軌道交通工程引發(fā)環(huán)境振動的應(yīng)對及改善措施

王欽山

濟南軌道交通集團建設(shè)投資有限公司，山東 濟南 250014

1 軌道交通的振動產(chǎn)生機理

軌道交通運行期間的振動來源主要體現(xiàn)在兩方面：列車的輪軌系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。輪軌的接觸剛度較大，隨運行時間的延長而逐步出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致車輛車輪失圓或是局部產(chǎn)生缺陷。地鐵車輛運行期間，有較多的車輪與鋼軌接觸并產(chǎn)生作用，存在較強的作用力，輪對軌道方向和水平方向有不平順的作用力，其會帶來橫向振動問題。此外，還存在豎向振動作用，具體與車輪偏心等周期性激勵、車輪與鋼軌發(fā)生碰撞等原因有關(guān)。

2 軌道交通運行期間的振動傳播特點

在軌道交通運行中，地鐵振動是集縱波、橫波、表面波于一體的波動現(xiàn)象，其具有明顯的復(fù)雜性，也存在較復(fù)雜的傳播形態(tài)，不同深度下的振動加速度值存在差異，其中地下2m深處為地表處的20%～50%，隨深度的增加而減小，4m時則為10%～30%。在整個地鐵運行期間的振動現(xiàn)象中，表面波起到主導(dǎo)作用。

振動傳播時，波的能量發(fā)生擴散，沿途遇到各類介質(zhì)且會在一定程度上被介質(zhì)吸收。以介質(zhì)類別為依據(jù)，可以將噪聲分為兩類：（1）固體聲，列車-軌道系統(tǒng)樁基振動經(jīng)由軌道、道床、隧道等結(jié)構(gòu)或裝置發(fā)生向建筑物的傳播；（2）空氣聲，指的是以空氣為介質(zhì)實現(xiàn)傳播的噪聲。

在振動傳播路徑中，振動能量生成有兩條路徑：（1）隨彈性波的擴散而減弱振動；（2）在振動介質(zhì)的阻尼作用下而被削弱。各類結(jié)構(gòu)介質(zhì)的阻尼不盡相同，其中橡膠的阻尼最大，其次是鋼筋混凝土，金屬的阻尼最小，如鋼、銅、鋁。

3 軌道交通振動的主要影響因素

軌道交通運行期間所產(chǎn)生的振動受到多項因素的影響，可圍繞車輛、軌道、道床、隧道、地質(zhì)條件、建筑物六個方面展開探討，識別各自的主要影響因素，具體如表1所示。

表1 影響軌道交通振動的主要因素

4 軌道交通振動的控制措施

軌道交通運行過程中產(chǎn)生的振動對周邊環(huán)境的干擾性較強，因此需在設(shè)計階段對振動的產(chǎn)生機制、傳播特性形成準確的認識，以便根據(jù)實際情況制訂有效的振動控制措施和減振措施。在振動的控制工作中，需將振源、振動傳播途徑、受保護建筑三個方面作為立足點，采取相適應(yīng)的控制措施，在最大程度上削弱振動，盡可能實現(xiàn)對周邊建筑物的防護。

4.1 振源的控制

從源頭上采取措施減小振動，以提高控制工作的主動性，可采取的方法如下：（1）注重車輪的選型，以特性車輪或消聲車輪較為合適。（2）適度修正車輪踏面，同時對軌輪踏面做潤滑處理。（3）選用優(yōu)質(zhì)鋼軌，如阻尼鋼軌較為可行，定期予以打磨處理，并檢查鋼軌接縫，對其實際情況做出判斷，采取保養(yǎng)措施。（4）優(yōu)化軌道轉(zhuǎn)彎半徑，不宜設(shè)置為小半徑曲線，可以配套靈活性較強的轉(zhuǎn)向架。（5）在不影響正常通行的前提下減小車輛載重，以削弱對建筑所帶來的振動影響。（6）配備適量的彈性扣件，切實提高道床的彈性。例如，DTV型扣件可作為首選對象，在同條件下，其比DTI型扣件減少振動5～8dB。（7）宜根據(jù)軌道交通的整體設(shè)計狀況合理采用盤式制動的方法。（8）適配直線電機，原因在于該類電機的齒輪轉(zhuǎn)動具有“安靜性”，無明顯的噪聲和振動，同時兼具節(jié)能環(huán)保、維修便捷多重優(yōu)勢。（9）以軌道交通沿線的地質(zhì)條件以及現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物的布設(shè)情況為立足點，合理控制地鐵列車的運行速度。理論上，隨著地鐵列車運行速度的提高，振動傳播的速度加快，因此列車的實際運行速度幾乎與瑞利波速相當或是超過該值時，地基振動強度將明顯超過低速運行狀態(tài)。瑞利波指的是沿界面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ诓煌刭|(zhì)條件下的傳播速度有所差異，土壤中可達到900～1800km/h，沙壤土中相對較低，為126km/h。

4.2 傳播路徑的減振措施

在傳播路徑中將振動波進行阻斷隔離是減振常用的手段，通常會采用阻波塊、隔振溝、隔振墻來阻斷振動波。阻波塊，是形成塊狀物體來阻斷振動波的傳送，通常要在土中置放效果優(yōu)良的隔振材料制作成障礙物體，利用自身的效果來吸收阻礙振動波的傳輸。因此，放置的隔振材料的選擇尤為重要，在選擇上要考慮到質(zhì)量、厚度、彈性等要素。此外，放置的深度也不可忽略，要考慮到波障的結(jié)構(gòu)等影響效果的物體。通常情況下，阻波塊阻波屏障的減振效果是5～15dB。

隔振溝即阻擋減少振動波傳輸?shù)目諟希缴畹臏蠝p振阻擋的效果越明顯，但是這個深度還是有一定的點，否則過猶不及，反而減振阻波效果不顯著。還要注意的是，隔振效果不會受到溝的寬度的影響，而填充材料存在影響，因此需合理選用填充材料，一定要選擇剛度優(yōu)良的填充材料，這樣才會使阻波隔振效果顯著。隔振溝的位置和隔振阻波也有一定的關(guān)系，但是影響甚小，經(jīng)過測量，最好選擇在離振源3m左右的位置。但是，并不是所有的地方及建筑周圍都適合建造隔振溝，隔振溝建設(shè)的對于地勢地理有一定的要求，因而有一定的局限性。

隔振墻就是用來阻擋振動傳播的，是在隔振溝中填充隔音材料建造的，當振動的頻率傳輸?shù)礁粽駢Γ瑫鸶粽駵现写稚芭菽炔牧系恼駝樱@些材料之間的分子會相互作用、彼此摩擦，從而產(chǎn)生熱量，即振動墻通過隔音的材料把傳來的振動波轉(zhuǎn)為了熱能，這樣再散發(fā)傳遞出的能量已經(jīng)不再是振動波了，起到了隔離振動的功能。由此可見，隔振墻所需的填充材料一定要質(zhì)量密度極高，這樣隔振墻所起到的隔振效果才會越明顯。

4.3 建筑物的隔振措施

建造建筑物時，一定要選用質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的建筑材料，還要保證建筑物墻體的厚度。如若需要，可以考慮建造隔墻。如果建筑物結(jié)構(gòu)的剛度不夠，通常會把剪力墻放置在合適的位置，或者安置好梁柱再結(jié)合構(gòu)件合適的尺寸使剛度分布滿足要求。建筑物的自振頻率和地面交通引發(fā)的環(huán)境振動頻率與地鐵誘發(fā)環(huán)境振動頻率有著一定的關(guān)系，研究檢測發(fā)現(xiàn)，二者之間差別越小，引發(fā)的共振會越大，那么建筑物對于振動的反應(yīng)也會越大。

以屏障隔振的方法為例展開分析。屏障隔振采用了某種特定的裝置，起到“隔斷”的作用，即阻止或是調(diào)整振動波的傳播，可有效防護屏蔽區(qū)，以防結(jié)構(gòu)受到振動影響。屏障隔振的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在耐久性好、經(jīng)濟高效的層面，具體可以細分為連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障兩類：（1）連續(xù)屏障。①開口空溝。在相對波長較短時，其具有可行性。②以泥漿、砂子等為填充材料的溝。根據(jù)規(guī)律，隨著溝深度的增加，隔振頻率的下限降低，從而阻隔振動波的傳播，達到減振的效果。理論上，只要溝的深度足夠，通過連續(xù)屏障的應(yīng)用就可以取得理想的隔振效果。③混凝土剛性隔振墻。其應(yīng)用效果主要取決于墻體的材質(zhì)、厚度以及深度。（2）非連續(xù)屏障。①圓柱形排樁。長度和深度為關(guān)鍵的控制指標，兩者共同決定隔振的覆蓋范圍，在加大長度和深度的方式下，能夠減少從底面和側(cè)面繞過的波。②根據(jù)地層特性打入合適尺寸的柱樁，各結(jié)構(gòu)共同作用，形成完整的柱列或柱陣，可以取得較好的減振效果，常被應(yīng)用于地鐵振動的控制工作中，可以減小振動對沿線建筑物的干擾。

5 結(jié)束語

隨著我國交通行業(yè)的崛起，軌道交通引發(fā)的環(huán)境振動也成了需要面對的問題。對此，文章只是粗略分析，借此希望相關(guān)工作者可以提出有效的控制措施和解決方法，避免過多地擾民從而影響生產(chǎn)生活，最終實現(xiàn)交通行業(yè)的高效、長遠發(fā)展。