城市轨道交通产生的环境振动问题及控制策略

城市轨道交通产生的环境振动问题及控制策略（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070）摘要：本文系统的介绍了城市轨道交通产生的环境振动所造成的影响，并总结概括了各国研究人员对这一问题所进行的研究工作，以及采取的减振措施，最后对下面要开展的研究工作进行了展望。

关键词：轨道交通；环境振动；减振；隔振；一、城市轨道交通的发展现状随着我国经济建设的不断发展和城市化进程的加快，城镇人口急剧增加，各大中城市的交通变得越来越拥挤，这不但使人们的出行变得越来越困难，而且造成了能源浪费、环境污染、运输效率下降，这在很大程度上制约了我国经济的发展，已成为各大中城市在经济发展和城市建设中所面临的一大难题。

为解决这一难题，我国从七十年代初就开始兴建城市地下铁路系统，以缓解城市交通拥挤的问题，目前，发展轨道交通已成为中国一些大城市解决交通拥堵问题的重要举措。

据国家计委资料显示，“十五”期间，中国城市交通投资将达到8000亿元人民币，其中至少有2000亿元用于地铁建设，有近1000亿元用于轻轨建设，今后我国将积极支持具备条件的大城市加快发展城市轨道交通，地铁、轻轨建设将会在较长时间里成为中国基础建设投资的重点之一。

所谓城市轨道交通，是指城市公共交通系统中的地铁、轻轨等公共客运系统，由于它具有大运量、高效率、低污染等优点，因此成为世界许多国家城市公共交通的重要组成部分。

城市轨道交通建设在我国虽然起步较晚，但近年来得到了迅速发展，目前中国已有20个特大城市和大城市正在建设和筹建自己的轨道交通项目。

其中，北京、天津、上海、广州等城市已开通了17条地铁和轻轨交通线路，运营线路总长度达410多km；预计从现在起，到2010年左右，中国将有15个城市规划建设轨道交通1500km，这些计划建设的城市轨道交通的总投资将达到5000亿元人民币左右，北京、上海、广州三座城市规划以每年40km 的速度建设轨道交通，这样的速度在国际上也是罕见的。

除里程增加外，我国轨道交通也由地铁这一种形式向多元化发展，如大连、武汉等城市建设了轻轨，上海市建设了磁悬浮等。

二、城市轨道交通产生的环境问题城市轨道交通在缓解城市交通拥挤，给人们的出行带来方便的同时，也产生了环境振动、噪声污染等一系列问题。

振动对大城市生活环境和工作环境的影响引起了人们的广泛关注，国际上已把振动列为七大环境公害之一，并开始着手研究振动的产生原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等。

据有关国家统计[1]，除工厂、企业和建筑物施工外，交通系统引起的环境振动问题是公众反映中最强烈的，约占总投诉的14%。

2.1 环境振动产生的影响1、影响沿线居民的正常工作和生活环境振动一般不会对人体造成直接伤害，但它会干扰人们的日常生活，使人感到不适、心烦意乱，甚至影响人们的睡眠、休息和学习。

振动试验表明，振动强度越高，对人们睡眠的影响越大。

当振动加速度为60dB时，人们刚刚可以感觉到振动，它并不影响人们的睡眠，但对较敏感的人或患病者则会产生影响；当振动加速度为65dB时，对睡眠有轻微影响；达到69dB时，所有轻微睡眠的人将会被惊醒；达到74dB时，除酣睡的人，所有人都将被惊醒；达到79dB 时，所有人都将被惊醒。

2、影响周围建筑物尤其是古旧建筑物的结构安全交通车辆引起的结构振动通过周围地层向外传播，进一步引发临近建筑物（包括室内家具）的二次振动，从而对附近建筑物尤其是古旧建筑物的结构安全产生很大影响。

在捷克，繁忙的公路或轨道交通线附近的某些砖石结构的古教堂，因车辆通过时产生的振动而产生了裂缝，甚至发生了由于裂缝不断扩大而导致建筑物倒塌的事故。

在北京据西直们附近距离铁路约150m处的一座五层楼内的居民反映，当列车经过时，可感到室内有较强振动，玻璃和门窗发出嗡嗡的声音，一段时间后，室内家具由于振动而发生了错位。

3、影响精密仪器的生产及正常使用环境振动对激光、电子显微镜、电子天平、外科手术器具等的操作也有很大影响。

它会造成这些仪器读数不准、精度下降、使用寿命缩短等。

例如，广州市环保所所处位置交通状况比较复杂，其一侧30m处有广深高速铁路通过，另一侧约80m处又有城市高架线路，该所内的仪器对环境要求较严格，使用环境要远离振源（如轨道、交通干线、重要机械等），为保护仪器的正常工作，该所曾对周围环境振动产生的影响进行了实测与评价，以确定是否需要采取隔振措施。

另外，振动对电子芯片等半导体器件也会产生很大影响，在电子芯片的制造过程中，0.01微米的误差就可造成灾难性的后果。

2.2 环境振动的研究现状轨道交通产生的环境振动问题与车辆、轨道、桥梁、地基等诸多因素有关，因此对这一问题的研究变得十分复杂。

各国的研究人员对振动的产生原因、传播途径以及传播规律进行了大量的研究工作，纵观目前本领域对该问题所采取的相关研究方法和研究对象，大致可分类如下：第一，用传统的格林函数分析法和波动理论对轨道系统动力响应的研究。

Grassie S.L.[2] 等指出了传统轨道模型的不足，同时提出了两种模型：其一是连续性模型，轨道模拟为Timoshenko梁；其二是把枕木离散化，轨道模拟为Euler梁，对高频车辆引起的轨道响应进行了分析。

Krylov[3]用GREEN函数计算了由于轨道弯曲引起的地面振动，得出了考虑轨道—地基系统中弯曲波传播的影响时地面振动表达式。

Kaynia[4]分析了高速列车引起的地基振动，将地基模拟为成层粘弹性半空间，轨道模拟为粘弹性梁，应用GREEN函数计算了地基—轨道接触点处土层的阻抗矩阵，得到了时间域的响应。

ShengX.[5]等根据作用于轨道上稳定的震荡荷载引起的地面振动的传播，研究了荷载直接作用于土层表面和考虑轨道和地基的耦合两种情况，该方法可以用来研究由于轨道不平顺性和低速列车引起的振动。

Chen Y.H.[6]等分析了简谐荷载作用下置于粘弹性地基上无限长Timoshenko梁的响应，建立了相应的梁动力刚度矩阵，由此确定了临界速度和共振频率。

第二，用传统的格林函数分析法和波动理论对铁路桥梁系统动力响应的研究。

杨永斌[7]等研究了高速列车下简支梁的振动特性，将列车模拟为轮间距恒定的两个系统，利用理论分析的方法，得到了控制梁动力响应的关键参数，建议了有效控制梁共振响应的优化设计标准。

Moreno Delgado R. [8]对高速列车下轨道桥梁系统进行了模拟，并用有限元法分析了轨道桥梁在移动车辆下的动力响应。

Cheng Y .S[9].等提出了一种新的桥梁—轨道—车辆耦合模型来研究移动列车、支撑、轨道以及桥梁结构的相互作用。

Wu Y.S.[10]等研究了运行于简支桥梁上的列车的二维稳态响应，利用冲击因子研究了不同列车速度下轨道—桥梁的冲击响应，确认了当列车—轨道—桥梁共振时列车的最大响应。

竹宫宏和、谢伟平[16]等研究了移动荷载作用下，轨道与地面的相互作用以及振动在铁路沿线地基中的传播。

其中，轨道被模拟为弯曲梁，地基被模拟为弹性半空间或刚性基础上的成层地基，将波在土中的传播变换到频率—波数域中进行求解，通过轨道与地面的相互作用得到了作用于地表的荷载，并得到了轨道与地基的振动随荷载移动的变化。

第三，用有限元法对轨道系统进行分析。

Yu H.S.[11]等用有限元理论分析了成层土的受迫破坏，用Melon的受迫破坏理论来形成有限元公式，与以前的理论相比，该方法允许在划分网格时，应力不连续得到更精确的受迫破坏解。

Wu J.S.[12]等用有限元方法确定了多轮车辆作用下轨道—地基的动力响应，基于车辆及悬挂系统的动力平衡，得到了车辆的特性矩阵，利用直接积分法得到了车辆—桥梁的动力响应。

Ekevid Torbjorn[13]等用边界元法分析了高速列车下波的传播特性，为了有效模拟轨道结构的各成分，考虑无限介质，建立了地基振动的三维模型，提出了以位移为基础的，将传统有限元法与边界元法相结合的杂交方法。

第四，运用有限元法对铁路桥梁动力响应系统的研究。

Chang T.P.[14]等用任意梁来模拟轨道和地基，用有限元方法分析了移动荷载作用下非线性梁的确定性振动响应和随机性振动响应。

Delgado.R.[15]对高速列车下轨道—桥梁—车辆系统进行了模拟，并用有限元法分析了轨道桥梁在移动车辆下的动力响应。

另外，日本的竹宫宏和运用拟静力法分析了新干线轨道系统的动力响应问题，考虑了成层土体对波传播的影响，包括在平坦地面上的轨道系统、坝体上的轨道系统和高架轨道系统等，分别作出了不同情形下轨道系统的时间—加速度谱，频率振幅谱，传递函数响应谱，波动特征衰减曲线等，指出轮距和车厢数目对地面振动的影响至关重要，对于由列车产生的竖向荷载，在相邻的地面将会产生相对的水平响应，并且不同轨道系的响应特征不一样。

同时[17]分析了高速列车通过时，高架桥及桩基础的振动，研究了弹性波在土体中的传播，提出了在振源周围设置阻波块以达到减振效果的措施，并分析了不同材料和排列的阻波块所产生的不同减振作用，以找出最优的减振方案。

新加坡的Hong Hao[18]等人在Lamb的研究成果基础上利用波在粘弹性半空间传播的能量谱密度（PSD）来分析由交通荷载引起的地面振动响应问题，他们用单轴双自由度体系模型来代替交通车辆，并采用现场实测的路面粗糙度计算了三个点的响应，计算结果与实测结果一致。

通过反应谱的分析还能够证明由交通荷载引起的地面振动的主要影响因素是Reyleigh面波，而其中的体波部分相对来说较少，并且衰减较快。

同济大学的蒋通[19]等，考虑轨道不平顺，采用整体车辆和桥梁组合的计算模型，对高架轨道进行了车—桥动力分析。

对给定的功率谱密度函数，构造等效的频谱幅值和随机相位后再作Fourier逆变换来模拟轨道不平顺，结果表明新方法比通常的三角级数法更为有效。

对于轨道平顺及不平顺两种情况，针对两种车速计算车体和桥梁的动力反应，结果表明，轨道不平顺及车速提高对桥梁跨中位移的影响较小，但对桥梁跨中加速度的影响较大而且高频反应明显增大。

轨道不平顺对车体振动的影响较大，振动的幅值和频率都大大提高。

车速提高时，尽管车体加速度反应明显增大，但是其位移则变化不大。

三、减振、隔振措施轨道交通产生的环境振动已成为一个不容忽视的问题，对振动的控制主要包括以下两个方面：一是控制振源，主要从减振的角度进行考虑；二是控制振动的传播途径，主要从隔振的角度进行考虑。

3.1 减振目前，在轨道交通中采用的减振降噪措施主要有：（1）采用重型钢轨和无缝线路。

若把50kg/m的钢轨改成60kg/m的钢轨，由于钢轨的垂向刚度增加，大约可以将列车引起的冲击振动降低10%，从而有效的抑制钢轨的垂向振动。

采用无缝线路，可有效减少轮轨间的冲击力，减少脉冲型的激扰源，从而起到减振降噪作用。