減振研究讓城市生活更安靜
由于城市軌道交通系統(tǒng)（包括地下鐵道和城市高架輕軌）具有運量大、速度快、安全可靠等優(yōu)點，已成為解決城市交通擁擠的有效手段。國內(nèi)已經(jīng)擁有和正在建設(shè)軌道交通系統(tǒng)的城市越來越多，隨著城市軌道的延伸，其帶來的環(huán)境振動污染等問題也越來越突出。在國家自然科學基金的支持下，北京交通大學教授夏禾主持的“城市軌道交通引起的環(huán)境振動及防治對策研究”對此進行了深入研究，并提出了減少建筑物振動的系列措施。
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環(huán)境振動是一種嚴重污染
有研究機構(gòu)通過對我國幾個典型城市鐵路環(huán)境振動的現(xiàn)場實測結(jié)果表明，離軌道中心線30米之內(nèi)區(qū)域的振動加速度級大部分接近80分貝（dB）。“振動試驗表明，當振動加速度達65分貝時，對睡覺有輕微影響；振動加速度達到69分貝時，所有輕睡的人將被驚醒；振動加速度達到74分貝時，除酣睡的人，一般情況下，其他人將驚醒。”夏禾說，“由于城市軌道交通系統(tǒng)投資巨大，一旦建成則很難改線和遷移，軌道交通的振動污染一旦形成將長期存在。因此，著手研究振動污染規(guī)律、振動產(chǎn)生的原因、振動傳播途徑及控制方法具有非常重要的意義。”
交通振動（主要是軌道交通振動）是指因交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動通過周圍地層（地下或地面）向外傳播，進一步誘發(fā)附近地下結(jié)構(gòu)以及鄰近建筑物（包括室內(nèi)家具等）的二次振動和噪聲。交通振動會對附近建筑物特別是古舊建筑物的結(jié)構(gòu)安全以及一些精密儀器、居民和工作人員的生活、工作產(chǎn)生影響。
“為減輕環(huán)境振動對居民和建筑物的干擾和影響，國內(nèi)外學者作了大量研究，試圖通過降低振源強度、切斷振動傳播路徑、衰減振動幅度、調(diào)整交通線路附近建筑物的自振特性等找到解決辦法，也取得了不錯的效果。”夏禾說。
研究表明，軌道交通系統(tǒng)振動的振源主要來自以下方面：列車運行時對軌道的重力加載所產(chǎn)生的沖擊；列車在運行時，輪軌相互作用產(chǎn)生的車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動；當車輪滾過鋼軌接頭時，輪軌相互作用產(chǎn)生的車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動；軌道的不平順和車輪的損傷等。對于高架輕軌系統(tǒng)來說，其影響因素主要有列車速度、車輛重量、橋梁結(jié)構(gòu)類型和基礎(chǔ)類型、跨度、剛度、撓度等。同時，列車與橋梁的相互作用有時也會加大振動作用。對于地下鐵路，其影響因素主要有列車速度、車輛重量、隧道基礎(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)類型、軌道類型、是否采用隔振措施等。
從多個環(huán)節(jié)尋找解決辦法
由列車振動引起的沿線地面建筑物的振動，其振級的大小又與建筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型以及與地鐵的距離有密切的聯(lián)系。夏禾解釋說，對于基礎(chǔ)良好、質(zhì)量較大的高層鋼筋混凝土建筑，由于其固有頻率低，不易被激勵起較大的振動，因而其振級較自土壤傳來的振級有相當大的衰減，衰減量可達10～20分貝，因此在距地鐵隧道水平距離32米處，高層建筑物地下室內(nèi)實測振級不大于60分貝，一層以上則測不出地鐵行駛時引起的振動；基礎(chǔ)一般的磚混結(jié)構(gòu)住宅樓可衰減5～10分貝；而基礎(chǔ)較差的建筑，如輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或淺基礎(chǔ)的建筑，則衰減量很少，其振級與土壤振級相近，甚至還會出現(xiàn)室內(nèi)振動大于室外地面振動的現(xiàn)象。
“軌道交通系統(tǒng)引起的振動通過土壤而傳遞到臨近結(jié)構(gòu)物造成振動或破壞，因此，必須首先了解地表下波傳特性。同時，工程實際中遇到的土質(zhì)各種各樣，非常復雜，所以在研究波的傳播問題時，還要引入現(xiàn)場測試得到的具體參數(shù)來解決振動的波動衰減問題。”夏禾說。
振動的有效隔阻可由河渠、橡膠墊層、板樁墻以及樁等屏障來截斷、散射、繞射各種應(yīng)力波來實現(xiàn)。在彈性基礎(chǔ)、明溝和充填式溝渠三種隔離模式中，彈性基礎(chǔ)對較高頻率的隔振效果好，但由于彈性基礎(chǔ)的存在，軌道上的最大低頻速度和加速度會被放大，所以無論是對于運行列車的平穩(wěn)性還是對周圍環(huán)境的隔振來說，彈性基礎(chǔ)并不是很理想的方法；對于明溝和充填式溝渠而言，減振溝越深，減振效果越好，而減振效果與溝寬無關(guān)。對阻隔列車引起的振動而言，明溝在三種方式中是最好的，可以完全切斷振動波的傳播。但在實際應(yīng)用上，明溝有穩(wěn)定性的問題，須設(shè)置支撐構(gòu)架使其保持穩(wěn)定。對于低頻振動，上述三種隔振措施所引起的效果都不大。
從減振效果來說，碎石道床優(yōu)于整體道床，但碎石道床具有穩(wěn)定性較差、養(yǎng)護工作量大、自重較大、軌道建筑高度較大且道床易污染等缺點。所以對地鐵而言，一般都采用整體道床，其中包套式短枕整體道床、塑料短枕整體道床、浮置板式整體道床等幾種道床型式它們都可起到減振作用。無論是有碴道床還是整體道床，都可在道碴或凝土板下面設(shè)置橡膠減振墊，采用適當?shù)膹椥钥奂梢栽黾诱w道床的彈性。例如，在北京地鐵使用的DTI型和DTV型扣件中，DTV型扣件經(jīng)過室內(nèi)試驗比DTI型扣件可減少振動5～8分貝。
彈性墊層是增加扣件彈性的重要組成部分，要改善整體道床的缺點，可采用高彈性墊層，或在鋼軌表面粘貼由高阻尼材料和約束板材構(gòu)成的復合阻尼板可以減小鋼軌的振動。為探討阻尼板鋼軌的減振效果，研究人員在北京地鐵13號線西直門——大鐘寺段的鋼軌上安裝了阻尼板，并對有阻尼板和無阻尼板的鋼軌及橋面板進行了測試對比，試驗結(jié)果表明，在鋼軌上安裝阻尼板后，鋼軌軌腰的峰值加速度降低了6～7分貝，具有一定的減振效果。
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