摘要:从轨道交通引起的环境振动对人体、建筑物、精密仪器三个方面的影响进行了总结;对振动加速度随振源埋深的变化、距离轨道中心线的分布规律以及列车车速和载重对其的影响规律做了重点分析。文中相关结论可以为解决城市环境灾害以及城市轨道交通建设工程提供参考依据。

关键词:列车振动;衰减;振动加速度
 
      在交通设施建设(地铁、轻轨、铁路等)发展的过程中,将不可避免地进入到对振动等级要求特别高的地区。比如,北京地铁南北中轴线列车的振动将会影响到故宫,北京地铁4号线将要经过的北京大学东门地段(该地段为大型贵重精密仪器主要分布区)。随着全国铁路大提速的进行,列车速度的增加将不可避免地改变其穿过地区附近的振动等级。目前国际上趋于用振动加速度来评价振动强度,研究振动随振源埋深的变化、距轨道中心线的距离的分布规律以及列车车速和载重对其的影响规律变得日益重要。
1 轨道交通引起的环境振动问题
      在我国由于经济发展水平的原因,直到上个世纪80年代中后期,才开始研究铁路和交通运输车辆引起的地面振动对周围环境的影响。最近几年,我国轨道交通发展很快,其引起的环境振动问题已经引起我国政府和相关科研单位的高度重视,势必推动有关振动对环境影响的研究。
      在国外,一些交通系统比较发达的国家,对轨道交通引起的振动对周围环境及建筑物的影响的研究也特别重视。wwW.11665.CoM日本明确认定振动为7个典型公害之一,提出了环境振动水平的预测方法。j.melke等提出了一种基于脉冲激励和测试分析的诊断测试方法,用于预测城市区域铁路线附近建筑物的振动水平,通过不同测点数据传递函数分析,研究了波的传播规律。jorge.jakobsen对不同类型场地土的振动随距离的衰减规律进行了研究[1-2]。英国铁路管理局研究发展部技术中心就行车速度、激振频率和轨道参数的相关关系以及共振现象进行了研究[3]。v.v.krylov(1999)[4]研究了高速列车引起的地面振动放大现象。
2 轨道交通振动产生的影响
      环境振动对人体、建筑物、精密仪器等的影响已越来越大。这是因为:一方面振动日益增大,影响的范围也在加大;另一方面,人们对生活质量的要求也越来越高,同样水平的振动,在过去可能不是问题,现在却越来越多地引起了公众的强烈反应。这些问题对交通系统引起的结构振动及其对周围环境影响的研究提出了新的要求,引起了各国研究人员的高度重视。
2.1 对人的影响
2.1.1 对睡眠的影响
      环境振动达到一定等级将会干扰人们的日常生活,使人有不适感,甚至影响人们的情绪和睡眠、休息、学习。试验研究表明:振动强度愈高,对人们入睡和睡眠深度的影响愈大。当振动加速度在65db以下,一般对睡眠影响不大,但当达到70db后就会难以入睡,到80db则会惊醒所有人。可见,振动对居住在铁路线周围的居民影响是很大的。
2.1.2 对健康的影响
      交通车辆引起的振动对人体健康的影响包括生理和心理两个方面,影响范围几乎涉及人体的各系统和各个方面。首先,当振动比较强烈时,会造成人体骨骼、肌肉、关节及韧带的严重损伤,消化系统肠胃蠕动增加、胃液分泌和消化系统能力下降,肝脏的解毒功能代谢发生障碍,还会使神经系统出现交感神经兴奋、腱反射减退或消失、手指颤动和失眠等症状。其次,许多人对振动都很敏感,易发生心情烦躁、心理失衡现象[5]。
2.1.3 影响人体的环境振动主要因素
      环境振动对人体有影响的主要因素可以概括为以下几个:
(1)振动频率
      振动对人体的不良影响中,频率起着主要作用。对于环境振动,人体反应特别敏感的为1～80hz的振动,这主要是由于各种组织的共振频率集中在这个范围。
(2)振动强度
      当频率一定时,振动强度以人体对振动的感受程度来评价。目前国际上通行用加速度参数来表示振动的强度。将实测加速度经过换算,以分贝为单位来表示振动强度,给振动测量、运算和表达带来很大方便。
(3)暴露时间
      人体无论受到哪种振动作用,其影响时间越长,对人体的不良影响也就越大。
2.2 对建筑物的影响
      一般而言,轨道交通引起的环境振动,振幅和能量都比较小,从安全的角度讲,它不会造成象地震那样的剧烈损害。但是,这种振动的作用是长期存在和反复发生的。长期作用于建筑物,将引起结构的动力疲劳和应力集中,严重时还会引起结构的整体或局部的动力失稳,如地基产生液化、基础下沉或不均匀下沉,墙体裂缝,建筑物倾斜甚至局部损坏;又如,地铁南北中轴线因要穿越故宫等古建筑,列车的运行就会产生振动影响,拟建的京沪高速铁路可能产生对苏州虎丘塔的振动影响等,从而影响结构的安全和正常使用。许多国家都制定了建筑物内(外)的振动标准,我国也于1988年颁布了gb10070-88《城市区域环境振动标准》,但由于制定年份较早,亟需补充修改。
2.3 对精密仪器正常使用的影响
      城市轨道交通及地下铁道运行路线不可避免地会穿过安装有精密仪器的厂房、医院、实验室等对振动特别敏感的区域。当振动达到一定强度时,就会影响这些区域中精密仪器的正常使用。比如,北京地铁4号线将要经过的北京大学东门地段,是北大理科院系的主要分布地带,全校80%以上的大型仪器设备分布在这一地区,如不采取特殊措施,地铁经过时产生的地面振动,将对其正常工作产生不利影响;在台湾,台北至高雄的高速铁路可能会对台湾南部科学园区里的精密仪器产生不良影响。
3 引起的环境振动特点
      轨道交通运行时,部分能量将转化为地面的振动,振动的强度、特别是振动加速度的大小是人们所关注的。加速度越大,则冲击力越大,对人体或物体的破坏作用也就越大。其影响因素很多,比如载重量、空间距离、列车速度、土介质的密度及弹性模量、地形地质构造、轨道摩擦系数等。下面就几个主要因素进行总结。
3.1 振动加速度随振源埋深的变化
      随着振源埋深的增加,振动加速度的分布规律会不同,一般有较大的衰减,而且衰减规律的影响因素又是多种多样的。这是因为,土介质成层分布,且由于地区的差异,土质成分、密度等各不相同,振动经过各土层后衰减程度也就不同。如果在某一深度的地层与振源发生共振,则会发生振幅放大区,振动加速度出现反弹。如果考虑到不同列车在同一时间通过组成的随机变化的周期荷载序列,呈现周期性的动力脉冲过程,那么振动加速度随深度的衰减规律将会更复杂。
      荷兰学者ciesielski进行了大量的实验,验证了加速度反弹区的存在。他的实验结果是:地层表面的振动加速度最大,随后随着深度的增加加速度衰减, 在地下2m深的土层,振动加速度衰减为地表的20%～50%,4m深衰减为10%～30%,衰减的总趋势是随着深度的增加振动加速度减小,但是当频率在大约24hz时,某土层和振源发生共振,出现了振动,加速度反弹区。
      因此,频率不同的列车振动,在不同的地层中衰减的程度不同。在地铁设计中,要针对列车在不同埋深下,地表振动影响的不同,进行必要的计算分析,对于隧道埋深方案的选择具有重要的参考价值。拟建的北京地下直径线,将使北京站与北京西站相联通,设计部门提出了平均埋深分别为16、18、30m的几种初步设计方案,文献[6]对不同埋深下地铁振动在地表的传播规律进行了研究。研究结果对隧道埋深方案的选择具有很好的参考价值。
3.2 振动加速度随距轨道中心线距离的分布规律
      由于能量的扩散和土壤对振动能量的吸收,振动波在传播过程中将有所衰减。很多文献认为,列车运行所产生的地面振动随距轨道中心线距离增加而有较大的衰减。例如文献[7]通过对金家岩隧道列车现场监测得出结论:列车振动加速度和速度都随着距离振源的增加而衰减。对我国几个大城市的监测调查也得出类似的结论,见图1。

      然而,由于振动波在不同土介质中的传播途径不同,很可能由于固有频率相近发生共振现象;或者土层下面存在坚硬的基岩,使得振动波在基岩上反射形成振动放大区,使振动加速度反弹。例如文献[8]通过简化的方法,建立了列车-轨道和路基-土层-建筑物的二维动力相互作用分析模型,用有限元计算了列车引起的振动在土层中的传播特性及对邻近建筑物的影响,得出图2所示的结论,进一步说明了振动加速度反弹区的存在。

      文献[9]在沈阳—山海关铁路线上做了现场监测实验,得出图3所示的结论,进而验证了加速度反弹区的存在。

3.3 列车速度对振动加速度的影响
      高速列车运行引起的地面振动的振动强度一般随列车车速的增加而增加。文献[9]对沈阳—哈尔滨铁路线上某处进行了现场测量。为考察列车速度对地面振动加速度的影响,将不同距离处的振动加速度随车速的变化绘于图4。

      从图4可以看出,地面振动加速度具有随列车速度的提高而增大的趋势。并且距离越近,差距越大。说明列车速度对近距离的地面振动影响较大。
      对于在地下隧道中列车的车速对振动强度的影响情况,文献[10]对我国某城市地铁车辆段附近进行了现场测试。当地铁列车以15～20km/h的速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85db,如果列车速度达到正常运行速度70km/h时,其振级还要大得多。可见,地铁振动影响的范围在很大程度上还取决于列车速度。
      铁道科学研究院曾在北京环行线进行200km/h以上试验列车的运行试验,对环境振动讲行了测量,见表1[11]。

      从表1可以看出,在离轨道中心线20m或30m处,振动加速度随列车速度增加而增加。
      在国外,特别是在一些高速列车比较发达的国家,对于列车车速对振动加速度的影响都进行了相关的研究。早在1927年,s.timoshenko从理论上提出, 铁轨作为固定支承在道渣及枕木上的弹性梁,列车具有一临界速度值,达到临界状态时将会发生超常的竖向运动动力放大。然而,按照通常所假定的路基刚度特点,这个临界值估计大约为500km/h,远远超过现实中的列车速度[3]。
      西班牙的g.volberg[12]根据对三种不同场地的测量结果,回归出振动级与列车速度之间的关系式:
lv=60+20lg(v/40)。
      式中:lv为振动速度级,参考基准速度为5×10-8m/s;v为车速,km/h。
      日本铁路技术研究所对新干线的桥梁及其地面的振动进行测量后,也得到相同的结论:在高速列车作用下,桥梁及其附近的地面不同测点的振动加速度,都随着车速的提高而增加[4]。他们的经验关系式为:
lv=10n1g(v/v0+lvo)。
      式中:n为实验数据确定的系数,其大小反映了车速对振级大小的影响,取值范围为1.5～3.5;v0为参考列车速度,km/h;lvo为参考车速下的平均振级。
      以上得到的结果均是通过现场测试得出的经验公式,另有一些学者通过理论推断,得出一些有关列车速度对振动强度的影响结论。krylov[4、13]推断,当列车车速v超过地基的rayleigh表面波速时,随列车提速将引起地面振动的陡然增加(和普通列车相比增加70db)。这种状况相当于流体力学中,当液体流速的雷偌数超过一定数时,液体直接从直流状态转变到紊流状态。随后挪威岩土工程研究所验证了krylov推断的正确性。该所的一个研究小组首次观测到列车车速超过地基rayleigh表面波速时地面发生的剧烈运动。
      瑞典从哥德堡到马尔摩干线的高速列车开通时,研究人员进行了相关测量。该地区有大量的软土,其rayleigh波速很小,特别是ledsgard附近的rayleigh波速值仅为45m/s。高速列车车速为140km/h时,车速小于rayleigh波速,到车速增大到180km/h时,车速超过了rayleigh波速,结果地面振动水平增加了10倍以上。
3.4 列车轴重对振动加速度的影响规律
      列车轴重对地面振动强度也有较大的影响。通常货车的轴重比客车大,因而货车引起铁路附近地面振动强度就比客车要大,见图5[9]。

      从图5可以看出,货车引起的振动强度要比客车高出2～10db,而且距铁路越近,两类列车引起的振动强度差别也越大。根据文献[4、13]的测试结果,也有类似的结论,即:随着列车的载重量增大,其引起的环境振动强度也增大。比如,频率为4hz时,普通的货车产生的地面振动比客车高l0db,而在8hz时高5～7db。这是因为货车的车头质量大,所产生的振动约为车厢的1.5～2.0倍,故车头的振动比车厢约大50%[14]。列车作为一个线源,在一定距离内与它平行的各点的振动强度近似相同,不论测点位于路堤还是路堑,其振动水平没有明显不同。
4 结论
      (1)一般情况下,列车运行所产生的振动加速度,随振源埋深的增加而有较大的衰减,但衰减规律受土介质成层分布、成分、密度、弹性模量等影响,一定深度的土层可能因为频率相近共振等因素,发生加速度反弹区。
      (2)由于能量的扩散和土壤对振动能量的吸收,振动波在传播过程中将有所衰减,列车运行所产生的地面振动随距轨道中心线距离增加而有较大的衰减,同样,因为土层发生共振或者因为地层的基岩而存在振动反弹区。
      (3)轨道交通系统的运行引起的地面振动的振动强度,一般随列车车速的增加而增加。另外,车速对振动的影响和地层表面的rayleigh波速有关,当列车车速超过rayleigh波速时,将会引起地面振动加速度的陡然增加。
      (4)随着列车载重的增加,地面振动加速度增大,重载货车作用下的路基地面的振动强度比客车大。
 
参考文献:
[1]jorgenj.groundvibrationfromtailtraffic[j].j.oflowfre-quencynoiseandvibration,1987,6(3):356-361.
[2]jurgenj.transmissionofground-bornevibrationinbuilding[j].j.oflowfrequencynoiseandvibration,1989,7(3):412-417.
[3]高广运.铁路交通引起的环境振动[a].第六届全国土动力学学术会议论文[c].北京:中国建筑工业出版社,2002,472-476.
[4]vvkrylov.groundvibrationboobfromhigh-speedtrains[j]. j.oflowfrequencynoise,vibrationandactivecontrol,1999,18(4):63-70.
[5]王传明.交通荷载影响人体健康[j].汽车运用,2005,(7):6-7.
[6]沈艳峰.北京地下直径线工程列车振动影响规律研究[d].北京:北京交通大学,2000.
[7]李德武,等.金家岩隧道列车振动现场监测与分析[j].兰州铁道学院学报,2002,16(3):7-11.
[8]王逢朝,等.列车振动对环境及建筑物的影响分析[j].北方交通大学学报,1999,23(4):13-17.
[9]夏禾,等.列车对周围地面及建筑物振动影响的试验研究[j].铁道学报,2004,26(4):1-7.
[10]夏禾,等.城市交通轨道系统引起的环境振动问题[j].北方交通大学学报,1999,23(4):1-6.
[11]焦大作.京沪高速铁路环境振动建议限值[j].铁道劳动安全卫生与环保,2001,28(4):225-229.
[12]gvolberg.propagationofgroundvibrationnearrailwaytracks[j].sound&vibration,1983,87(2):371-376.
[13]vvkrylov.spectraoflow-frequencygroundvibrationsgeneratedbyhigh-speedtrainsonlayeredground[j].j.oflowfrequencynoise,vibrationandactivecontrol,1997,16(4):286-290.
[14]王杰贤.动力地基与基础[m].北京:科学出版社.2001.