轨道交通系统对周围环境的振动影响

轨道交通系统对周围环境的振动影响

曲经建夏禾石红兵

（北方交通大学土木建筑学院）

【摘要】随着我国人民生活水平的提高，轨道交通系统对周围环境及临近建筑物的振动影响越来越引起人们的关注，并且随着我国城市轻轨交通系统的兴建，使环境振动污染的问题更加突出。本文对此问题进行了系统的综述，并提出了减少建筑物振动的措施。

关键词轨道交通系统环境振动

一、引言

在欧美等西方发达国家，轨道交通系统引起的振动对周围环境的影响早已引起人们的注意，并且把振动列为七大环境公害之一【1】。而在我国，随着经济的发展和人们生活水平的提高，振动问题也引起了一些专家学者的注意。振动试验表明，振动对于居住在铁路线周围的居民的影响非常大，并且危害人们的身心健康，当振动加速度达65dB时，对睡觉有轻微影响；振动加速度达到69dB时，所有轻睡的人将被惊醒；振动加速度达到74dB时，除酣睡的人，一般情况下，其他人将惊醒【2】。

铁道部劳动卫生研究所通过对我国几个典型城市的铁路环境振动的现场实测，考察了铁路沿线居民区受列车运行引起的环境振动污染现状，测试结果表明，离轨道中心线30m之内区域的振级大部分接近80dB。这样高的振级将极大地影响铁路沿线居民的日常生活及身心健康。因此，着手研究振动污染规律、振动产生的原因、振动传播途径及控制方法具有非常重要的意义。

在我国，随着现代化的进行，交通系统大规模发展的趋势极为迅速。由于城市轨道交通系统（包括地下铁道和城市高架轻轨）具有运量大、速度快、安全可靠、对环境污染少、不占用一般道路等优点，已成为解决城市交通拥挤和减少污染的一种有效手段。国内已经拥有和正在建设的地下铁道系统的城市越来越多，而且不少城市还在筹建轻轨交通系统。近年来在城市交通系统建设中，对于振动可能影响环境和周边建筑物内居民生活和工作的问题也进行了预测。如拟议中的西直门至颐和园轻轨快速交通系统可能对附近文化和科研机构产生的振动和噪声影响、地铁南北中轴线可能对故宫等古建筑的振动影响。为此，北京市地铁总公司、北京市城建设计院、北京市环境保护局、北方交通大学、铁道部科学研究院等单位已经开始结合北京、上海等一些大城市修建地铁、轻轨交通系统时车辆引起的环境振动的工程实际进行研究，发表了有关地铁、轻轨车辆作用下隧道及高架桥梁的振动、振动波的传播及其对周围环境和建筑物影响的初步研究成果。

二、振动的产生及传播规律

轨道交通系统振动对环境和周边建筑物的影响一般通过以下方式进行：由运行列车对轨道的冲击作用产生振动，并通过结构（隧道基础和衬砌或桥梁的墩台及其基础）传递到周围的地层，进而通过土介质向四周传播，进一步诱发附近地下结构以及建筑物（包括其结构和室内家具）的二次振动和噪声，从而对建筑物的结构安全以及建筑物内的人们的工作和生活产生了很大的影响。

轨道交通系统的振动主要由以下几个方面产生：

(1)列车以一定的速度运行时，对轨道的重力加载产生的冲击；

(2)列车在轨道上运行时，轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动；

（3）当车轮滚过钢轨接头时，轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动；

（4）轨道的不平顺和车轮的损伤也是系统振动的振源。

对于高架轻轨系统，其影响因素主要有列车速度、车辆重量、桥梁结构类型和基础类型、跨度、刚度、挠度等，列车与桥梁前相互作用也会加大振动作用。

对于地下铁路，其影响因素主要有列车速度、车辆重量、隧道基础和衬砌结构类型、轨道类型、是否采用隔振措施等。在理论分析方面，由于国内还没有建成高架轻轨系统，文献［ 3」－［ 5」采用二维的车一桥共同作用力学模型，通过动力分析求得了列车运行时作用在桥上的列车振动荷载，然后再采用"桥墩一基础一地基"二维共同作用的模型，通过动力响应分析，求得了通过桥墩并垂直于线路的横断面上的地基和地面的振动特性。通过分析和计算，得到了以下结论：轻轨列车振动所引起的附近地面振动，在某一距离范围内，将随距轻轨线路距离的增加而衰减；在一定距离内又出现了反弹增大（大约在40～60m间），但总趋势是随距离的增大而衰减；轻轨系统桥梁的基础类型对地面的振动影响比较大，采用桩基时由列车运行所引起的地面振动的位移汇度伽速度值均较采用平基时的小许多，且采用桩基时，地面振动随距线路距离的增加而衰减的速度也较平基为大。甚至由于采用了不同的桥梁基础，沿线建筑不同楼层的振动响应也有所不同。采用浅平基础时，高楼层的响应比低楼层的剧烈，若采用桩基时，各楼层的差别就小得多；高架桥线路与路基线路相比，环境振动将大幅度降低。距线路中心线30m处的振动强度可降低5～10dB。

对于地铁列车的振动效应，除了通过现场实测了解其对周围环境的振动影响以外，文献［6」根据实测轨道加速度得到了列车荷载的模拟数学表达式，进而采用有限元方法分析了隧道和周围土体的振动特性；文献［5」通过建立系统动力分析模型的方法就地铁列车运行时所引起的环境振动及振动波的传播规律进行了研究。

已有调查表明【7】，地铁列车在隧道内高速运行时，距轨道水平距离 1.5m处，振级平均值为81dB，距轨道水平距离24m处，振级平均值为71.6dB。这说明随着距轨道水平距离的增加，振级将不断衰减。此外，地铁振动影响的范围在很大程度上还取决于列车通过的速度及隧道的埋深。速度越高，振动干扰越强，响应的影响范围越大，埋深越大，影响范围也越小。随距离增大而振动强度减弱的规律也适用于沿线建筑物。由于列车运行所引起的地面水平振动，在传播过程

中的衰减要快于垂直方向，因而沿线建筑物内垂直方向的振动将大于水平方向的振动。实测结果表明：楼房的水平振动一般小于垂直振动十几分贝，因此在评价楼房受列车运行所引起的振动影响时，可以垂直方向为主。

对于建筑物的平面而言，其纵向劲度大于横向劲度，所以无论建筑物的走向与线路的相对位置如何，当建筑物受到列车运行所引起的振动影响时，总以其横向大于纵向振动的规律出现。就不同楼层高度而言[8]，一般来说，对于低层建筑，特别是在四层以下，随着楼层的增高，振动的强度有增大的趋势。

随着列车速度的提高，附近建筑物内测得的振动有增大的趋势，尤其楼房内侧的振动表现得特别明显。而由列车振动引起的沿线地面建筑物的振动，其振级的大小又与建筑物的结构形式、基础类型以及与地铁的距离有密切的联系。对于基础良好、质量较大的高层钢筋混凝土建筑，由于其固有频率低，不易被激励起较大的振动，因而其振级较自土壤传来的振级有相当大的衰减，衰减量可达10～20dB，因此在距地铁隧道水平距离32m处，高层建筑物地下室内实测振级不大于60dB，一层以上则测不出地铁行驶时引起的振动；基础一般的砖混结构住宅楼可衰减5～10dB；而基础较差的建筑，如轻质结构或浅基础的建筑，则衰减量很少，其振级与土壤振级相近，甚至还会出现室内振动大于室外地面振动的现象。根据实测结果可知，振动强度的分布有以下特点：

（1）在振源的频率分布上，以人体反应比较敏感的低频为主，其中50～60Hz的振动强度较大。

(2)在列车速度的影响上，随行车速度的提高，振动有增大的趋势。

（3）就地面振动随距离的衰减而言，距轨道中心线越近，同一列车引起的地面振动越大，反之则越小。

一般认为，列车运行所产生的地面振动随距线路距离的增加而有较大的衰减是一般规律，见图1（a），但是也有文献得出了不同的结果。文献[9]和[10]曾分别在桥梁（京沈线滦河桥，跨度32m上承式钢板梁桥，桥墩高8～10m，车速50～80km小）和线路附近（京广线，车速 25～110km/h）测试了列车通过时地面振动加速度随距离的变化规律，结果见图1（ b）。图1中G为振级，ω为各测点加速度与路基处加速度的比值。可以发现地面振动分别在距桥墩60m左右处和距线路40m左右处出现了加速度的反弹增大。这一测试结果是与理论计算的结果相吻合的。