地铁振动及其控制的研究论文
摘 要 介绍国内外地铁振动及其控制的研究现状,系统阐述地铁振动产生的机理、地铁振动的传播和目前的振动控制措施,并提出需要解决的几个问题。
关键词 振动控制 地铁 结构 振动
地下铁道是城市现代化的一种重要交通工具,由于具有不占用地面空间、运量大、速度快、准时、方便等优点,已经成为解决城市交通拥挤和减少噪声大气污染的一种有效手段。但与此同时,地铁列车运行时引起的振动和噪声也是世界各国地铁普遍存在的一个值得重视的问题。在国际上,振动已被列为七大环境公害之一[1]。
地铁列车高速运行是地铁振动的主要发生源,不仅直接影响到列车内驾乘人员的舒适及健康,也使地铁沿线地面建筑物发生受迫振动。由于地铁线路大都从建筑物及人群密集的城市中心地段穿过,地铁振动对环境和周边建筑物内居民的生活和工作都会产生一定的影响。北京地铁西单站附近的居民,就曾经因地铁造成的振动和结构噪声问题进行过投诉。
铁道部劳动卫生所通过对我国几个典型城市的铁路环境振动的现场实测,考察了铁路沿线居民区受列车运行引起的环境振动污染现状,测试结果表明,离轨道中心线30m之内的振级大部分接近80dB[2]。这超出了《城市区域环境振动标准》(GB10070—88)规定的城市“混合区”昼间75dB及夜间72dB的要求。这样高的振级将极大地影响地铁沿线居民的日常生活及身心健康。因此,研究地铁振动污染规律及其控制方法就具有非常重要的意义。本文主要阐述目前地铁振动理论及其控制措施的研究现状。
1、国内外研究概况
事实上,自地铁开始运行以来,地铁对环境的振动影响就已经引起人们的关注。1977年,Rucker对柏林地铁双线区间隧道列车振动进行过试验研究,1979年Dawn和Stanworth研究了铁路运行所产生的地面振动,1982年英国伦敦运输科学顾问室进行了地铁区间隧道振动试验。由此,人们开始展开了对振动的污染规律、产生原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等的研究。
瑞士联邦铁路和国际铁路联盟(UIC)实验研究所(ORE)共同执行了一项计划,以A.Zach和G.Rutishauser为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度特征,从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径。
美国G.P.Wilson等针对铁路车辆引起的噪声和振动,提出了通过改善道床结构形式(采用浮板式道床)和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法,降低地铁车辆引起的噪声和振动的建议。
德国的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,来预测市区铁路线附近建筑物地面振动水平,并通过不同测点数据的传递函数分析研究了振动波的传播规律。
F.E.Richart和R.D.Woods等则针对隔振沟和板桩墙等隔振措施进行了实验研究。
在我国,这方面的工作开展得较晚,但随着地铁运输系统的迅猛发展,对地铁振动的研究日益成为一个热门问题。中外学者通过数十年的实际测试和理论分析,在地铁振动的产生机理、传播规律以及控制方法上都取得了一定成果。
2、地铁振动产生机理
2.1 产生机理
地铁列车高速行进是地铁振动的主要发生源,具体来源于列车的轮轨系统和动力系统,其表现为[2,3]:
(1)列车行驶时,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;
(2)地铁车辆运行时,众多车轮与钢轨同时发生作用所产生的作用力,造成车辆与钢轨结构(包括钢轨、构件、道床等)上的振动(实测表明振源处振级可达103dB);
(3)车轮滚过钢轨接缝处时,轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动;
(4)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;
(5)车轮的偏心等周期性激励导致的振动。
2.2 影响因素
地铁列车运行时影响振动源的因素涉及到车辆、轨道、道床、隧道、地质条件等方面,具体因素见表1[3]。
文献[4]认为,严格意义上,上述各参量的关系为函数关系,但目前尚无成熟的精确表达式。上述主要参数中以列车速度、车辆重量、轮轨条件、隧道基础、结构类型及是否使用隔振措施等因素对地铁振动源特性影响较大,其主要表现为[3,4,5]:
(1) 在一定运行速度范围内,地铁隧道振动振级随列车运行速度的增加而增加,大体上速度每增大1倍,振动振级增加约6dB;
(2) 轮轨表面不规则,将使振级增加5～10dB,车轮不圆整将使振级增加10～22dB;
(3) 国外有关不同隧道结构修正值的研究结论见表2。在相同地质条件下,当隧道材料相同时,结构厚度增大1倍,墙壁振动可降低5～18dB,而混凝土单洞隧道振动低于铸铁或铸钢单洞隧道壁振动;三洞隧道结构振动低于双洞隧道结构振动,站台结构振动最低。
3、地铁振动的传播
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。在振动的传播特性上,主要有以下结论[2,4,6,7]:
(1)地铁列车运行时,在振动振源的频率分布上,以人体反应比较敏感的低频为主,其中50～60Hz的振动强度较大;
(2)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。具体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,在建筑物方面,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。
4、地铁振动控制措施
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。
4.1规划阶段的控制措施
在最初的规划阶段,文献[5]认为,要把线路选择和城市规划结合起来考虑。
(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,应充分利用振动波的天然屏障,如河流、高大建筑物等,来阻隔振动的影响。
4.2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,可以从振源减振控制、振动传播途径控制、受保护建筑物控制三方面来考虑地铁振动的控制。
4.2.1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,可以采取以下具体措施[3～6,9]。
(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)采用直线电机。直线电机具有造价低、振动小、噪声低、能耗低、污染小、安全性能好等诸多优点,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DTI型～DTⅦ型、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号线、2号线也都合理采用了这两种轨道结构,达到了预期的效果。但是,这两种轨道结构的造价相对较高。
4.2.2 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[2,3,6,8,10]。
(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,不足之处是隔振效果较小,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,隧道壁振动降低5～8dB,隧道结构对振动的影响前面已有论述,不再重复。
(3)对于有碴轨道,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。
4.2.3 受保护建筑物控制
由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基础、结构形式以及与地铁线的距离有关。目前,关于建筑结构方面的控制措施研究较少,主要有以下几个结论或建议[2,3,8]。
(1)地基弹性很大程度上影响着建筑物对振动的感应程度,地基的刚性越强,建筑物内振动响应越低。因此,地铁振动影响范围内的建筑物要做好基础的加固。
(2)建筑物振动与建筑结构有关,对于轻型结构框架或基础,振动衰减为零;对于重型结构框架或基础,振动衰减为(15±5)dB;对于重型结构建筑物楼层增加,振动减少,每层减少1～4dB,轻体结构振动不随楼高的增加而减少。
(3)通过调整房屋结构体系的刚度,改变结构自振频率,避免主振源与房屋结构之间由于低频耦合作用产生的共振现象。
(4)可以采用在建筑结构上安装控制装置的办法,达到减小地铁振动引起的建筑结构振动反应的目的。
5、有待研究的问题
虽然关于地铁运行引起的振动这一课题国内外学者都做了不少的研究工作,但仍然有不少需要解决的问题。如:
(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。
(2)目前由于时间及空间的限制,在研究地铁列车振动的影响问题时,一般都将这个三维空间问题简化为二维平面问题,这就无法确定结论的准确性。
(3)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。近年来多伦多、旧金山、费城等城市的城市轨道交通的研究表明,车辆转向架的设计(主要是低刚度悬挂系统和弹性车轮)对于低频振动影响较大,值得进一步研究。
(4)地铁振动对地面建筑物的影响及其建筑物响应的控制问题的研究将会有重要的工程意义和社会意义。
参考文献
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