地下铁道的振动及其控制措施的研究1

关歆莹 刘 超

1）北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

2）北京工业大学，北京 100022

3）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

地下铁道的振动及其控制措施的研究1

关歆莹1，2）刘 超3）

1）北京市第三建筑工程有限公司，北京 100044

2）北京工业大学，北京 100022

3）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

150年来地下铁道得到了广泛的发展，近20年来我国的地下铁道更是得到了迅猛的发展。在地下铁道给城市居民的工作和生活带来方便的同时，其引发的振动与噪音也给城市建设和居民生活带来了危害。本文从振动产生、振动传播和振动作用三个阶段论述了地铁振源及其传播的规律；传播特性与振源频率、振源与轨道距离、振动频率，以及列车运行速度、隧道埋深、地质条件、建筑物结构等有关；振动传播影响因素包括：土壤类型、钢轨类型、轨道类型、建筑物质量类型、建筑物材料等；地铁振动的危害是多方面的，噪声干扰人们的日常生活，振动对建筑物的安全性、使用寿命造成影响，同时还影响精密仪表测量等。本文提出了在规划设计阶段、施工阶段的振动控制措施，以期减小其危害。

地下铁道 振动 传播规律 控制措施

引言

自1863年伦敦采用明挖法施工的第一条地铁通车开始，城市交通就进入了轨道交通的新时代。地下铁道的建设与发展经历了以下几个阶段，第一阶段：1863—1899年，世界上有7个城市修建了地下铁道；第二阶段：1900—1949年，世界上又有13个城市修建了地下铁道；第三阶段：随着各国城市大运量公共客运需求的快速增长，地下铁道发展非常迅速。到1999年为止，世界上已有44个国家、120余座城市开通了地下铁道。线路总数为340余条，总长为7000多公里，车站总数为5400余座。据不完全统计，现在城市快速轨道交通线网总长达到100km以上的城市己经达到15个，最长的巴黎线网，整体规模已经超过550km。

我国城市轨道交通的建设是从北京开始的，北京地铁一号线第一期工程于1969年10月基本建成。90年代后，地铁建设进入了一个高速发展的时期，先后有北京、上海、广州、大连、长春、天津、武汉等城市建成了城市轨道交通。截至2005年，全国城市轨道交通运营里程达到435km。2005年3月上海市城市轨道交通己经建成通车共5条线路，共计112km。在2010年世博会开幕之前，上海市规划建成45分钟轨道交通圈。迄今为止，我国已有10个城市开通了31条城市轨道交通线路，运营里程达835.5 km。到2016年，我国将新建89条城市轨道交通线路，总建设里程2500 km（刘迁，2002）。

地下轨道交通是一种大运量、安全、快捷、准时、方便、舒适的理想交通工具，由于地下轨道交通无空气污染，有利于保护人们的生存环境，改善空气质量，在解决城市交通问题中有着特殊的地位和作用。尽管地铁对城市发展有巨大贡献，给城市居民的生活带来很大方便，但地铁运行所引发的振动与噪声问题，一直受到人们的关注。地铁列车运行时产生的振动将通过轨道传递给隧道支护结构，并通过支护结构以外的岩土介质传播到地面，引起地面的振动，从而进一步诱发建筑的二次振动，对建筑物的结构安全以及居民的工作和日常生活都会产生影响（余枫等，2005）。由于城市地下轨道交通均贯穿市中心，对沿线周围的建筑居住环境产生的影响不容忽视。城市地下轨道交通振动的现状和研究工作在世界各国都受到了重视。除此之外，振动还会影响精密设备和仪器的正常使用，甚至会对建筑物造成损害。随着现代工业的迅速发展和城市规模的日益扩大，振动对大都市生活环境和工作环境的影响引起了人们的关注，研究振动的污染规律、产生原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等已成为需要解决的课题。

1 地下铁道振动的传播规律及其危害

1.1 振源及其传播规律

地铁列车在运行时由于轮轨相互作用产生振动，进而通过轨道基础和隧道衬砌传播至土体，从而对沿线地面建筑产生影响。这个过程可以分为以下3个阶段：①振动产生阶段，即列车车轮对轨道的冲击产生激励，主要由 5种原因构成：列车运行时，对轨道的重力加载产生的冲击，造成车轮与轨道结构的振动；众多车轮与钢轨同时发生作用产生的作用力，造成车辆与轨道结构的振动；车轮经过钢轨接缝处时，轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动；轨道的不平顺和车轮的粗糙损伤等随机性激励产生的振动；车轮的偏心等周期性激励导致的振动。②振动传播阶段，即振动通过轨道基础和衬砌结构向周围土介质和地面建筑传播。③振动作用阶段，即振动作用在沿线的地面建筑上，进而诱发建筑结构及其室内物品的二次振动和噪声，从而对建筑结构本身和建筑物内的人群、精密生产和敏感仪器产生影响。

目前的研究方法以数值计算和实验测试为主。数值计算的模型通过2个二维动力模型得到（刘维宁等，1996）。刘维宁等（1996）首先建立了列车-轨道耦合系统动力分析模型，并由数值模拟分析得到了图1所示的作用于道床底部的列车荷载激励曲线，然后再将列车动荷载加在垂直于线路平面的二维路基-土层-建筑物动力模型上，采用动力有限元法得到了隧道结构及周围物体的振动响应。在实验方面，潘昌实等（1990）对北京地铁进行了现场测试，获得了衬砌若干控制点以及附近一座地面风亭2个控制点的动态反应，并对其进行了频谱分析。根据轨道加速度测试和车辆体系的振动分析，得到了列车荷载的模拟数学表达式，进而采用有限元法分析了隧道和周围土体体系的动力性态，分析结果表明，对于若干测点的实测和计算加速度值符合良好。

上海地铁测试结果表明（图2），在0—30m范围内，竖直方向的振级为66.0—84.2dB。在距离地铁隧道10m范围内，振级达到了75dB以上，超过了我国《城市区域环境振动标准（GB10070-1988）》（中华人民共和国国家标准，1988）：城市中一般商业与居民混合区的竖直方向振级标准限值为昼间75dB、夜间72dB。在30m距离内，水平方向（L、T向）的振级为69.2—86.5dB，变化基本保持一致；其衰减规律与加速度幅值衰减规律类似，在17.5 m处存在1个回升区。由图3可知：随着频率的增加，相应的振级总体呈上升趋势。在低于10Hz的频率段，各点的振级基本重合，即各点的振动所包含小于10Hz的低频成分基本相等，在0—10Hz区段对应的振级为10—45dB，衰减很慢；在大于10—60Hz区段，距离地铁线路越近的测点，其振级随频率增加而升高的趋势越明显，各点分频振级均在 60Hz达到峰值，其后随着频率的升高略有下降，但随着与地铁线路距离的增加，振级衰减较快。A线和B线1号测点处的 60Hz分频振级均超过了规范值，此处若有住宅建筑，应作隔振处理。各点的振级区别主要集中在高频段，尤其是 40—80Hz区段，说明地铁振动以相对高频成分为主，这与加速度幅值谱体现的信息相符合，对于地铁隔振减振来说，应着重降低振动的高频成分（楼梦麟等，2009）。

图1 列车荷载时程曲线Fig. 1 Train load time-history curve

图2 A线各测点振级变化曲线Fig. 2 Curves of vibration magnitudes at measuring points along line A

根据综合测试数据和数值计算结果，振动影响呈现以下规律：①列车通过时，在轨道底部产生的加速度，经过道床后有很大的衰减；②高频分量随距离的增加衰减较快，低频分量衰减较慢，地面建筑物受低频的影响相当大；③地表竖向振动的位移、速度和加速度沿水平距离衰减的趋势如图4所示，在振源的正上方振幅为最大值称为第一峰值，达一定距离rR后，出现一个极小值A，而后又出现1个放大区，出现第二个峰值B，最后沿水平距离的增加呈逐渐衰减的规律；④在相同的地质条件下，地面最大加速度、速度随覆盖厚度增加而线性减小，随着到中线的距离增加而减小的规律近似为指数函数。

1.2 地铁振动传播特性

地铁振动产生的是纵波、横波、表面波合成的复杂波动现象，其传播形态也较为复杂。根据已有的研究成果，近场的振动波型主要以弯曲波形式传播，远场主要以表面波形式传播。振动的传播途径是从轨道传到轨道扣件和道床，再传递到隧道和岩土，从而引发附近地面建筑物的振动。振动的传播特性主要表现为（辜小安等，2003；张艳平等，2000；张楠等，2001）：①地铁列车运行时，在振动振源的频率分布上，以低频为主，其中 50—60Hz的振动强度较大；②在振动传播过程中，振动随着距轨道水平距离的增加而衰减，高频分量随距离衰减较快，低频部分衰减较慢，水平向振动比铅垂向振动衰减得快，因此，对地面及建筑物的影响主要是铅垂方向的振动；③振动的频谱随距离而改变，地铁振动最大值对应的频率在 10—30Hz范围内；④地铁列车对临近建筑物的振动影响范围不超过 100m，此范围外的建筑物振动可忽略不计，影响范围会因隧道结构和地质条件不同而不同；⑤影响振动传播的主要因素有列车运行速度、隧道埋深、地质条件等。地铁运行速度越高，建筑物的振动响应越大；隧道埋深越大，影响范围越小；地质条件不同，对振动能量的耗散大小不同；⑥列车振动引起的沿线地面建筑物的振动，其振级的大小与建筑物的结构形式、基础类型以及与地铁线的距离有密切关系。

1.3 振动传播途径及影响因素

列车在地下铁道中运行时，其振动传播途径有 3种（辜小安，2000；田春芝，2000）：①以土质为媒介，通过车轮振动→轨道→隧道结构→周围土壤→相邻建筑物→地板、墙壁、天花板振动→二次结构噪声，使地铁沿线地面建筑物产生振动和固体声，危及建筑物及建筑物内的居民；②列车进出站时，给车站环境带来污染；③直接影响车内驾驶员和乘客。表 1给出了主要的影响因素。

表1 地铁列车振动传播影响参数Table 1 Effect parameters of metro train vibration propagation

1.4 危害

地铁列车引起的振动一般都低于结构的破坏振级，不会造成像地震那样的直接破坏，但它能引起结构的局部颤振，如门窗及室内物件的振动，甚至在附近一些建筑物内引起二次结构噪声，使人明显感觉不适，造成失眠、烦躁等症状，严重干扰人们的日常生活。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，考查了铁路沿线居民区受列车运行引起的环境振动污染现状，对铁路沿线共1916名居民进行的调查显示，80dB的振动强度己经使50%左右的居民产生高度烦恼（马筠，1987）。日本环境厅对新干线附近1000户居民的调查也发现了类似的规律，振级为65dB时居民投诉率为30%；振级为70dB时居民投诉率为40%；振级为75dB时居民投诉率为50%（公害防止技衍法规编辑委员会，1984）。

此外，地铁列车引起的振动尽管是小幅的，但由于其具有长期的反复性，也会对建筑物的安全性和使用寿命造成影响。常见的破坏现象表现为：基础和墙壁的龟裂、墙皮剥落、石块滑动、地基变形和下沉等，重者可使建筑物倒塌。这在古建筑保护问题上尤其值得研究。例如，在捷克曾发生因交通振动导致古教堂倒塌的恶性事件。有预测认为，北京地铁四号线西直门至颐和园段可能对附近文化和科研机构产生振动和噪声影响；地铁8号线（市中心部分）可能对故宫等古建筑产生振动影响。

地铁列车振动还会对精密仪器产生影响。主要表现为：影响精密仪器仪表的测量精度和测量范围；对灵敏电器引起误操作，从而可能造成重大事故；使精密机床的加工精度下降，甚至损害精密机床的刀具和精密部件。如峰值速度为 25µm/s即可影响到一些敏感实验仪器的测量范围和精度，而0.01µm的振动就会对电子芯片的制造造成严重后果。

2 地下铁道振动控制措施

地铁运行产生的振动问题可以在地铁工程最初的规划、设计和施工阶段通过一些措施得到一定程度的控制。

2.1 规划阶段的控制措施

在最初的规划阶段，要把线路选择和城市规划结合起来考虑（彭胜群，2004）：①线路走向尽量与城市快速路、主干道或次干道重合；②合理控制地铁线路两侧拟建建筑物的建设距离；③在轨道交通规划布局中，应充分利用河流、高大建筑物等振动波的天然屏障，来阻隔振动的影响。

2.2 设计施工阶段的控制措施

在设计施工阶段，采取合理的隔振、减振措施，能有效减少地铁振动带来的问题。隔振是用一些弹性元件或其他措施隔断部分振波的传播；减振是在产生振源的设备或部件上加装阻尼结构或阻尼元件，或者增加设备或元件本身的阻尼来达到减振的目的。根据地铁振动的产生、传播和相关因素的分析，可以从以下三方面来考虑地铁振动的控制：

（1）振源减振控制

从振动源头减小振动是最直接的控制方法，根据地铁振动产生的机理和影响因素的分析，可以采取以下措施（潘昌实，1990；辜小安，2003；董霜等，2004）：①车辆轻型化。②车轮平滑化。通过采用弹性车轮、阻尼车轮和车轮踏面打磨等车轮平滑措施，可有效降低车辆振动强度。③采用重型钢轨和无缝线路。④采用盘式制动。⑤采用具有造价低、振动小、噪声低、能耗低、污染小、安全性能好等诸多优点的直流电机，是21世纪城市轨道交通发展的方向。⑥适当控制地铁列车运行速度。⑦采用适当的弹性扣件或轨道减振器。目前国内地铁通常采用的扣件型式主要有DTIII型—DTVII型（图5）、WJ2型和单趾弹簧扣件等，这些扣件主要用于一般减振要求的路段，大部分扣件可降低振动2—9dB；在减振要求较高的地段常采用轨道减振器。目前，轨道减振器常用的有科龙蛋减振器、改进型科龙蛋减振器、轨枕靴等新型减振器。其中，轨枕靴减振效果最优，可达19dB；其次为改进型科龙蛋，减振7—8dB；科龙蛋减振值为3—5dB。⑧选择合理的轨道结构类型，降低振源的激振强度。目前，除传统的有碴轨道结构以外，还有浮置板轨道结构和弹性短轨枕轨道结构（LVT，即索尼威尔低振动轨道）这两种减振型轨道结构。根据德国实测资料，浮置板式轨道结构减振效果可高达30dB，其缺点是造价较高。香港的西部铁路在不同路段分别采用了浮置板轨道结构和弹性短轨枕轨道结构，取得了很好的减振效果，使香港西铁成为世界最安静的轨道交通线路之一。国内的广州地铁1、2号线也都合理采用了这两种轨道结构。经实测该种道床相对于普通整体道床的加速度级减振效果约13—15dB，但对于f＜50Hz频率范围内的振幅降低不明显，因此对应于人体感觉敏感的振动频率（f＝1－80Hz），其计权振动级减振效果较低。该结果与国外的测量结论相符（Kurzwell，1979）。

图5 不同扣件减振效果（v=60km/h）Fig. 5 Damping effect of different fastener (v=60km/h)

（2）振动传播途径控制

通过对振动传播途径及其影响因素的分析，采取一些隔振或其他措施，可使得振动的影响降低（张艳平等，2000；田春芝，2000；董霜等，2004）。①在钢轨与轨枕之间加隔振材料。主要有橡胶隔振垫板和浮置板隔振系统。橡胶隔振垫构造简单，施工方便，隔振效果较小，比一般道床结构可增加传递损失4dB左右；浮置板隔振系统是一种质量-弹簧隔振系统，既可用于有道碴轨道，也可用于无道碴轨道，减振效果最好，缺点是造价较高。②增加隧道埋深，增加隧道壁厚，根据实际情况选取合适的隧道结构。隧道埋深越大，振动影响越小，隧道厚度对隧道振动有十分明显的影响，材料相同，隧道厚度加大一倍，隧道壁振动可降低5—8dB。③对于有道碴轨道，增加道碴厚度，在道碴床和隧道之间铺设整体橡胶道碴垫。铺设橡胶道碴垫，可降低隧道壁振动10—20dB，但钢轨变形增大。④用屏障隔振。屏障隔振是一种常见的工程方法，用来阻碍或改变外围振动波向屏蔽区的传播，从而减小屏蔽区的地面、结构振动。采用隔振沟、消振壁、缓冲带和围栏桩，均可以降低地铁振动向地基的传递。其中隔振沟是较好的方式，只要沟的深度足够，它可以切断振动波的传播，取得理想的隔振效果。

3 结论与建议

（1）在地铁振动产生机理上，地铁振动源的主要影响因素对振动源的影响，都是通过实测和有限元等数值解法得出的结论，各参量之间的关系如何，目前尚无成熟的精确表达式，缺乏一定的系统性和深入性。

（2）我国地铁振动源可将隧道视为整体振源，其频谱特性以f=80-1000Hz的频率为主，不同隧道结构及地质条件，其隧道壁处的振动值不同。当隧道埋深为 9—16m，列车运行速度为60km/h情况下，我国地铁隧道壁处的垂向Z振级为75—110dB。

（3）不同地质条件对环境振动传播特性影响较大。当地铁列车在区间以时速v=50-70km/h运行时，距离隧道中心线10—50m范围内，可达到《城市区域环境振动标准（GB10070-1988）》（国家技术监督局，1988）中对居住区域标准限值的要求。

（4）我国地铁现有的振动控制措施主要采用弹性扣件、轨道减振器、浮置板道床等措施。其中，浮置板道床减振效果最佳，其次为轨道减振器，各种弹性扣件减振效果也可达2—9dB。

（5）在振动的控制措施上，目前频率高于 20Hz的振动控制措施已趋于成熟，但低频振动仍然是一个尚未解决的问题。随着材料的不断发展，新型的减振降噪措施不断出现，但它们主要集中在轨道结构减振和建筑物结构隔振方面，在隧道结构等方面的研究还比较少。

（6）列车运行时对隧道附近建筑物和人体所产生的影响，有的取决于振动的振幅值，有的取决于振动加速度，如何较准确的评价列车所引起的振动参数，制定出较准确的振动与噪声控制标准，是城市环境标准方面亟待解决的问题。

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The Study on the Vibration of Metro and its Control Measures

Guan Xinying1,2)and Liu Chao3)
1) Beijing No.3 Construction Engineering Co., Ltd., Beijing 100044, China
2) Beijing University of Technology, Beijing 100022, China
3) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China

The metro industry has been extensively developed in recent 150 years. It has been more rapid developed especially in our country in the past 20 years. As metro system bring us convenience for transportation of city residents, it also produces negative effects such as vibration and noise it inducing. This paper classifies the vibration source and propagation of the metro into three stages, vibration generation, vibration transmission and vibration effects. The transmission characteristics is related to the local oscillator frequency, vibration source and the orbital distance, vibration frequency, and the train speed, tunnel depth, geological conditions, and the building structure. Variety of vibration transmission factors include soil type, rail type, track type, building quality, type,building materials. The damage from metro vibration is various, for example, noise disturbance to people's daily lives, vibration to building security and life impact, affecting measurement precision to the instruments. The paper proposes vibration control measures to reduce the damage in planning, design, and construction phase respectivelly.

Metro; Vibration; Propagation; Control measures

关歆莹，刘超，2011. 地下铁道的振动及其控制措施的研究. 震灾防御技术，6（1）：77—84.

“低功耗通用数据采集器实用化研究”基本科研业务

2010-10-09

关歆莹，女，生于1982年。在读硕士研究生。主要从事建筑工程灾害预防方面的研究。E-mail: guanxinying@163.com