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地铁振动及其控制的研究
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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。（参考《建筑中文网》）
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。
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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/13536.htm
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