地下鐵道列車運行時對環境影響的研究現狀
摘 要:地下鐵道的運營對環境的影響已越來越成為人們普遍關注的問題,主要從減振減噪的措施等方面進行了大量研究. 現對該領域目前的研究現狀、研究手段及方法,指出了該領域的發展所需解決的課題,如荷載的不確定性、計算模型的改進、計算方法、鋼軌磨耗的影響、振動和噪聲的預測方法及各種減振減噪措施的進一步開展等. 關鍵詞:地下鐵道;振動;噪聲
隨著城市人口的增多,交通問題日益突出,地下鐵道以其運量大、速度快、安全可靠、運行準時等特點已成為解決城市交通擁擠的有效措施. 但與此同時,地下鐵道對環境的影響也引起了世界各國的普遍重視. 目前,由于列車產生的振動和噪聲所引起的地鐵沿線建筑物的不良影響,地鐵沿線居民投訴的問題已經產生. 如何來較好的評價列車的振動和噪聲影響以及采取何種措施有效,已經引起了國內外專家學者的關注.
1 國內外研究現狀
1. 1 振源及傳播規律
在地下鐵道中,當列車以一定速度在軌道上運行時,車輛、軌道以及他們之間的相互作用都將產生振動,引起振動的原因可歸結為[ 1 ] : ① 機車本身的動力作用; ② 機車和車輛以一定速度通過時的動力作用; ③ 軌道不平順以及鋼軌不均勻磨耗; ④ 車輪安裝偏心產生的連續不平順,以及車輪踏面不均勻磨耗引起的脈沖不平順. 在振動傳播規律的研究方面,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兩個二維動力模型來得到[2 ,3 ]. 在文獻[2 ] 中,首先建立了列車—軌道耦合系統動力分析模型,由數值模擬分析,得到圖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,得到隧道結構及周圍物體的振動響應.
在實驗方面,我國最早的研究是潘昌實教授1985 年在北京地鐵所做的現場測試工作[4 ] ,現在這一研究已在北京、上海和沈陽等各地展開.
綜合測試數據和數值計算結果,初步總結了振動影響規律如下[2 ,5 ,6 ] : 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2 ,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, 而后又出現一個放大區,出現第二個峰值B, 然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,隨至中線的距離增加而減小的規律近似為指數函數. 
圖1 列車荷載時程曲線圖2 振波沿水平距離增加衰減示意圖
1.2 振動傳播途徑及影響因素
列車在地下鐵道中運行時,從目前的研究結果[7～9]來看,其振動傳播途徑有3 個:① 直接影響車內駕駛員和乘客;② 列車進出站時,給車站環境帶來污染;③ 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.綜合上述3 種途徑,其主要影響因素見表1[9].
表1 地鐵列車振動傳播影響參數
1.3 振動預測公式
在振動預測公式方面,一種情況為采用《動力地基基礎規范》中的振動預測公式,但該公式是在地面荷載所產生的振動曲線的基礎上總結出來的,對于地下移動荷載的情況,其適用性有待進一步的研究.另一種為應用J . Melke[7 ]提出的物理方法,在聲源—聲徑—聲接受系統內使用傳遞衰減鏈預測法,得到以振級來評價的預測公式LB = Lr -Rtr -Rtu -Rg -Rb (1) 式中,LB 為振級,dB ; Lr 為隧道振動振級;Rtr 為振源傳給地面的波動隨距離衰減項;Rtu 為土壤內部引起的衰減項;Rg 為輪機狀況的修正因子;Rb 為建筑物本身的結構形成、基礎類型、層樓比.式(1)較好的評價了振級的幾個影響參數,但該公式中的幾項均是以測量結果為基礎的,普遍應用性有待進一步提高.
1.4 列車對環境噪聲的影響調查研究表明[5 ,8 ],噪聲污染已成為世界性的問題,地鐵噪聲在城市噪聲中占有一定的比例.地鐵噪聲分為內部噪聲和外部噪聲:地鐵內部噪聲對于旅客和乘務員會造成不良的影響,這方面的噪聲控制一般通過改良地鐵列車的設備來達到;外部噪聲則對地鐵線路沿線和車站附近的居民造成干擾,目前已有地鐵沿線居民因為噪聲影響而投訴.外部噪聲污染一般通過兩條途徑:① 列車作為噪聲源發出的噪聲聲波直接由空氣傳播到地表形成噪聲污染;② 列車的振動和噪聲通過巖土介質傳送到地鐵附近的建筑物,形成一種結構聲,即可聽頻率范圍內的固體振動聲成為地面噪聲污染.經調查[9 ],對于車站附近的地表噪聲影響, 主要通過第一條途徑,對地鐵隧道沿線的地面,主要通過第二條途徑.
振動與噪聲通過地下巖土介質傳送到地鐵附近建筑物,但是由于地下巖土的濕度、成分、彈性等影響結構聲的參數很多,因此到目前為止,還很難求得這種結構聲通過巖土進行傳播的確切數據. 為了控制上述結構聲的標準,日本的市政環境振動中,使用“振動級”對結構聲加一個補充噪聲量,將這個量作為噪聲級使用. 所謂振動級,是指以20lg (Q/ Q0) (dB) 進行定義的修正加速度值,其中Q0= 10-5m/ s2 是標準振動加速度, Q = n∑Q2 n ·10 C /10 1/2 是對振動感覺修正的振動加速度有效值.這里,Qn、Cn 分別為頻率n
( Hz) 時的振動加速度有效值和相對響應系數,可查表求得. 試驗資料表明,45 dB 的噪聲就開始對正常人的睡眠產生干擾,因此,世界各國對城市區域環境噪聲標準已有明確規定.中國城市區域環境標準如表2.研究表明[9 ] ,列車在白天所產生的噪聲的影響很接近標準值,在夜間已大大地超過了標準值,給 沿線的居民帶來了很大的干擾,因此減振降噪勢在必行.
1.5 減振減噪的措施
商業中心區、二類混合區綜合考慮地鐵列車振動的振源、傳播途徑和影響因素,減振降噪措施主要在以下幾個方面進行:
(1) 車輛特性?、?在滿足其他條件的情況下,盡量降低車重; ② 采用彈性車輪可將隧道壁振動頻率在40～50 Hz 之間的隧道壁振級減少4～10 dB ; ③ 盡量減少非懸掛質量; ④ 維護良好的車輪和鋼軌狀態.
(2) 軌道條件 對于軌道減振技術,常用的方法為打磨鋼軌和鋼軌長軌化,以減少軌道不平順和接頭沖擊,隨著材料技術的進步,新的減振降噪措施層出不窮,已提出的措施包括無枕整體臥入式軌道結構、合成材料減振軌枕、無碴軌道的彈性墊塊與扣件、靜音軌道阻尼器和利用廢舊輪胎與水泥混合制成的橡膠土道床等. 我國香港地鐵、上海地鐵、廣州地鐵和北京地鐵在敏感地段都采取了一定的軌道減振技術,如短枕科隆蛋技術、套靴軌枕塊技術和浮置板道床技術.
(3) 隧道結構 隧道結構型式和隧道厚度也對隧道振動有較大影響. 表3[ 10 ] 給出了不同隧道結構形式對振動的影響情況. 在隧道厚度方面,材料相同,厚度加大一倍,墻壁振級降低5～8 dB.地鐵隧道結構型式相對振動級鑄鐵或鋼質單洞隧道結構+ 4 混凝土單洞隧道結構+ 2
(4) 建筑物結構 對于建筑物來說,主要的隔振措施為聲屏雙洞隧道結構0 障技術. Pao[ 11 ] 等利用解析的方法研究波在圓形及拋物線型障三洞隧道結構-2 壁的折射問題;高廣運[ 12 ] 等首次提出了地面連續和非連續屏障站臺結構-4 隔振的概念,指出非連續排樁屏障的散射效應決定隔振效果,屏障的衍射效應決定其影響范圍,證明了圓截面排樁有較好的隔振效果.
(5) 地表減振措施 為防止振動在地表面的傳播,在地表層采取挖溝、筑墻等措施也取得了一定的效果. 在這方面,主要有彈性基礎、明溝和充填式溝渠3 種隔離模式. 研究表明[ 13 ] :彈性基礎對較高頻率的隔振效果較好,但由于彈性基礎的存在,軌道上的最大低頻速度和加速度會被放大;對于明溝和充填式溝渠, 一般來說,減振溝越深,其有效隔振頻率的下限就越低,減振效果越好. 在阻隔列車引起的振動方面,明溝在3 種方式中是最好的,它可以完全切斷振動波的傳播,只要溝的深度足夠,就可以獲得理想的隔振效果, 但明溝有穩定性的問題,須設置支撐溝架使其保持穩定. 總而言之,對于低頻振動,3 種隔振措施所起的效果都不大;對于高頻振動,如高速列車運行所引起的振動,3 種隔振措施所起的效果都可以,但以明溝的隔振效果最佳.
2 研究中存在的問題及展望
綜合國內外研究現狀,對列車在地下鐵道上運行時對環境影響的研究,還需在以下幾個方面進行進一步的研究:
(1) 對于列車荷載下的動力響應,國內外都進行了一定的研究,但研究主要以有限元等數值解法為主, 缺乏一定的系統性和深入性.
(2) 列車運行所產生的荷載,大部分是按確定性荷載來考慮,實際來說,應屬于隨機荷載. 對于隨機荷載作用下隧道的動力響應的研究,無論在理論上還是在數值上,國內外都是一個全新的領域.
(3) 研究表明,鋼軌的磨耗對振動和噪聲的影響比較大,由于磨耗,使鋼軌的表面成為一個具有很大隨機特征的曲線,如何比較準確的評價磨耗對振動與噪聲的影響情況,還需要大量的研究工作.
(4) 列車引起的振動在地層介質中傳播有著特定的衰減特征,與車輛特性、軌道條件、隧道結構、地基特性、建筑物結構等因素有關. 式(1) 僅僅是一個比較近似的計算公式,其普遍應用性較差,應進一步研究較準確且方便應用的預測公式.
(5) 隨著材料的不斷發展,新型的減振降噪措施不斷出現,但他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的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.
參考文獻:
[ 1 ] 王毅. 北京地下鐵道振動對環境影響的調查與研究[J ]. 地鐵與輕軌:1992 ,(2) :21 -25.
[ 2 ] 劉維寧,夏禾,郭文軍. 地鐵列車振動的環境響應[J ]. 巖石力學與工程學報,1996 , (增刊) :79 -86.
[ 3 ] 雷曉燕. 鐵路軌道結構數值分析方法[ M ]. 北京:中國鐵道出版社,1998.
[ 4 ] 潘昌實,謝正光. 地鐵區間隧道列車振動測試與分析[J ]. 土木工程學報,1990 ,23(2) :21 -27.
[ 5 ] Melke J .Noise and Vibration from Underground Railway Lines : Proposals for a Prediction Procedure[J ]. J . Sound & Vibra2 tion , 1988 ,17(5) :391 -406.
[ 6 ] Kurzweil L .Ground2Borne Noise and Vibration from Underground Rail Systems[J ]. J . Sound & Vibration ,1979 , 9(5):363 -370.
[ 7 ] Melke J . Noise and Vibration from Underground Railway Lines[J ]. J . Sound & Vibration , 1986 ,15(3) : 204 -215.
[ 8 ] 辜小安. 地鐵振動對建筑物內二次結構噪聲影響預測[J ]. 鐵道勞動安全衛生與環保,2000 ,27(1) : 34 -39.
[ 9 ] 田春芝. 地鐵振動對周圍建筑物影響的研究概況[J ]. 鐵道勞動安全衛生與環保,2000 ,27(1) :39 -43.
[ 10 ] 王逢朝,夏禾. 地鐵列車振動對鄰近建筑物的影響[J ]. 北方交通大學學報, 1999 ,23(5) :45 -48.
[ 11 ] Pao. Diffractions of Horizontal Sheer Waves by a Parabolic Cylinder and Dynamic Stress Concentration[J ].J .Appl. Mech. Trans , 1976 ,13(3):256 -270.
[ 12 ] 高廣運,楊先健,王貽蓀. 排樁隔振的理論與應用[J ]. 建筑結構學報,1997 ,18(4) :24 -28.
[ 13 ] 楊永斌. 高速列車所引致之土壤振動分析[ R ]. 臺灣:臺灣大學,1996.
