城市轨道交通环境振动影响与减振措施选用

姜佑明

(中铁二十五局集团有限公司工程管理部，广东 广州 511400)

0 引 言

城市轨道交通作为一种高效的交通组织形式，在满足城市居民出行需求，降低对路面交通干扰方面具有重要的作用。但是由于城市轨道交通车辆与轨道间的相互作用，在列车运行的同时会产生一定程度的振动，这种振动会进一步导致轨道周边环境以及地上建筑物内部产生二次结构噪声，由于一旦某条线路建成，则这种对建筑自身的安全以及其中的人员的影响将是长期的。

在城市轨道交通振动研究方面，可以根据振动传递的路径将研究对象分为三个方面，分别是振源、传递路径和影响对象。在作为源头的轮轨系统而言，已有大量的关于车辆动力学模型[1]、轨道动力学模型[2～3]、激励模型[4]以及轮轨接触力学[5]方面的研究。在传递路径，因为轨道通常以隧道内地下线、地面面上线、桥梁高架线三种方式存在，这也决定了轨道外的振动传递路径和环境。对于高架线，轮轨系统的振动通过扣件传递到道床，再通过墩柱传递到基础上，最后通过土体向周围的环境进行传播。而非高架线，则道床中的振动将直接通过土体传播到周围的环境中。针对这些振动传递路径，部分学者研究了多种措施[6]对这些路径进行阻隔，减少其向外界环境传递的能量。针对某些需要特殊进行减振保护的对象，学者们根据对象的特点，结合其周围城市轨道交通振动环境的实际情况进行了大量工作，对于对象的保护起到了良好的效果。

在2022年6月，《中华人民共和国噪声污染防治法》颁布实施，其中第六章对交通运输噪声污染防治进行了规定。这也表明，城市轨道交通的运行对于周边环境的影响必须作为噪声污染防治的对象予以考虑。

1 环境振动影响

随着城市建设规模的增大，部分城市的城市轨道交通线网的建设密度越来越密集，这也导致受到影响的区域涉及住宅区、商业区和工业区，且线路与各种建筑、设施的距离也越来越近。这种接近的背后也意味着越来越多的人员将在线路周围生活、工作。由于城市轨道交通运营的长久性，其造成的振动对于人的影响也是一个不可忽略的问题。见图1。

图1 轨道交通对环境振动的影响[1]

2 振动对邻近建筑的影响

由于城市轨道交通是作为城市公共交通的一种重要解决方案，在线路的规划上一般分布于人口密集或客流集中的区域。轨道交通由于其自身特点，通常是沿着主干道进行建设，特别是地铁。这种建设方式可以避免隧道等地下构筑物与周围建筑物桩基等的相互干扰，减小工程施工对周围建筑物的影响，也可减少自身施工的复杂程度。

由于城市轨道交通这种沿路而建的特点，在线路的周围存在大量的建筑物。而这些建筑物的桩基与线路之间的直线距离一般较近，仅约数10 m。在车辆运行的过程中，轮轨系统产生的振动，由钢轨通过扣件、道床等向周围的土体环境中进行传播，最后通过建筑的桩基传递到建筑物中[7]。

虽然城市轨道交通所产生的能量相较于地震造成的瞬时影响要小很多，但是其长期、反复发生，对于隧道及建筑物的结构而言，这种作用易造成疲劳损坏[8～10]。这种作用严重时会导致局部失稳、沉降和开裂等问题。

建筑物受到的振动影响不仅与城市轨道交通中的列车轮轨系统的振动强度有关，也因其自身结构特点而异，比如，构造形式、桩基类型、建筑高度和与线路的距离等。

一般而言，列车运行速度越快，通常其周围建筑内的振动也就越大[11]。对于中低层的建筑则是楼层越高振动越大；而对于高大钢筋混凝土建筑，由于其固有频率远低于激振频率，其自身难以发生较大振动，减振量可达10～20 dB。而对于普通的砖混结构的建筑而言，减振量会有所减小。对于一些基础较差的建筑，其自身的振动量可能与土壤中的振动量相当，即无减振效果。

建筑物与隧道之间的距离决定了振动所要传播的远近，一般距离越远则受到的振动影响越小。

3 对人体产生的影响

振动如同常见的噪声污染和水污染一样，是评估环境质量的一项重要指标。相继也颁布了《中华人民共和国噪声污染防治法》、《城市区域环境振动标准》和《环境噪声与振动控制工程技术导则》等法律法规。

振动对于人体产生的影响可反映在泌尿系、消化、神经和运动等系统[12]。而且每个人因为个体的差异，对于振动的承受能力也不尽相同[13～14]。

振动作为一种机械作用，其对人体的影响由振动频率、振动强度和人体暴露的时间三个因素决定。而在上述三种因素中，频率起着主要作用。人仅能够感知到1～1 000 Hz的振动，但是由于人体各个组织的共振频率的原因，人对1～80 Hz的振动尤为敏感[15]。而当振动频率不变时，振动强度越大，对人体的影响越大。除振动频率和振动强度外，人体暴露在振动环境中的时间对人体也有明显的影响。所以对于经常工作于振动环境下的人群，为保护其身心健康，对于不同振动强度环境下的工作时间有相应的规定。

4 对仪器设备的影响

不同的仪器设备都有着自身的使用环境要求。对于一些精密仪器而言，振动是影响其精度的一种重要影响因素。

随着我国城市轨道交通的快速发展和大量精密设备仪器的广泛使用，城市轨道交通线路穿过设备仪器场所在的区域是十分常见的。

由于各类仪器设备对与所处环境的振动状况均具有一个限值，若因列车运行引起的振动超过这一上限，必然会导致其所测量的数据不准确、不稳定，影响到仪器的正常使用。如这种振动过于强烈，甚至可对仪器结构产生损坏，使其可用寿命大幅缩短[16～19]。

4.1 振动控制措施

在《地铁设计规范》[20](征求意见稿)中，曾建议按照Z振级减振量的大小将减振要求划分为：初级(≤5 dB)、中级(5～10 dB)、高级(10～15 dB)和特殊减振(≥15 dB)四种等级。虽然在后续的正式发布的《地铁设计规范》中未再明确提出减振量的范围，但在地铁设计实践中，基本上仍以上述减振量范围作为减振轨道选择的依据。

为减轻列车运行所产生的振动对环境的干扰，不同的减振路段需要根据其减振要求，结合其线路周围环境的特点，采取不同的措施进行综合考量。而线路振动的控制措施，从结构上，按照从上到下的顺序可以分为振动源治理、扣件系统减振和道床系统减振三种措施。

4.2 振动源治理

在振动源治理方面，很多的研究关注在轮轨之间的相互作用方面，比如波磨等。基于这些研究成果，对于线路的设计也提出了一些好的建议，比如采用无缝线路，保证了轮轨相互作用的平顺性，减少了相互冲击带来的振动。另外比如在小曲线路段钢轨工作边涂抹油脂，定期对钢轨廓形修整，对车轮型面镟削等。

4.3 扣件系统减振

扣件作为将钢轨固定在轨枕上的部件，其自身具有一定的刚度，其对钢轨的作用属于一种弹性限制。根据振动力学的知识，通过选择不同刚度和阻尼的扣件系统，结合线路的行车特点，车辆运行过程中所产生的振动即可得到一定程度的隔离，降低其对外界的影响。根据现有的研究成果可知，利用扣件系统实现减振，一般也只可达到中等减振的要求，即减振量在5～10 dB之间。

4.4 道床系统减振

相比于直接对道床板进行支撑的轨道结构型式，在扣件系统中，实质上是仅对钢轨及车辆进行了弹性支撑，其弹性支撑上部的总质量较小，自身固有频率较高，所以根据隔振原理，其隔振量不如道床系统减振措施大。特别是对于高级钢弹簧浮置板道床系统，其固有频率在10 Hz左右，减振量在15 dB以上。

钢弹簧浮置板道床系统是将利用内置的钢弹簧隔振器将道床、钢轨一起支撑起来，使之呈悬浮状态，见图2。其铺设与更换技术均已成熟，在国内城市轨道交通中得到了广泛的应用。

图2 钢弹簧浮置板道床系统

针对现有的一些减振措施，按照减振等级进行了分类，如表1所示。根据表1中不同措施所对应的减振量，可为线路设计提供参考。

表1 减振等级与措施

5 结 论

轨道交通的振动问题所涉及的原因多种多样，在进行源头控制上难度极大。现有的控制方式以减少车辆-线路-轨道的相互作用产生的振动源的控制与阻隔线路上所产生的振动向外界环境进行传播的路径为主。

通过长期的研究与实践，在城市轨道交通振动控制领域，特别是轨道系统的振动控制方面，已经有大量的措施可以应用。在进行线路设计时可根据不同地段的减振需要，同时考虑经济性进行选用。