城市軌道交通環境振動影響與減振措施選用

姜佑明

(中鐵二十五局集團有限公司工程管理部，廣東 廣州 511400)

0 引 言

城市軌道交通作為一種高效的交通組織形式，在滿足城市居民出行需求，降低對路面交通干擾方面具有重要的作用。但是由于城市軌道交通車輛與軌道間的相互作用，在列車運行的同時會產生一定程度的振動，這種振動會進一步導致軌道周邊環境以及地上建筑物內部產生二次結構噪聲，由于一旦某條線路建成，則這種對建筑自身的安全以及其中的人員的影響將是長期的。

在城市軌道交通振動研究方面，可以根據振動傳遞的路徑將研究對象分為三個方面，分別是振源、傳遞路徑和影響對象。在作為源頭的輪軌系統而言，已有大量的關于車輛動力學模型[1]、軌道動力學模型[2～3]、激勵模型[4]以及輪軌接觸力學[5]方面的研究。在傳遞路徑，因為軌道通常以隧道內地下線、地面面上線、橋梁高架線三種方式存在，這也決定了軌道外的振動傳遞路徑和環境。對于高架線，輪軌系統的振動通過扣件傳遞到道床，再通過墩柱傳遞到基礎上，最后通過土體向周圍的環境進行傳播。而非高架線，則道床中的振動將直接通過土體傳播到周圍的環境中。針對這些振動傳遞路徑，部分學者研究了多種措施[6]對這些路徑進行阻隔，減少其向外界環境傳遞的能量。針對某些需要特殊進行減振保護的對象，學者們根據對象的特點，結合其周圍城市軌道交通振動環境的實際情況進行了大量工作，對于對象的保護起到了良好的效果。

在2022年6月，《中華人民共和國噪聲污染防治法》頒布實施，其中第六章對交通運輸噪聲污染防治進行了規定。這也表明，城市軌道交通的運行對于周邊環境的影響必須作為噪聲污染防治的對象予以考慮。

1 環境振動影響

隨著城市建設規模的增大，部分城市的城市軌道交通線網的建設密度越來越密集，這也導致受到影響的區域涉及住宅區、商業區和工業區，且線路與各種建筑、設施的距離也越來越近。這種接近的背后也意味著越來越多的人員將在線路周圍生活、工作。由于城市軌道交通運營的長久性，其造成的振動對于人的影響也是一個不可忽略的問題。見圖1。

圖1 軌道交通對環境振動的影響[1]

2 振動對鄰近建筑的影響

由于城市軌道交通是作為城市公共交通的一種重要解決方案，在線路的規劃上一般分布于人口密集或客流集中的區域。軌道交通由于其自身特點，通常是沿著主干道進行建設，特別是地鐵。這種建設方式可以避免隧道等地下構筑物與周圍建筑物樁基等的相互干擾，減小工程施工對周圍建筑物的影響，也可減少自身施工的復雜程度。

由于城市軌道交通這種沿路而建的特點，在線路的周圍存在大量的建筑物。而這些建筑物的樁基與線路之間的直線距離一般較近，僅約數10 m。在車輛運行的過程中，輪軌系統產生的振動，由鋼軌通過扣件、道床等向周圍的土體環境中進行傳播，最后通過建筑的樁基傳遞到建筑物中[7]。

雖然城市軌道交通所產生的能量相較于地震造成的瞬時影響要小很多，但是其長期、反復發生，對于隧道及建筑物的結構而言，這種作用易造成疲勞損壞[8～10]。這種作用嚴重時會導致局部失穩、沉降和開裂等問題。

建筑物受到的振動影響不僅與城市軌道交通中的列車輪軌系統的振動強度有關，也因其自身結構特點而異，比如，構造形式、樁基類型、建筑高度和與線路的距離等。

一般而言，列車運行速度越快，通常其周圍建筑內的振動也就越大[11]。對于中低層的建筑則是樓層越高振動越大；而對于高大鋼筋混凝土建筑，由于其固有頻率遠低于激振頻率，其自身難以發生較大振動，減振量可達10～20 dB。而對于普通的磚混結構的建筑而言，減振量會有所減小。對于一些基礎較差的建筑，其自身的振動量可能與土壤中的振動量相當，即無減振效果。

建筑物與隧道之間的距離決定了振動所要傳播的遠近，一般距離越遠則受到的振動影響越小。

3 對人體產生的影響

振動如同常見的噪聲污染和水污染一樣，是評估環境質量的一項重要指標。相繼也頒布了《中華人民共和國噪聲污染防治法》、《城市區域環境振動標準》和《環境噪聲與振動控制工程技術導則》等法律法規。

振動對于人體產生的影響可反映在泌尿系、消化、神經和運動等系統[12]。而且每個人因為個體的差異，對于振動的承受能力也不盡相同[13～14]。

振動作為一種機械作用，其對人體的影響由振動頻率、振動強度和人體暴露的時間三個因素決定。而在上述三種因素中，頻率起著主要作用。人僅能夠感知到1～1 000 Hz的振動，但是由于人體各個組織的共振頻率的原因，人對1～80 Hz的振動尤為敏感[15]。而當振動頻率不變時，振動強度越大，對人體的影響越大。除振動頻率和振動強度外，人體暴露在振動環境中的時間對人體也有明顯的影響。所以對于經常工作于振動環境下的人群，為保護其身心健康，對于不同振動強度環境下的工作時間有相應的規定。

4 對儀器設備的影響

不同的儀器設備都有著自身的使用環境要求。對于一些精密儀器而言，振動是影響其精度的一種重要影響因素。

隨著我國城市軌道交通的快速發展和大量精密設備儀器的廣泛使用，城市軌道交通線路穿過設備儀器場所在的區域是十分常見的。

由于各類儀器設備對與所處環境的振動狀況均具有一個限值，若因列車運行引起的振動超過這一上限，必然會導致其所測量的數據不準確、不穩定，影響到儀器的正常使用。如這種振動過于強烈，甚至可對儀器結構產生損壞，使其可用壽命大幅縮短[16～19]。

4.1 振動控制措施

在《地鐵設計規范》[20](征求意見稿)中，曾建議按照Z振級減振量的大小將減振要求劃分為：初級(≤5 dB)、中級(5～10 dB)、高級(10～15 dB)和特殊減振(≥15 dB)四種等級。雖然在后續的正式發布的《地鐵設計規范》中未再明確提出減振量的范圍，但在地鐵設計實踐中，基本上仍以上述減振量范圍作為減振軌道選擇的依據。

為減輕列車運行所產生的振動對環境的干擾，不同的減振路段需要根據其減振要求，結合其線路周圍環境的特點，采取不同的措施進行綜合考量。而線路振動的控制措施，從結構上，按照從上到下的順序可以分為振動源治理、扣件系統減振和道床系統減振三種措施。

4.2 振動源治理

在振動源治理方面，很多的研究關注在輪軌之間的相互作用方面，比如波磨等。基于這些研究成果，對于線路的設計也提出了一些好的建議，比如采用無縫線路，保證了輪軌相互作用的平順性，減少了相互沖擊帶來的振動。另外比如在小曲線路段鋼軌工作邊涂抹油脂，定期對鋼軌廓形修整，對車輪型面鏇削等。

4.3 扣件系統減振

扣件作為將鋼軌固定在軌枕上的部件，其自身具有一定的剛度，其對鋼軌的作用屬于一種彈性限制。根據振動力學的知識，通過選擇不同剛度和阻尼的扣件系統，結合線路的行車特點，車輛運行過程中所產生的振動即可得到一定程度的隔離，降低其對外界的影響。根據現有的研究成果可知，利用扣件系統實現減振，一般也只可達到中等減振的要求，即減振量在5～10 dB之間。

4.4 道床系統減振

相比于直接對道床板進行支撐的軌道結構型式，在扣件系統中，實質上是僅對鋼軌及車輛進行了彈性支撐，其彈性支撐上部的總質量較小，自身固有頻率較高，所以根據隔振原理，其隔振量不如道床系統減振措施大。特別是對于高級鋼彈簧浮置板道床系統，其固有頻率在10 Hz左右，減振量在15 dB以上。

鋼彈簧浮置板道床系統是將利用內置的鋼彈簧隔振器將道床、鋼軌一起支撐起來，使之呈懸浮狀態，見圖2。其鋪設與更換技術均已成熟，在國內城市軌道交通中得到了廣泛的應用。

圖2 鋼彈簧浮置板道床系統

針對現有的一些減振措施，按照減振等級進行了分類，如表1所示。根據表1中不同措施所對應的減振量，可為線路設計提供參考。

表1 減振等級與措施

5 結 論

軌道交通的振動問題所涉及的原因多種多樣，在進行源頭控制上難度極大。現有的控制方式以減少車輛-線路-軌道的相互作用產生的振動源的控制與阻隔線路上所產生的振動向外界環境進行傳播的路徑為主。

通過長期的研究與實踐，在城市軌道交通振動控制領域，特別是軌道系統的振動控制方面，已經有大量的措施可以應用。在進行線路設計時可根據不同地段的減振需要，同時考慮經濟性進行選用。