地下鐵道列車運(yùn)行時(shí)對環(huán)境影響的研究現(xiàn)狀

摘　要:地下鐵道的運(yùn)營對環(huán)境的影響已越來越成為人們普遍關(guān)注的問題,主要從減振減噪的措施等方面進(jìn)行了大量研究. 現(xiàn)對該領(lǐng)域目前的研究現(xiàn)狀、研究手段及方法,指出了該領(lǐng)域的發(fā)展所需解決的課題,如荷載的不確定性、計(jì)算模型的改進(jìn)、計(jì)算方法、鋼軌磨耗的影響、振動和噪聲的預(yù)測方法及各種減振減噪措施的進(jìn)一步開展等. 關(guān)鍵詞:地下鐵道;振動;噪聲

隨著城市人口的增多,交通問題日益突出,地下鐵道以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠、運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)已成為解決城市交通擁擠的有效措施. 但與此同時(shí),地下鐵道對環(huán)境的影響也引起了世界各國的普遍重視. 目前,由于列車產(chǎn)生的振動和噪聲所引起的地鐵沿線建筑物的不良影響,地鐵沿線居民投訴的問題已經(jīng)產(chǎn)生. 如何來較好的評價(jià)列車的振動和噪聲影響以及采取何種措施有效,已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注.
1 　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1. 1 　振源及傳播規(guī)律
在地下鐵道中,當(dāng)列車以一定速度在軌道上運(yùn)行時(shí),車輛、軌道以及他們之間的相互作用都將產(chǎn)生振動,引起振動的原因可歸結(jié)為[ 1 ] : ① 機(jī)車本身的動力作用; ② 機(jī)車和車輛以一定速度通過時(shí)的動力作用; ③ 軌道不平順以及鋼軌不均勻磨耗; ④ 車輪安裝偏心產(chǎn)生的連續(xù)不平順,以及車輪踏面不均勻磨耗引起的脈沖不平順. 在振動傳播規(guī)律的研究方面,目前的研究方法以數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試為主. 數(shù)值計(jì)算的模型通過兩個(gè)二維動力模型來得到[2 ,3 ]. 在文獻(xiàn)[2 ] 中,首先建立了列車—軌道耦合系統(tǒng)動力分析模型,由數(shù)值模擬分析,得到圖1 所示的作用于道床底部的列車荷載激勵曲線,然后再將列車動荷載加在垂直于線路平面的二維路基—土層—建筑物動力模型上,采用動力有限元法,得到隧道結(jié)構(gòu)及周圍物體的振動響應(yīng).
在實(shí)驗(yàn)方面,我國最早的研究是潘昌實(shí)教授1985 年在北京地鐵所做的現(xiàn)場測試工作[4 ] ,現(xiàn)在這一研究已在北京、上海和沈陽等各地展開.
綜合測試數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果,初步總結(jié)了振動影響規(guī)律如下[2 ,5 ,6 ] : ① 列車通過時(shí),在軌道底部產(chǎn)生的加速度,經(jīng)過道床后有很大的衰減; ② 高頻分量隨距離的增加衰減較快,低頻分量衰減較慢,地面建筑物受低頻的影響相當(dāng)大; ③ 地表豎向振動的位移、速度和加速度沿水平距離衰減的趨勢如圖2 ,在振源的正上方振幅為最大值稱為第一峰值,達(dá)一定距離rR 后出現(xiàn)一個(gè)極小值A(chǔ), 而后又出現(xiàn)一個(gè)放大區(qū),出現(xiàn)第二個(gè)峰值B, 然后沿水平距離的增加呈逐漸衰減的規(guī)律;④ 在相同的地質(zhì)條件下,地面最大加速度、速度隨覆蓋厚度增加而線性減小,隨至中線的距離增加而減小的規(guī)律近似為指數(shù)函數(shù).

圖1 　列車荷載時(shí)程曲線圖2 　振波沿水平距離增加衰減示意圖
1.2 　振動傳播途徑及影響因素
列車在地下鐵道中運(yùn)行時(shí),從目前的研究結(jié)果[7～9]來看,其振動傳播途徑有3 個(gè):① 直接影響車內(nèi)駕駛員和乘客;② 列車進(jìn)出站時(shí),給車站環(huán)境帶來污染;③ 以土質(zhì)為媒介,通過車輪振動→軌道→隧道結(jié)構(gòu)→ 周圍土壤→相鄰建筑物→地板、墻壁、天花板振動→二次結(jié)構(gòu)噪聲,使地鐵沿線地面建筑物產(chǎn)生振動和固體聲,危及建筑物及建筑物內(nèi)的居民.綜合上述3 種途徑,其主要影響因素見表1[9].
表1 　地鐵列車振動傳播影響參數(shù)

1.3 　振動預(yù)測公式
在振動預(yù)測公式方面,一種情況為采用《動力地基基礎(chǔ)規(guī)范》中的振動預(yù)測公式,但該公式是在地面荷載所產(chǎn)生的振動曲線的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的,對于地下移動荷載的情況,其適用性有待進(jìn)一步的研究.另一種為應(yīng)用J . Melke[7 ]提出的物理方法,在聲源—聲徑—聲接受系統(tǒng)內(nèi)使用傳遞衰減鏈預(yù)測法,得到以振級來評價(jià)的預(yù)測公式LB = Lr -Rtr -Rtu -Rg -Rb (1) 式中,LB 為振級,dB ; Lr 為隧道振動振級;Rtr 為振源傳給地面的波動隨距離衰減項(xiàng);Rtu 為土壤內(nèi)部引起的衰減項(xiàng);Rg 為輪機(jī)狀況的修正因子;Rb 為建筑物本身的結(jié)構(gòu)形成、基礎(chǔ)類型、層樓比.式(1)較好的評價(jià)了振級的幾個(gè)影響參數(shù),但該公式中的幾項(xiàng)均是以測量結(jié)果為基礎(chǔ)的,普遍應(yīng)用性有待進(jìn)一步提高.
1.4 　列車對環(huán)境噪聲的影響調(diào)查研究表明[5 ,8 ],噪聲污染已成為世界性的問題,地鐵噪聲在城市噪聲中占有一定的比例.地鐵噪聲分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲:地鐵內(nèi)部噪聲對于旅客和乘務(wù)員會造成不良的影響,這方面的噪聲控制一般通過改良地鐵列車的設(shè)備來達(dá)到;外部噪聲則對地鐵線路沿線和車站附近的居民造成干擾,目前已有地鐵沿線居民因?yàn)樵肼曈绊懚对V.外部噪聲污染一般通過兩條途徑:① 列車作為噪聲源發(fā)出的噪聲聲波直接由空氣傳播到地表形成噪聲污染;② 列車的振動和噪聲通過巖土介質(zhì)傳送到地鐵附近的建筑物,形成一種結(jié)構(gòu)聲,即可聽頻率范圍內(nèi)的固體振動聲成為地面噪聲污染.經(jīng)調(diào)查[9 ],對于車站附近的地表噪聲影響, 主要通過第一條途徑,對地鐵隧道沿線的地面,主要通過第二條途徑.
振動與噪聲通過地下巖土介質(zhì)傳送到地鐵附近建筑物,但是由于地下巖土的濕度、成分、彈性等影響結(jié)構(gòu)聲的參數(shù)很多,因此到目前為止,還很難求得這種結(jié)構(gòu)聲通過巖土進(jìn)行傳播的確切數(shù)據(jù). 為了控制上述結(jié)構(gòu)聲的標(biāo)準(zhǔn),日本的市政環(huán)境振動中,使用“振動級”對結(jié)構(gòu)聲加一個(gè)補(bǔ)充噪聲量,將這個(gè)量作為噪聲級使用. 所謂振動級,是指以20lg (Q/ Q0) (dB) 進(jìn)行定義的修正加速度值,其中Q0= 10-5m/ s2 是標(biāo)準(zhǔn)振動加速度, Q = n∑Q2 n ·10 C /10 1/2 是對振動感覺修正的振動加速度有效值.這里,Qn、Cn 分別為頻率n
( Hz) 時(shí)的振動加速度有效值和相對響應(yīng)系數(shù),可查表求得. 試驗(yàn)資料表明,45 dB 的噪聲就開始對正常人的睡眠產(chǎn)生干擾,因此,世界各國對城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)已有明確規(guī)定.中國城市區(qū)域環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)如表2.研究表明[9 ] ,列車在白天所產(chǎn)生的噪聲的影響很接近標(biāo)準(zhǔn)值,在夜間已大大地超過了標(biāo)準(zhǔn)值,給 沿線的居民帶來了很大的干擾,因此減振降噪勢在必行.
1.5 　減振減噪的措施
商業(yè)中心區(qū)、二類混合區(qū)綜合考慮地鐵列車振動的振源、傳播途徑和影響因素,減振降噪措施主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行:
(1) 車輛特性　① 在滿足其他條件的情況下,盡量降低車重; ② 采用彈性車輪可將隧道壁振動頻率在40～50 Hz 之間的隧道壁振級減少4～10 dB ; ③ 盡量減少非懸掛質(zhì)量; ④ 維護(hù)良好的車輪和鋼軌狀態(tài).
(2) 軌道條件　對于軌道減振技術(shù),常用的方法為打磨鋼軌和鋼軌長軌化,以減少軌道不平順和接頭沖擊,隨著材料技術(shù)的進(jìn)步,新的減振降噪措施層出不窮,已提出的措施包括無枕整體臥入式軌道結(jié)構(gòu)、合成材料減振軌枕、無碴軌道的彈性墊塊與扣件、靜音軌道阻尼器和利用廢舊輪胎與水泥混合制成的橡膠土道床等. 我國香港地鐵、上海地鐵、廣州地鐵和北京地鐵在敏感地段都采取了一定的軌道減振技術(shù),如短枕科隆蛋技術(shù)、套靴軌枕塊技術(shù)和浮置板道床技術(shù).
(3) 隧道結(jié)構(gòu)　隧道結(jié)構(gòu)型式和隧道厚度也對隧道振動有較大影響. 表3[ 10 ] 給出了不同隧道結(jié)構(gòu)形式對振動的影響情況. 在隧道厚度方面,材料相同,厚度加大一倍,墻壁振級降低5～8 dB.地鐵隧道結(jié)構(gòu)型式相對振動級鑄鐵或鋼質(zhì)單洞隧道結(jié)構(gòu)+ 4 混凝土單洞隧道結(jié)構(gòu)+ 2
(4) 建筑物結(jié)構(gòu)　對于建筑物來說,主要的隔振措施為聲屏雙洞隧道結(jié)構(gòu)0 障技術(shù). Pao[ 11 ] 等利用解析的方法研究波在圓形及拋物線型障三洞隧道結(jié)構(gòu)-2 壁的折射問題;高廣運(yùn)[ 12 ] 等首次提出了地面連續(xù)和非連續(xù)屏障站臺結(jié)構(gòu)-4 隔振的概念,指出非連續(xù)排樁屏障的散射效應(yīng)決定隔振效果,屏障的衍射效應(yīng)決定其影響范圍,證明了圓截面排樁有較好的隔振效果.
(5) 地表減振措施　為防止振動在地表面的傳播,在地表層采取挖溝、筑墻等措施也取得了一定的效果. 在這方面,主要有彈性基礎(chǔ)、明溝和充填式溝渠3 種隔離模式. 研究表明[ 13 ] :彈性基礎(chǔ)對較高頻率的隔振效果較好,但由于彈性基礎(chǔ)的存在,軌道上的最大低頻速度和加速度會被放大;對于明溝和充填式溝渠, 一般來說,減振溝越深,其有效隔振頻率的下限就越低,減振效果越好. 在阻隔列車引起的振動方面,明溝在3 種方式中是最好的,它可以完全切斷振動波的傳播,只要溝的深度足夠,就可以獲得理想的隔振效果, 但明溝有穩(wěn)定性的問題,須設(shè)置支撐溝架使其保持穩(wěn)定. 總而言之,對于低頻振動,3 種隔振措施所起的效果都不大;對于高頻振動,如高速列車運(yùn)行所引起的振動,3 種隔振措施所起的效果都可以,但以明溝的隔振效果最佳.
2 　研究中存在的問題及展望
綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,對列車在地下鐵道上運(yùn)行時(shí)對環(huán)境影響的研究,還需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究:
(1) 對于列車荷載下的動力響應(yīng),國內(nèi)外都進(jìn)行了一定的研究,但研究主要以有限元等數(shù)值解法為主, 缺乏一定的系統(tǒng)性和深入性.
(2) 列車運(yùn)行所產(chǎn)生的荷載,大部分是按確定性荷載來考慮,實(shí)際來說,應(yīng)屬于隨機(jī)荷載. 對于隨機(jī)荷載作用下隧道的動力響應(yīng)的研究,無論在理論上還是在數(shù)值上,國內(nèi)外都是一個(gè)全新的領(lǐng)域.
(3) 研究表明,鋼軌的磨耗對振動和噪聲的影響比較大,由于磨耗,使鋼軌的表面成為一個(gè)具有很大隨機(jī)特征的曲線,如何比較準(zhǔn)確的評價(jià)磨耗對振動與噪聲的影響情況,還需要大量的研究工作.
(4) 列車引起的振動在地層介質(zhì)中傳播有著特定的衰減特征,與車輛特性、軌道條件、隧道結(jié)構(gòu)、地基特性、建筑物結(jié)構(gòu)等因素有關(guān). 式(1) 僅僅是一個(gè)比較近似的計(jì)算公式,其普遍應(yīng)用性較差,應(yīng)進(jìn)一步研究較準(zhǔn)確且方便應(yīng)用的預(yù)測公式.
(5) 隨著材料的不斷發(fā)展,新型的減振降噪措施不斷出現(xiàn),但他們主要集中在軌道結(jié)構(gòu)減振和建筑物結(jié)構(gòu)隔振方面,在隧道結(jié)構(gòu)等方面的研究還比較少.
(6) 列車運(yùn)行時(shí)對隧道附近的建筑物和人體所產(chǎn)生的影響,有的取決于振動的振幅值,有的取決于振動加速度,如何較準(zhǔn)確的評價(jià)列車所引起的振動參數(shù),制定出較準(zhǔn)確的振動與噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)是城市環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方面亟待解決的問題.

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