城市轨道交通环境振动影响研究综述*

陈建琪 孙 勇**， 王 晖 张晓敏 杨 楠

（1.山东农业大学水利土木工程学院，泰安271018；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，济南250100）

1 引言

城市轨道交通是世界公认的绿色交通，在生态城市建设与缓解城市病方面发挥了巨大作用，近年来因其运量大、速度快、安全舒适、节能环保等优点而发展迅猛。截至2017年第三季度，我国已有29个城市的118条城市轨道线路投入运营，总里程达3862 km［1］。现阶段，有41个城市193条线路（含续建段）正在紧张建设中，总里程超过4700 km。随城市轨道交通网的加密，其带来的环境振动影响越来越大。以北京市区为例，在行车高峰时段，行车道100 m以内区域的环境振动水平短期内提高了 20 dB［2］。

城市轨道交通环境振动由运行车辆对轨道冲击产生，是通过结构（路基、高架桥梁墩台及其基础、隧道基础和衬砌）传播至地表环境、与车辆运行状态相关的持续性小幅振动，会对周围建筑结构及建筑物内的人体、精密仪器、设备产生不利影响。上世纪60年代，地下铁道建设步入发展高潮期，人们开始对城市轨道交通环境振动问题展开系统研究。现今，为保证城市轨道交通健康、可持续性发展，诸多学者围绕城市轨道交通环境振动问题开展大量研究，但与之相关的综述性文章少且缺乏系统性。本文分别从振动产生机理与振源特性、振动传播规律、环境振动影响三个方面总结了近年来国内外学者在该领域的研究成果，并结合目前研究中存在的问题，为该领域今后需进一步研究的问题提出建议。

2 城市轨道交通环境振动问题研究概述

2.1 城市轨道交通环境振动的产生机理与振源特性

城市轨道交通是一种振动源，其引发振动的根源在于轮轨相互作用。自1991年起，翟婉明［3］围绕车辆-轨道耦合动力学领域开展大量基础研究工作，分析了轨道波磨、擦伤车轮等轮轨激扰所致的冲击振动在行车条件下的形态特征。杨宜谦［4］总结了国内外学者在地铁和铁路环境振动源方面的研究成果，将轨道交通产生环境振动的主要机理归纳为如下六种：准静态、参数激励、钢轨不连续、轮轨粗糙度、波速、横向激励。其中，轮轨粗糙度机理对环境振动的贡献率最大。随着铁路提速、高速铁路迅猛发展，列车速度可能达到或超过地层中的瑞雷波速、剪切波速或在轨道中传播的弯曲波的最小相速度，由此而产生很大的轨道振动和地面振动［5］。行车速度提高导致轮轨磨损加重，轨道减振措施的大量使用导致轨道刚度平顺性降低，进而成为车体对轨道产生冲击作用的重要影响因素。较平滑轨道而言，轨道不平顺引发的振动明显增加，且传播距离更远；轨面高低错牙接头对铁路振动贡献最大，轮轨擦伤的贡献率相对要小得多［6］。在分析振源特性时，若只考虑准静态列车荷载和离散轨枕作用率而忽略了轨道、车轮不平顺等因素，会使得计算结果与实测值相比，高频振动偏大、中频振动偏小［7］。

列车通过桥梁段时，对桥梁的冲击通过桥墩传递给地基，每个桥墩可视为一个点荷载源，桥梁段的荷载源可视为由一系列桥墩点荷载排列而成的点列式荷载，是一种处于点荷载和线荷载之间的荷载形式：当相邻点荷载之间的距离足够大时，可将点列式荷载看作多个相互独立的点荷载；当间距为0时，点列式荷载就成为了线荷载［8］。在已开通运营的城市轨道交通线路中，地下线比重相当大，约占线路总长度的70%［9］，其振源形式可以看作埋藏在土层中的线振源。较传统的地上线路结构而言，地下交通可直接穿过建筑物下方，通过地层与建筑物相连，振动能量完全通过土介质逸散，且在传播过程中局部出现振动反弹增大区，可能产生更大的振动干扰。特别是浅埋式地下交通，其与建筑物之间的距离更近，对沿线场地及结构物造成的振动响应更大。Lopes［10］、汪益敏［11］等的研究表明：地铁引起的地面振动响应频带宽度为10～120Hz，受行车速度、轨道垫层刚度等影响，峰值出现在25～70Hz范围，振级在60～90dB范围。与高架桥段［12］相比，地下交通振源影响频带更宽、传播更远，距轨道相同距离处，振动量级高出2～4dB。

振源特性主要通过现场测试或模拟计算获得。Heckl［13］、Auersch［14］等实测了列车振动，利用频谱分析法对测试信号进行分解并统计，模拟和讨论了振源静态和动态成分以及高、中、低频率成分。潘昌实和谢正光［15］、李德武［16］、张玉娥［17］等现场测试得到轨道振动加速度波形，利用频谱分析法得到轨道振动加速度的数学表达式，根据机车振动模型建立运用方程，推导出列车振动荷载。雷晓燕［18］、刘维宁［19］、夏禾［20］等建立车辆 -轨道耦合模型，计算获得模型中列车荷载激励力并进行轨道交通环境振动的相关研究。现今，在高速铁路振动问题研究中，越来越多地考虑轨道不平顺影响，依靠线路轨检测得轨道不平顺的统计特征数据，将数据输入到车辆-轨道耦合模型，通过设定特定型号列车以不同时速运行，计算出特定工况下的激励荷载。

2.2 城市轨道交通环境振动的传播规律

当列车高速通过时，地基土的动应变一般为10-5m或更小［21］，土颗粒之间的连接没有遭到破坏，列车振动在土层中以弹性波为主要形式传播。轨道交通所致环境振动通过土介质传递能量是P、S波和Rayleigh波三者组合，这三种波能在激励荷载作用下在远场的主要分配为：Rayleigh波67%、S波26%、P波7%［22］。不同频率的波传播规律不同，振源频率越高，衰减越快。在频率曲线上，距离轨道较近时以高频成分为主，随着距离的增加，高频成分逐渐被抑制，主频向低频转移，地面振动幅值也随之衰减。闫维明等［23］研究表明，垂直于地铁线路的水平向振动最大，而顺地铁方向和竖向均比垂直振动小10 dB，频率在16 Hz以下，高频波衰减很快，而低频波在100～200 m处都可检测到。而在岩石等坚硬地层中，高频波衰减慢，传播距离更远，更容易通过刚度较大的建筑基础传播至沿线建筑，造成更大的振动干扰。曹艳梅等［24］研究表明：振动在硬性地基土中传播时衰减波动性更强，局部振动放大更明显，且传播距离更远，在距轨道中心线100 m处的振动量级达70 dB。

振动在传播过程中因受“几何阻尼”和“材料阻尼”作用随着传播距离增大而衰减，但衰减不是单调的，受场地土的力学性能、地质条件等因素影响，存在振动放大区。对该现象存在如下两种解释：一种观点认为，列车振动的振源频率与该处土层固有频率相近，因发生共振导致振动在该处被放大；另一种观点认为，振动放大区附近存在下卧基岩，振动波在下卧基岩面与地表面之间多次反射，在地表形成振动放大区，其位置、振动放大程度与列车荷载的大小、运行速度及场地条件等因素有关。

列车所致环境振动预测模型分为经验预测模型、解析预测模型和数值预测模型三种。经验预测模型相比于其他两种模型具有公式简单、计算方便等优点，得到广泛应用。常用的经验预测模型是Bornitz模型，它考虑了几何扩散和材料衰减，能够较好地反映环境振动衰减规律。振动传播衰减不仅受场地条件影响，还与振动频率密切相关，而一些预测公式［25，26］和《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见》中推荐的预测方法未考虑频率因素的影响。对此，张光明等［8］通过对成灌快速铁路环境振动预测研究，提出了一种精度更好的常用预测方法-分频段预测方法。随着计算机仿真技术的发展，数值模型计算精度日益提高。陈建国等［27］建立车-桥和墩-土两个子系统模型，通过改变模型中单个参数研究了桥梁跨度、列车速度、车辆轴重、支座刚度、土的剪切波速、桥梁单位质量、桥墩基础埋深等因素对环境的振动影响，并通过线性回归得到比较理想的振动传播衰减预测公式。Kuo［28］利用现场实测与数值方法相结合的混合模型预测铁路沿线环境振动量值，提高预测精度。Paneiro等［29］综合考虑轨道类型、地质条件、建筑类型、列车速度和距离等因素，基于多元线性回归的统计研究，提出里斯本地区地下铁路交通振源作用下的地面振动预测模型。虚拟仪器、物联网、云计算、大数据的发展，为城市轨道交通沿线场地振动数据采集、处理与分析提供技术支持，将推动环境振动预测向着可视化发展。

2.3 城市轨道交通环境振动产生的影响

1）环境振动对人的影响

人体最敏感的频率范围为竖向振动4～8 Hz、水平向振动1～2 Hz，刚能感觉到的竖向振动为10-3m/s2（对应60 dB），不可忍耐的加速度大小为 0.5 m/s2（对应 114 dB）［30-32］。当竖向加速度振级小于65 dB时，对睡眠基本无影响；振级为65 dB时，70%浅睡眠状态的人觉醒，振级为74 dB时，中度睡眠的人全部觉醒，当振动达79 dB时，50%的熟睡中的人觉醒［33］。已有实测研究中［18，34，35］，城市轨道交通附近建筑物内的环境振动处在65～80 dB范围，短期内不会对人体健康造成影响，但会影响甚至降低人的生活与工作质量。除此之外，振动还会对视觉产生影响，妨碍集中精力，降低仪表读数精度和阅读速度，给人的工作与生活带来困扰。美［36］、日［37］、英［38］等国结合本国实情，通过测试调查，开展轨道交通环境振动与噪声对人体影响的基础研究，得到适用于本国人体质的暴露-响应关系曲线。我国鲜有类似基础性研究，仅于2012年在大连开展过道路-轨道组合交通噪声污染对城市居民影响的调查研究［39］。

2）环境振动对建筑物的影响

城市轨道交通环境振动的振幅与能量较小，一般不会对建筑结构造成影响，但会破坏建筑内饰，如墙皮剥落。对于一些脆性材料建成的古建筑、砌体结构而言，环境振动易造成石材间灰泥开裂，影响灰缝的粘结。捷克的一些砖石结构古建筑因交通环境振动而产生裂缝，我国西安大雁塔、古城墙、杭州六和塔、洛阳龙门石窟等诸多历史遗迹因受振动影响而产生不同程度破坏。现今，建筑业高速发展，长大高柔结构不断涌现，城市轨道交通造成的周边场地环境振动频率在80Hz以下，易激励起建筑物基频处振动。楼房地面振动响应随着楼层增高存在振动放大或反弹增大现象，将对建筑物的室内环境产生更大影响［40-42］。

3）环境振动对精密仪器的影响

随着半导体、光电、航空航天、汽车、医疗及通信等行业迅猛发展，高精密仪器、设备的应用在社会发展、科技进步中扮演着越来越重要的角色，精密加工设备相关的各项技术日趋成熟，其精度也逐渐接近到纳米级水平，环境振动成为影响超精密加工精度的一个重要因素［43］。地铁、高铁线路大规模修建不可避免地经过工业园区、医院、科研院所、精密仪器实验室等振动敏感区域，可能降低生产设备加工精度和使用寿命，增加设备工作磨损和工业事故发生率；造成精密仪器仪表损毁或精度下降，产生错误的试验数据。借鉴IEST（美国环境科学与技术协会）发布的推荐实施规程《洁净室设计注意事项》［44］，马蒙等［45］研究指出当地铁列车行车时速大于60 km时，应采取高级别减振以保证精密仪器正常工作；刘卫丰等［46］预测了北京地铁8号线开通后对科研楼内仪器的影响，发现地铁振动叠加道路交通振动后，楼内30～100 Hz的振动超出仪器限值，采用浮置板轨道减振后，仍会有部分测点存在10 Hz的振动超限；孙晓静等［47］研究预测北京地铁16号线的振动影响，指出钢弹簧浮置板能有效降低10～20 Hz范围振动，减振后，北大新建实验楼外预测点处10Hz以下的振动仅满足VC-C限值。

3 对城市轨道交通环境振动研究的建议

通过对城市轨道交通环境振动的产生机理与振源特性、传播规律、振动影响三方面的研究综述可以看出，城市轨道交通环境振动问题是一个涉及诸多因素、跨越多个领域的课题。我国城市轨道交通起步晚、发展迅猛，研究工作始于上世纪80年代，基础性研究相对落后，在一定程度上限制了城市轨道交通健康平稳地发展。尽管目前国内学者在该领域开展了大量研究并取得一定学术成果，但这些研究系统性不强，数值计算与现场测试联系不紧密。针对上述问题，提出如下建议：

1）注重多种研究手段相结合。理论计算具有普遍性与通用性，对实际工程具有指导意义，但也存在模型过度简化、公式推导繁琐、计算量大等不足。现场实测兼顾列车载重和运行速度、线路形式、地基结构、地质条件、受振体结构等因素影响，能够获取真实准确的振动数据，但测试结果因工况而异，只能针对具体工程，且测试成本高、工作量大、测试易受现场条件制约。随有限单元法理论成熟与计算机硬件、软件发展，基于数值分析理论建立的预测分析模型研究越来越成熟，既能实现多因素耦合，又能避免复杂的人工计算，且节约成本，但也存在模型简化与计算假定带来的计算误差。数值计算方法从经典数学分析方法发展到有限元和边界元耦合方法，数值计算模型由2D、2.5D向着更加复杂、接近实际的3D模型发展［48］。目前，多数学者由纯数值手段研究转变为数值与实测相结合，同时应当注重与理论计算相结合，实现各研究方法优势互补。

2）统一振动测量标准，完善评价体系。目前的环境振动测试与评价标准仍然沿用1988年编制的《城市区域环境振动标准》、《城市区域环境振动测量方法》。在环境振动对精密仪器设备的影响方面，大量实验室（如新建实验室、光学平台等）对环境振动的现场测试工作量呈逐年上升趋势，但测试的方法无统一的技术标准可依，各测量单位测试结果呈现形式千差万别，无可比性；对人体影响的评价标准制定较早，但在适用于国人体质的人体暴露-响应关系方面缺乏基础性研究，难以满足新时代人们对良好生活环境的需求。尽管目前已有多部轨道交通环境振动影响评价标准［49-52］，但各标准限值之间的振动量描述指标不统一，且描述方式仍以列车通过时的最大Z振级为主［2］。鉴于水平向振动随楼层增高存在放大现象，且轨道转弯处的水平向振动可能超过竖向，测量与评价标准中同时应关注水平向振动。

3）注重综合减振研究。环境振动减振隔振措施主要包括轨道减振、传播路径屏障隔振和受振体减振。由于受振体减振需要结合被保护对象的动力性能、抗微振能力进行具体分析，当前对前两种减振方式的研究较多。而不论是浮置板、减振垫层的轨道减振研究［53，54］，还是空沟、空井、填充沟、排桩、混凝土连续墙、波阻板等传播路径屏障隔振研究［55-57］，仅仅针对某一种减振措施，减振效果有限，实际工程中通常考虑采用综合减振。因此，今后的减振研究应注重对多种减振隔振的组合布置研究，寻找最优的减振隔振组合与最佳布置方式。

4）实现城市轨道交通环境振动预测的可视化。随着计算机、振动电测技术的进步，虚拟仪器概念的提出，采用虚拟仪器技术实现对城市轨道交通所致环境振动信号的测试与分析成为必然趋势。与此同时，随着人工智能、物联网、云计算与大数据时代的到来，振动测试仪器将向虚拟化、网络化、智能化方向发展，全国诸多高校致力于虚拟仪器技术研究、振动实时监测与分析系统的研发［58，59］，有望通过城市轨道交通环境振动实时监测实现环境振动预测的可视化。