由于城市軌道交通系統(包括地下鐵道和城市高架輕軌)具有運量大、速度快、安全可靠等優點,已成為解決城市交通擁擠的有效手段。國內已經擁有和正在建設軌道交通系統的城市越來越多,隨著城市軌道的延伸,其帶來的環境振動污染等問題也越來越突出。在國家自然科學基金的支持下,北京交通大學教授夏禾主持的“城市軌道交通引起的環境振動及防治對策研究”對此進行了深入研究,并提出了減少建筑物振動的系列措施。
環境振動是一種嚴重污染 有研究機構通過對我國幾個典型城市鐵路環境振動的現場實測結果表明,離軌道中心線30米之內區域的振動加速度級大部分接近80分貝(dB)。“振動試驗表明,當振動加速度達65分貝時,對睡覺有輕微影響;振動加速度達到69分貝時,所有輕睡的人將被驚醒;振動加速度達到74分貝時,除酣睡的人,一般情況下,其他人將驚醒。”夏禾說,“由于城市軌道交通系統投資巨大,一旦建成則很難改線和遷移,軌道交通的振動污染一旦形成將長期存在。因此,著手研究振動污染規律、振動產生的原因、振動傳播途徑及控制方法具有非常重要的意義。”
交通振動(主要是軌道交通振動)是指因交通車輛引起的結構振動通過周圍地層(地下或地面)向外傳播,進一步誘發附近地下結構以及鄰近建筑物(包括室內家具等)的二次振動和
噪聲。交通振動會對附近建筑物特別是古舊建筑物的結構安全以及一些精密儀器、居民和工作人員的生活、工作產生影響。
“為減輕環境振動對居民和建筑物的干擾和影響,國內外學者作了大量研究,試圖通過降低振源強度、切斷振動傳播路徑、衰減振動幅度、調整交通線路附近建筑物的自振特性等找到解決辦法,也取得了不錯的效果。”夏禾說。
研究表明,軌道交通系統振動的振源主要來自以下方面:列車運行時對軌道的重力加載所產生的沖擊;列車在運行時,輪軌相互作用產生的車輪與鋼軌結構的振動;當車輪滾過鋼軌接頭時,輪軌相互作用產生的車輪與鋼軌結構的振動;軌道的不平順和車輪的損傷等。對于高架輕軌系統來說,其影響因素主要有列車速度、車輛重量、橋梁結構類型和基礎類型、跨度、剛度、撓度等。同時,列車與橋梁的相互作用有時也會加大振動作用。對于地下鐵路,其影響因素主要有列車速度、車輛重量、隧道基礎和襯砌結構類型、軌道類型、是否采用隔振措施等。
從多個環節尋找解決辦法 由列車振動引起的沿線地面建筑物的振動,其振級的大小又與建筑物的結構形式、基礎類型以及與地鐵的距離有密切的聯系。夏禾解釋說,對于基礎良好、質量較大的高層鋼筋混凝土建筑,由于其固有頻率低,不易被激勵起較大的振動,因而其振級較自土壤傳來的振級有相當大的衰減,衰減量可達10~20分貝,因此在距地鐵隧道水平距離32米處,高層建筑物地下室內實測振級不大于60分貝,一層以上則測不出地鐵行駛時引起的振動;基礎一般的磚混結構住宅樓可衰減5~10分貝;而基礎較差的建筑,如輕質結構或淺基礎的建筑,則衰減量很少,其振級與土壤振級相近,甚至還會出現室內振動大于室外地面振動的現象。
“軌道交通系統引起的振動通過土壤而傳遞到臨近結構物造成振動或破壞,因此,必須首先了解地表下波傳特性。同時,工程實際中遇到的土質各種各樣,非常復雜,所以在研究波的傳播問題時,還要引入現場測試得到的具體參數來解決振動的波動衰減問題。”夏禾說。
振動的有效隔阻可由河渠、橡膠墊層、板樁墻以及樁等屏障來截斷、散射、繞射各種應力波來實現。在彈性基礎、明溝和充填式溝渠三種隔離模式中,彈性基礎對較高頻率的隔振效果好,但由于彈性基礎的存在,軌道上的最大低頻速度和加速度會被放大,所以無論是對于運行列車的平穩性還是對周圍環境的隔振來說,彈性基礎并不是很理想的方法;對于明溝和充填式溝渠而言,減振溝越深,減振效果越好,而減振效果與溝寬無關。對阻隔列車引起的振動而言,明溝在三種方式中是最好的,可以完全切斷振動波的傳播。但在實際應用上,明溝有穩定性的問題,須設置支撐構架使其保持穩定。對于低頻振動,上述三種隔振措施所引起的效果都不大。
從減振效果來說,碎石道床優于整體道床,但碎石道床具有穩定性較差、養護工作量大、自重較大、軌道建筑高度較大且道床易污染等缺點。所以對地鐵而言,一般都采用整體道床,其中包套式短枕整體道床、塑料短枕整體道床、浮置板式整體道床等幾種道床型式它們都可起到減振作用。無論是有碴道床還是整體道床,都可在道碴或凝土板下面設置橡膠減振墊,采用適當的彈性扣件,可以增加整體道床的彈性。例如,在北京地鐵使用的D TI型和D TV型扣件中,D TV型扣件經過室內試驗比D TI型扣件可減少振動5~8分貝。
彈性墊層是增加扣件彈性的重要組成部分,要改善整體道床的缺點,可采用高彈性墊層,或在鋼軌表面粘貼由高阻尼材料和約束
板材構成的復合阻尼板可以減小鋼軌的振動。為探討阻尼板鋼軌的減振效果,研究人員在北京地鐵13號線西直門——大鐘寺段的鋼軌上安裝了阻尼板,并對有阻尼板和無阻尼板的鋼軌及橋面板進行了測試對比,試驗結果表明,在鋼軌上安裝阻尼板后,鋼軌軌腰的峰值加速度降低了6~7分貝,具有一定的減振效果。
噪聲控制,噪聲治理
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