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一、引言

在歐美等西方發(fā)達(dá)國家，軌道交通系統(tǒng)引起的振動(dòng)對周圍環(huán)境的影響早已引起人們的注意，并且把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一【1】。而在我國，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，振動(dòng)問題也引起了一些專家學(xué)者的注意。振動(dòng)試驗(yàn)表明，振動(dòng)對于居住在鐵路線周圍的居民的影響非常大，并且危害人們的身心健康，當(dāng)振動(dòng)加速度達(dá)65dB時(shí)，對睡覺有輕微影響；振動(dòng)加速度達(dá)到69dB時(shí)，所有輕睡的人將被驚醒；振動(dòng)加速度達(dá)到74dB時(shí)，除酣睡的人，一般情況下，其他人將驚醒【2】。

鐵道部勞動(dòng)衛(wèi)生研究所通過對我國幾個(gè)典型城市的鐵路環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場實(shí)測，考察了鐵路沿線居民區(qū)受列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)污染現(xiàn)狀，測試結(jié)果表明，離軌道中心線30m之內(nèi)區(qū)域的振級大部分接近80dB。這樣高的振級將極大地影響鐵路沿線居民的日常生活及身心健康。因此，著手研究振動(dòng)污染規(guī)律、振動(dòng)產(chǎn)生的原因、振動(dòng)傳播途徑及控制方法具有非常重要的意義。

在我國，隨著現(xiàn)代化的進(jìn)行，交通系統(tǒng)大規(guī)模發(fā)展的趨勢極為迅速。由于城市軌道交通系統(tǒng)（包括地下鐵道和城市高架輕軌）具有運(yùn)量大、速度快、安全可靠、對環(huán)境污染少、不占用一般道路等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決城市交通擁擠和減少污染的一種有效手段。國內(nèi)已經(jīng)擁有和正在建設(shè)的地下鐵道系統(tǒng)的城市越來越多，而且不少城市還在籌建輕軌交通系統(tǒng)。近年來在城市交通系統(tǒng)建設(shè)中，對于振動(dòng)可能影響環(huán)境和周邊建筑物內(nèi)居民生活和工作的問題也進(jìn)行了預(yù)測。如擬議中的西直門至頤和園輕軌快速交通系統(tǒng)可能對附近文化和科研機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲影響、地鐵南北中軸線可能對故宮等古建筑的振動(dòng)影響。為此，北京市地鐵總公司、北京市城建設(shè)計(jì)院、北京市環(huán)境保護(hù)局、北方交通大學(xué)、鐵道部科學(xué)研究院等單位已經(jīng)開始結(jié)合北京、上海等一些大城市修建地鐵、輕軌交通系統(tǒng)時(shí)車輛引起的環(huán)境振動(dòng)的工程實(shí)際進(jìn)行研究，發(fā)表了有關(guān)地鐵、輕軌車輛作用下隧道及高架橋梁的振動(dòng)、振動(dòng)波的傳播及其對周圍環(huán)境和建筑物影響的初步研究成果。

二、振動(dòng)的產(chǎn)生及傳播規(guī)律

軌道交通系統(tǒng)振動(dòng)對環(huán)境和周邊建筑物的影響一般通過以下方式進(jìn)行：由運(yùn)行列車對軌道的沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，并通過結(jié)構(gòu)（隧道基礎(chǔ)和襯砌或橋梁的墩臺及其基礎(chǔ)）傳遞到周圍的地層，進(jìn)而通過土介質(zhì)向四周傳播，進(jìn)一步誘發(fā)附近地下結(jié)構(gòu)以及建筑物（包括其結(jié)構(gòu)和室內(nèi)家具）的二次振動(dòng)和噪聲，從而對建筑物的結(jié)構(gòu)安全以及建筑物內(nèi)的人們的工作和生活產(chǎn)生了很大的影響。

軌道交通系統(tǒng)的振動(dòng)主要由以下幾個(gè)方面產(chǎn)生：

（1）列車以一定的速度運(yùn)行時(shí)，對軌道的重力加載產(chǎn)生的沖擊；

（2）列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，輪軌相互作用產(chǎn)生的車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；

（3）當(dāng)車輪滾過鋼軌接頭時(shí)，輪軌相互作用產(chǎn)生的車輪與鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；

（4）軌道的不平順和車輪的損傷也是系統(tǒng)振動(dòng)的振源。

對于高架輕軌系統(tǒng)，其影響因素主要有列車速度、車輛重量、橋梁結(jié)構(gòu)類型和基礎(chǔ)類型、跨度、剛度、撓度等，列車與橋梁前相互作用也會(huì)加大振動(dòng)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(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)類型、軌道類型、是否采用隔振措施等。

在理論分析方面，由于國內(nèi)還沒有建成高架輕軌系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3」－［5」采用二維的車一橋共同作用力學(xué)模型，通過動(dòng)力分析求得了列車運(yùn)行時(shí)作用在橋上的列車振動(dòng)荷載，然后再采用"橋墩一基礎(chǔ)一地基"二維共同作用的模型，通過動(dòng)力響應(yīng)分析，求得了通過橋墩并垂直于線路的橫斷面上的地基和地面的振動(dòng)特性。通過分析和計(jì)算，得到了以下結(jié)論：輕軌列車振動(dòng)所引起的附近地面振動(dòng)，在某一距離范圍內(nèi)，將隨距輕軌線路距離的增加而衰減；在一定距離內(nèi)又出現(xiàn)了反彈增大（大約在40～60m間），但總趨勢是隨距離的增大而衰減；輕軌系統(tǒng)橋梁的基礎(chǔ)類型對地面的振動(dòng)影響比較大，采用樁基時(shí)由列車運(yùn)行所引起的地面振動(dòng)的位移匯度伽速度值均較采用平基時(shí)的小許多，且采用樁基時(shí)，地面振動(dòng)隨距線路距離的增加而衰減的速度也較平基為大。甚至由于采用了不同的橋梁基礎(chǔ)，沿線建筑不同樓層的振動(dòng)響應(yīng)也有所不同。采用淺平基礎(chǔ)時(shí)，高樓層的響應(yīng)比低樓層的劇烈，若采用樁基時(shí)，各樓層的差別就小得多；高架橋線路與路基線路相比，環(huán)境振動(dòng)將大幅度降低。距線路中心線30m處的振動(dòng)強(qiáng)度可降低5～10dB。

對于地鐵列車的振動(dòng)效應(yīng)，除了通過現(xiàn)場實(shí)測了解其對周圍環(huán)境的振動(dòng)影響以外，文獻(xiàn)［6」根據(jù)實(shí)測軌道加速度得到了列車荷載的模擬數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而采用有限元方法分析了隧道和周圍土體的振動(dòng)特性；文獻(xiàn)［5」通過建立系統(tǒng)動(dòng)力分析模型的方法就地鐵列車運(yùn)行時(shí)所引起的環(huán)境振動(dòng)及振動(dòng)波的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。

已有調(diào)查表明【7】，地鐵列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)，距軌道水平距離1.5m處，振級平均值為81dB，距軌道水平距離24m處，振級平均值為71.6dB。這說明隨著距軌道水平距離的增加，振級將不斷衰減。此外，地鐵振動(dòng)影響的范圍在很大程度上還取決于列車通過的速度及隧道的埋深。速度越高，振動(dòng)干擾越強(qiáng)，響應(yīng)的影響范圍越大，埋深越大，影響范圍也越小。隨距離增大而振動(dòng)強(qiáng)度減弱的規(guī)律也適用于沿線建筑物。由于列車運(yùn)行所引起的地面水平振動(dòng)，在傳播過程中的衰減要快于垂直方向，因而沿線建筑物內(nèi)垂直方向的振動(dòng)將大于水平方向的振動(dòng)。實(shí)測結(jié)果表明：樓房的水平振動(dòng)一般小于垂直振動(dòng)十幾分貝，因此在評價(jià)樓房受列車運(yùn)行所引起的振動(dòng)影響時(shí)，可以垂直方向?yàn)橹鳌?/p>

對于建筑物的平面而言，其縱向勁度大于橫向勁度，所以無論建筑物的走向與線路的相對位置如何，當(dāng)建筑物受到列車運(yùn)行所引起的振動(dòng)影響時(shí)，總以其橫向大于縱向振動(dòng)的規(guī)律出現(xiàn)。就不同樓層高度而言[8]，一般來說，對于低層建筑，特別是在四層以下，隨著樓層的增高，振動(dòng)的強(qiáng)度有增大的趨勢。

隨著列車速度的提高，附近建筑物內(nèi)測得的振動(dòng)有增大的趨勢，尤其樓房內(nèi)側(cè)的振動(dòng)表現(xiàn)得特別明顯。而由列車振動(dòng)引起的沿線地面建筑物的振動(dòng)，其振級的大小又與建筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型以及與地鐵的距離有密切的聯(lián)系。對于基礎(chǔ)良好、質(zhì)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(lì)起較大的振動(dòng)，因而其振級較自土壤傳來的振級有相當(dāng)大的衰減，衰減量可達(dá)10～20dB，因此在距地鐵隧道水平距離32m處，高層建筑物地下室內(nèi)實(shí)測振級不大于60dB，一層以上則測不出地鐵行駛時(shí)引起的振動(dòng)；基礎(chǔ)一般的磚混結(jié)構(gòu)住宅樓可衰減5～10dB；而基礎(chǔ)較差的建筑，如輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或淺基礎(chǔ)的建筑，則衰減量很少，其振級與土壤振級相近，甚至還會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)振動(dòng)大于室外地面振動(dòng)的現(xiàn)象。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果可知，振動(dòng)強(qiáng)度的分布有以下特點(diǎn)：

（1）在振源的頻率分布上，以人體反應(yīng)比較敏感的低頻為主，其中50～60Hz的振動(dòng)強(qiáng)度較大。

（2）在列車速度的影響上，隨行車速度的提高，振動(dòng)有增大的趨勢。

（3）就地面振動(dòng)隨距離的衰減而言，距軌道中心線越近，同一列車引起的地面振動(dòng)越大，反之則越小。

一般認(rèn)為，列車運(yùn)行所產(chǎn)生的地面振動(dòng)隨距線路距離的增加而有較大的衰減是一般規(guī)律，但是也有文獻(xiàn)得出了不同的結(jié)果。文獻(xiàn)[9]和[10]曾分別在橋梁（京沈線灤河橋，跨度32m上承式鋼板梁橋，橋墩高8～10m，車速50～80km小）和線路附近（京廣線，車速25～110km/h）測試了列車通過時(shí)地面振動(dòng)加速度隨距離的變化規(guī)律。G為振級，ω為各測點(diǎn)加速度與路基處加速度的比值。可以發(fā)現(xiàn)地面振動(dòng)分別在距橋墩60m左右處和距線路40m左右處出現(xiàn)了加速度的反彈增大。這一測試結(jié)果是與理論計(jì)算的結(jié)果相吻合的。

隨距離增大而振動(dòng)強(qiáng)度減弱的規(guī)律也適用于沿線建筑，由于列車引起的地面水平方向振動(dòng)在傳導(dǎo)過程中的衰減要快于垂直方向的振動(dòng)，因而沿線建筑物內(nèi)的垂直方向的振動(dòng)將大于水平方向的振動(dòng)。實(shí)測結(jié)果表明：建筑物的水平振動(dòng)一般約小于垂直振動(dòng)10dB，因此在評價(jià)建筑物受軌道交通系統(tǒng)影響時(shí)，可以垂直方向的振動(dòng)為主。