵列車振動的環境響應. 巖石力學與工程學報，增刊：79—86.

樓夢麟，賈旭鵬，俞潔勤，2009. 地鐵運行引起的地面振動實測及傳播規律分析. 防災減災工程學報，29（3）：282—288.

馬筠，1987. 我國鐵路環境振動現狀及傳播規律. 中國環境科學，7（6）：70—74.

潘昌實，謝正光，1990. 地鐵區間隧道列車振動測試與分析. 土木工程學報，23（2）：21—27.

彭勝群，2004. 地鐵振動污染防治對策. 鐵道勘測與設計，134（2）：71—73.

田春芝，2000. 地鐵振動對周圍建筑物影響的研究概況. 鐵道勞動安全衛生與環保，27（1）：39—43.

余楓，賈影，2005. 地鐵振動及其控制的研究. 都市快軌交通，18（6）：61—64.

張楠，夏禾，2001. 地鐵列車對臨近建筑物振動影響的研究. 工程力學，增刊：199—203.

張艷平，楊宜謙，柯在田等，2000. 城市軌道交通振動和噪聲的控制. 城市軌道交通，（3）：43—45.

Kurzwell L.G.., 1979. Ground-borne noise and vibration from underground rail system. Journal of Sound &Vibration, 66 (3): 363—370.

The Study on the Vibration of Metro and its Control Measures

Guan Xinying1,2)and Liu Chao3)
1) Beijing No.3 Construction Engineering Co., Ltd., Beijing 100044, China
2) Beijing University of Technology, Beijing 100022, China
3) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China

The metro industry has been extensively developed in recent 150 years. It has been more rapid developed especially in our country in the past 20 years. As metro system bring us convenience for transportation of city residents, it also produces negative effects such as vibration and noise it inducing. This paper classifies the vibration source and propagation of the metro into three stages, vibration generation, vibration transmission and vibration effects. The transmission characteristics is related to the local oscillator frequency, vibration source and the orbital distance, vibration frequency, and the train speed, tunnel depth, geological conditions, and the building structure. Variety of vibration transmission factors include soil type, rail type, track type, building quality, type,building materials. The damage from metro vibration is various, for example, noise disturbance to people's daily lives, vibration to building security and life impact, affecting measurement precision to the instruments. The paper proposes vibration control measures to reduce the damage in planning, design, and construction phase respectivelly.

Metro; Vibration; Propagation; Control measures

關歆瑩，劉超，2011. 地下鐵道的振動及其控制措施的研究. 震災防御技術，6（1）：77—84.

“低功耗通用數據采集器實用化研究”基本科研業務

2010-10-09

關歆瑩，女，生于1982年。在讀碩士研究生。主要從事建筑工程災害預防方面的研究。E-mail: guanxinying@163.com