第29期2019年10月江苏科技信息
JiangsuScience&TechnologyInformationNo.29October，2019城市轨道交通对周边建筑物的振动影响与控制对策
吴赞阳
（无锡地铁集团有限公司，江苏无锡214024）
摘要：研究城市轨道交通对周边建筑物的振动影响并采取相应的控制对策降低其危害，对于推动整个
社会经济发展，减小城市轨道交通系统对环境的负面影响有重要意义。文章以无锡地铁1号线为例，就城市轨道交通对周边建筑物振动影响做简要研究，并探讨相应的减振措施。关键词：轨道交通；振动影响；减振措施中图分类号：U2文献标志码：A0
引言
最近几十年，随着我国交通事业迅速发展，以城市轨道交通为主的各类交通车辆运行振动所带来的环境振动影响也越来越突出。相比于一般工地或工厂设备运行的振动影响，城市轨道交通环境振动对周围建筑物及其居民的影响已越来越受到人们广泛的关注［1］。
城市轨道交通环境振动，是一种影响频率范围在0~200Hz的持续性、小幅振动。这种振动是由一般城市轨道交通运载车辆（包括地铁、轻轨、火车和路面车辆等）与路面或轨道间的相互作用而产生，并经车辆、轨道下部结构和周围土体介质传播至地表环境，从而对沿线建筑物的平稳性产生影响。对于交通轨道沿线影响范围以内的建筑，这种振动会对建筑本身结构、建筑内部易受损保护性文物、振动敏感性设备及人或动物造成不利影响，并且交通环境振动可以诱发建筑结构的二次噪声，这种二次结构噪声对周边居民影响较大，会对城市交通轨道附近生活的居民身心健康造成伤害。
1轨道交通振动分析
轨道交通振动可分为3部分：振动源-轨道交通；振动传播介质-车轮与轨道支承结构及周围土体；振动受体-轨道交通沿线建筑物。
1.1轨道交通振动源的产生和影响因素1.1.1轨道交通振动源的产生
轨道交通振动是列车在轨道上移动造成的，其产生根本原因是轮轨的相互作用，即轨头与车轮表面之间的接触斑处的有限驱动点阻抗引起的振动［3］。钢轨头部的阻抗除受其本身轨道设计影响以外，还受轨道铺设周边的环境结构影响，例如隧道的仰拱会对钢轨的支承结构造成相应的扭曲，从而增大列车轮轨之间的摩擦力而产生振动。车轮表面的阻抗是由列车的总质量和载重决定，列车的载重越大，摩擦力越大，
相应产生的轨道交通振动强度越大，频率越高。
［2］
根据杨宜谦的研究，将轨道交通振动产生的主要机理归纳为以下5种。
（1）移动荷载机理：轨道、路基和地层在列车荷载过程中，会产生移动变形和弯曲波，这种波通过土壤介质传播出去，形成振动。
（2）参数激励机理：只针对等间距扣件处周期性支承的列车和钢轨，例如地铁。由于周期性支承的钢轨轨道处扣件的刚度不同，导致车轮对钢轨的动力呈周期性变化，形成动力波向外扩散，从而产生振动。
（3）钢轨不连续机理：由于列车轨道在交叉处有不同程度的高低差，导致列车车轮在通过这种突然且微小的高低处时，产生不连续冲击作用力，从而发生振动。
（4）轮轨粗糙机理：在制造加工、轨道铺设和后续运营使用中，列车车轮的粗糙度会随着使用时长而发生变化，这种粗糙度的变化会影响列车和钢轨之间的弹力变形，从而产生振动。轮轨粗糙度也是轨道交通振动产生的主要原因。
（5）波速机理：当列车运行速度接近或超过地下线剪切波速时，将会产生很大的轨道振动。1.1.2轨道交通振动源的影响因素
由上述轨道交通振动源的产生机理进行分析讨论，从城市轨道交通列车、钢轨、周围环境地质条件和沿线建筑物4个方面分析振动源产生的主要影响因素。
（1）城市轨道交通列车：列车的速度和质量都会对振动的产生造成影响，列车速度过快会加剧轮轨磨损，列车的负载量较大会导致轮轨间冲力增大，这些都会增大其振动强度。
（2）钢轨：钢轨对轨道交通振动源的影响主要是轨道紧固件间隙和刚度，这些因素均已在前期设计施工中完成。
（3）周围环境地质条件：隧道的埋深、尺寸及长
作者简介：吴赞阳（1981—），男，江苏无锡人，高级工程师，硕士；研究方向：轨道交通前期规划及设计。
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No.29October，2019度、土壤和岩石的类型均会对振动的产生造成不同程
度的影响。根据武学宾［3］的研究，隧道埋深越深，地铁振动影响越小。
（4）沿线建筑物：沿线建筑物的地基结构，建筑结构固有频率以及房间尺寸也会对振动的产生造成影响。1.2轨道交通振动的传播
轨道交通例如地铁，当地铁列车运行时由于轮轨间作用力产生了不同程度的振动，这种振动首先通过钢轨的下部构件传递至地铁隧道结构中，振动能量被进一步传递到隧道周边的岩石和土壤，周边土体作为一种介质，将从地铁隧道接收到的振动向周围传播，并且随着距离的增大，振动能量在传播的过程中逐渐衰减。由于振动是以波的形式向外传播，铅锤方向的振动波衰减速度小于水平方向的振动波衰减速度，因此地铁沿线周边建筑物受到的振动影响主要是竖直方向的影响。对于地面列车如轻轨和高架，其振动传播方式同地铁振动传播方式相同，由于振动传播更靠近地面，所以需要考虑水平波和垂直波的综合影响。
1.3轨道交通振动对周边建筑物的影响
轨道交通振动对周边建筑物的影响主要是：损害建筑物本身结构，对建筑物内部易损保护性文物造成损伤和振动引发的二次结构噪声对居民的身心健康影响。边金等［4］的研究表明：随着建筑物高度的增加，振动峰值并不会单纯地增大或减小，而是随着高度呈余弦函数变化，这种振动的频率主要分布在22~40Hz，一般不会对混凝土结构产生破坏，但振动引发的二次结构噪声可明显被居民感受到。建筑物的振动与自身振动特性相关，外界施加的振动作为可引发建筑物的振动，但振动依旧表现出建筑物本身的振动频率特性。
因此，改变建筑物结构的动力特性无法减轻列车运行带来的振动影响，只能通过建筑物外部隔振，改变振动源和传播路径来降低振动影响。2减振措施
根据上述轨道交通振动讨论分析结果，从振动产生、传播方面探讨3类具体减振措施，即振源减振、传播途径减振和建筑物隔振。2.1振源减振
目前国内外许多减隔振工程均采用振源减振，在振源处减振既经济又能达到很好的效果。振源减振可分为钢轨减振和车辆减振。钢轨减振技术一般分为采用高性能钢轨和外加减振器两种方式。重型钢轨较轻型钢轨，可使轨道更加稳定，通过减小列车的冲击作用达到减振目的，但是重型钢轨磨损较快，经济效益不高。现阶段，钢轨减振器材料研究不够深入，故实际应用中一般不采用钢轨外加减振器减振。车辆减振技术即通过改变车辆本身特性，例如使用轮轨磨耗度更低的弹性车轮，合理控制列车行进速度和改进车轮踏面形状等方式达到减振目的。
2.2传播途径减振
传播途径减振是对振源和受振体之间传播途径进行减振。主要原理是“质量-弹簧”体系，即通过在不同位置插入弹性元件，从而达到列车运行时的间隔减振效果。传播途径减振方式大致可分为3种：扣件减振、轨枕减振和整体道床减振［5］，其中扣件减振代表性减振产品是轨道减振器扣件，维修简单，可减小振动强度8~9dB，轨枕减振的代表性产品是弹性套靴，施工维修方便，且对50Hz以上频率范围的振动强度可减小8~15dB。整体道床减振的代表性产品有橡胶浮置板和钢弹簧浮置板，橡胶浮置板可对35Hz以上的振动强度减小13~32dB，施工速度快，误差小，但是可维修性较差，钢弹簧浮置板振动强度可减小28~32dB，并且可维修性好［6］。在实际施工中，所采用的弹性扣件可固定钢轨位置，防止钢轨的纵横向位移，以减小轮轨之间磨损而达到减振效果，浮置板轨道是将道床板浮置于弹性元件上，将道床与基础分离，以减少内摩擦达到减振效果。2.3建筑物隔振
建筑物隔振的措施一般有：合理布置建筑物到轨道的水平距离，采用屏障隔振措施和在建筑物内部设置基础隔振。屏障隔振措施例如空沟和填充沟渠可以减少80%的振动，但此项工程尚在研究阶段，在国内外还未进行实际工程实施。基础隔振是在建筑物和需要保护的物品之间设置隔振垫或隔振支座，基础隔振一般方式是隔离桩加固，这种方式使用已有40多年历史，西安钟楼便采用了基础隔振作为保护。
由于建筑物到轨道的水平距离在城市交通轨道施工之初，已设计完成，所以在运营期可采用的建筑物隔振措施还有迁移或拆除轨道沿线环境敏感建筑。3典型案例分析3.1轨道振动源产生
轨道振动源产生的主要原因是轮轨粗糙度的变化，次要原因是钢轨轨道的不连续支承和钢轨接头处的细小不平整。以无锡地铁1号线为例，轨道交通振
［6］
动主要由以下几方面产生：（1）地铁列车以一定的速度运行时，地铁列车本身的质量及荷载质量对轨道的重力加载产生的冲击；（2）地铁列车在轨道运行时，钢轨扣件的不连续支承使轮轨相互作用变化而产生振动；（3）地铁钢轨本身连接处的高低度影响轮轨间相互作用，产生振动；（4）施工期和运营期的地铁列车车轮和轨道磨损对振动产生有着极大的影响；（5）地铁运营时期的负载量达到23.27万人次/天，负载量较大，产生振动强度也较大。3.2减振措施
无锡地铁1号线是采用振源减振、传播途径减振和建筑物隔振多种减振措施相结合的方式。
（1）在振源减振方面：无锡地铁1号线共有振动
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No.29October，2019敏感点50个，包括43个居民区、5所学校、1所办公室
和1所医院。无锡地铁1号线优先选用了振动值低且结构优良的新型地铁列车，并且采用了B型列车编组，列车总体质量和运行速度设计科学合理。在运营期，无锡地铁1号线加强轮轨的保养，对车轮进行定期旋轮，以保证其良好的运营状态，尽可能降低由列车运行产生的轮轨粗糙磨损，进而减小振源振动，并且钢轨全线铺设无缝钢轨铁路，也可减少列车经过钢轨衔接处时产生的振动源强。
（2）在传播途径减振方面：无锡地铁1号线在沿线环境振动敏感点根据地理条件的不同设置了不同减振设施，如减振垫浮置板道床、钢弹簧浮置板、梯形轨枕和压缩型减振扣件等。这些减振设施大大降低了振动对周围建筑物和居民点的影响。
（3）在建筑物隔振方面：无锡地铁1号线在修建途中，与国土部门及时沟通，对沿线几处建筑敏感点进行拆迁和搬迁，从而合理布置建筑物到地铁隧道的水平距离，以降低振动强度。根据于凯文等［7］的研究结果，基础和条形基础的建筑物随着楼层的增大，水平向振动加速度增大，即基础和条形基础建筑物，楼层越高水平振动影响越大。相比于桩基建筑物，基础和条形基础建筑物隔振效果更好。因此，在地铁设计过程时，应考虑周边建筑物类型以确定地铁线路，无锡地铁1号线振源周边应尽可能避免高层建筑和桩基建筑物。
根据工程振动影响调查检测结果显示，无锡地铁1号线沿线环境振动敏感点均达标，证明减振措施切实有效。4结语
距离我国1969年第一条地铁线路建成通车，迄今已过了50年。随着我国经济的高速发展，城市轨道交通线路也在不断扩张，城市轨道交通作为一种崭新的城市交通方式，极大地缓解了城市交通拥挤的问题，但是与之相伴的是其产生的日益严重的环境振动问题。本文以无锡地铁1号线为例，简要介绍了城市轨道交通对周边建筑物的振动影响，并探讨了相应的
对策。由于我国城市轨道交通建设发展起步较晚，许
多早期城市轨道交通在设计修建时未完全考虑振动对周围建筑物的影响，投入使用之后，再增加各种减隔振设施，这种后期减隔振设施的安装既不方便也不经济。因此，在城市轨道交通网设计修建之初，就应充分考虑运营线路对周边环境建筑物的影响从而采取不同的减振措施。在未来实际轨道交通设计过程中，除列车和钢轨采用耐磨损高性能型号外，也应考虑周边建筑物结构的影响，设计线路尽可能远离高层建筑和桩基建筑。
随着城市化进程的加快，可以预见城市轨道交通将会有更大的发展。因此，立足于城市轨道交通现状的研究，寻找有效的减振措施，对于促进城市轨道交通发展具有十分重大的意义。
参考文献
［1］刘维宁，马蒙，刘卫丰，等.我国城市轨道交通环境振动影响的研究现况［J］.ChineseScienceBulletin，2013（58）：169.［2］杨宜谦.地铁和铁路环境振动源［J］.环境工程，2013（S1）：654-658.［3］武学宾.地铁运行振动的传播规律及其减振措施［J］.工程建设，2017（10）：54-59.［4］边金，陶连金，张印涛，等.地铁列车振动对相邻建筑物的影响及其传播规律［J］.建筑结构，2011（S2）：107-110.［5］辜小安，任京芳，刘扬，等.我国地铁环境振动现状及控制措施［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2003（5）：206-209.［6］谢咏梅，辜小安，刘扬.地铁环境影响评价中轨道隔振措施应用效果研究［J］.环境工程技术学报，2012（2）：162-166.［7］于凯文，金浩.地铁运营对沿线不同基础型式建筑物的振动影响［J］.华东交通大学学报，2017（2）：37-44.
（责任编辑王雪芬）
Influencesandcountermeasuresofurbanrailtransitonthevibrationofsurroundingbuildings
WuZanyang
（WuxiMetroGroupCo.,Ltd.,Wuxi214024,China）
Abstract:Studyingtheimpactofurbanrailtransitonthevibrationofsurroundingbuildingsandsuggestingcorrespondingcontrolmeasuresisofgreatsignificanceforpromotingtheeconomicdevelopmentandreducingthenegativeimpactofurbanrailtransitsystemontheenvironment.ThispapertakesWuximetroline1asanexample,tomakeabriefanalysisontheimpactofurbanrailtransitonthevibrationofsurroundingbuildings,andforwardcountermeasures.
Keywords:urbanrailtransit;vibrationeffect;vibrationreducingmeasure
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