讓地鐵更安靜

文/馬蒙（北京交通大學）

二十年前，我剛來北京交通大學讀書，當時北京只有地鐵1號、2號和13號線。坐地鐵多少還帶著點體驗的新鮮感，全然沒想到很快地鐵就完全融入每個市民的出行和生活中，更沒有想到，我有機會深度參與到全國各地地鐵線路的環境振動影響研究中。

作者代表中國參加在荷蘭海牙舉行的歐盟框架計劃科研項目的開題儀式

多層交疊的軌道交通下穿比利時安特衛普歷史建筑“中心火車站”

微小的振動

地鐵環境振動是一個多學科交叉的前沿領域，它涉及到土木工程、機械工程、環境工程、材料科學、聲學等多個一級學科。雖然這是個比較小眾的研究方向，但在建設綠色環保軌道交通的目標下，這門學科的重要性也日益凸現出來。

與地鐵設計建造所關注的安全性不同，環境振動關注的是舒適性問題。隨著人們生活水平的日益提升，每天上百趟列車在地下穿越通行，微小的振動傳到附近的建筑引起的振動噪聲環境污染也逐漸受到關注。自20世紀七八十年代，國外學者意識到這一問題，并提出這種特殊污染可能會對軌道交通線路附近的居民、古建筑以及實驗室內精密儀器產生潛在影響。中國地鐵建造啟動“開掛”模式后，這些理論上存在的三大問題，同時在北京和其他各大城市涌現出來。

地鐵6號線改線

地鐵振動對古建筑影響是一類很特殊的問題。歷史文化名城中古建筑往往也是旅游目的地，將游客便捷地送達旅游景點是地鐵選線設站需要考慮的重要因素。但微小持久的振動對古建筑完整性保護和地層穩定都會造成潛在的威脅。北京地鐵6號線最初規劃在文津街—景山前街一線地下東西向延伸的，但該方案受到文物專家的強烈反對，其中一個重要原因即是列車微振動問題。

當時我剛讀研究生，導師安排我計算未來6號線的列車振動對故宮西北角樓、北海團城等幾處古建筑的影響，計算結果超過了國家標準。我們國家的古建筑振動標準要求速度最大值控制在10-4m/s量級（注：振動可以用加速度、速度和位移來描述，但每一個描述物理量都是隨時間變化的。速度最大值是指在關心的時間段內，速度絕對值最大的值。），比國外同類標準普遍嚴格一個數量級。這是因為國外的標準是控制古建筑不出現安全性的損壞，而中國的標準是要求古建筑的完整性不受振動影響。換言之，即使古建筑本身是安全的，但如果建筑附屬壁畫、彩繪、雕塑等因振動出現微小的裂縫也是不允許的。于是，為了保護北京城內的古建筑，地鐵6號線改線。

中國方案

一次我和中科院周家漢教授探討制定如此嚴格的標準是否科學。周教授是錢學森先生的學生，他給我講述了錢老曾經對振動數量級問題的論述，他認為古建筑微振動比人的有感振動低一個數量級是對文物負責任的態度。但這樣嚴格的標準自然給地鐵建設帶來極大的困難，有沒有可能實現地鐵建設與文物保護的雙贏？

位于古城西安的地鐵建設就必須面對這個問題。明城墻環繞古城一周，鐘鼓樓位于古城中心。這個問題如果不解決西安地鐵就沒法進到城墻內，也將難以緩解古城內交通擁堵問題。振動預測成了首先需要解決的問題。

穿樓而過的重慶軌道交通李子壩站

這可比預測天氣、預測房價走勢更具挑戰性。車輪和鋼軌之間產生的振動會經過軌道、隧道、地層達到古建筑的基礎和結構，這當中每一個環節都帶有極大的不確定性，而預測的精準度必須實現在10-4m/s水平的定量化。當時，盡管國外提出過很多著名的理論預測模型，但振動在典型中國榫卯木結構中的傳遞衰減、多種復雜交通振動疊加影響等方面的研究依舊是空白。

西安地鐵2、6號線下穿鐘樓和城墻的振動問題受到了國家領導人的關注，為此西安地鐵公司組織了包括機械勘察設計研究院、北京交大、上海交大等多家科研單位組成團隊開展攻關。當時我也在導師的指導下直接參與了振動預測方法研究和預測模型建立。

面對嚴苛的古建筑評價標準，為了實現對振動的控制，科研團隊提出了“多道防線”的思路，從振動產生的源頭、傳播途徑和古建筑本體采取措施。在源頭，為西安地鐵下穿鐘樓段特別設計了鋼彈簧浮置板，即利用兩列鋼彈簧將整個道床浮置起來，最大可能降低軌道剛度并抑制振動向外傳播。在傳播途徑上，團隊圍繞鐘樓設計建造了一圈隔離樁，一方面控制盾構隧道施工通過時產生沉降，同時也期望能夠阻隔一部分振動能量。在古建筑本體，對鐘樓木結構進行了維護修繕，盡可能減少由于古建筑自身病害引起的振動傳遞放大問題。

西安地鐵2號線開通試運營后，地鐵公司專門組織了針對鐘樓的振動測試，結果不僅滿足國家標準限值，也與北京交大團隊在此前發表的預測結果吻合。可以說，這是一項里程碑式的研究成果，在許多方面沒有國外相似案例可參考的情況下，從預測方法到預測模型、從控制理念到控制措施都實現了突破。更重要的是，鐘樓乃至西安地鐵2號線下穿其他古建筑等個案的研究，不僅為國內其他歷史文化名城建設軌道交通探索了一條途徑，同時也給國外同類案例提供了參考。此后，意大利、伊朗等國在開展地鐵建設和古建筑微振動保護時都不同程度引用和借鑒了“中國方案”。

十年減振降噪

十多年來，地鐵高速建設推進了地鐵環境振動這一學科領域在中國的迅速成長。我國不僅在工程實踐研究中領先國際，在理論研究方面也實現了跨越式的追趕。

我讀書時，國際期刊上發表的幾乎所有知名模型都是歐洲學者提出的。但這幾年，這一領域，中國人發表在國際頂級期刊上的文章幾乎占到了80%。不過，要徹底解決地鐵振動問題，建設更加綠色環保的軌道交通，我們仍然有許多挑戰需要面對。比如，振動對精密儀器影響的預測和控制問題。這比古建筑還要嚴苛一兩個數量級。國內外在解決這類問題時，大多數都采用了地鐵線路改線繞避和實驗室搬遷等被動應對措施。精密儀器問題涉及到的學科領域更多，不但需要跨學科的科研團隊共同開展攻關，還需要地鐵建設方和實驗室歸屬方之間的相互理解和配合，以積極態度去推進這一學科的發展。

另一個需要沉下心來應對的，是地鐵環境振動對人體的影響。2009年，我還在讀博時，北京交通大學主辦了第四屆環境振動國際會議。會上，我認識了一位荷蘭專家，在參觀完我所在的實驗室后，他邀請我們參與他正主持申報的一項歐盟框架計劃。半年后，我們參加申報的項目被歐盟委員會批復，北京交大也成為在交通運輸領域第一個受到歐盟委員會直接資助的中國高校。在與來自英國、荷蘭等十多家科研單位的學者們共同就列車引起人體睡眠質量評價與控制問題開展系統研究，當研討不同國家開展振動對人體影響的基礎數據時，我發現中國是空白，作為項目參與單位，我們無法對項目提供來自中國數據的支撐。而英國、瑞典、荷蘭、波蘭等團隊在整整三年里開展了持續不斷的測試、問卷分析、志愿者室內試驗工作，這種為了基礎標準制定而開展的大量重復性的研究工作，是我們要學習的。

2022年6月1日，新的《中華人民共和國噪聲污染防治法》正式實施，新的噪聲法明確將軌道交通環境振動問題提升到法律層面，這為構建更加安靜、綠色的軌道交通提出了更高的要求，也是這一“小眾”學科領域的學者和研發人員共同努力的愿景。