軌道交通引起的環(huán)境振動及其影響規(guī)律

1、軌道交通引起的環(huán)境振動及其影響規(guī)律摘要:從軌道交通引起的環(huán)境振動對人體、建筑物、精細儀器三個方面的影響進展了總結(jié);對振動加速度隨振源埋深的變化、間隔 軌道中心線的分布規(guī)律以及列車車速和載重對其的影響規(guī)律做了重點分析。文中相關(guān)結(jié)論可以為解決城市環(huán)境災害以及城市軌道交通建立工程提供參考根據(jù)。關(guān)鍵詞:列車振動;衰減;振動加速度在交通設(shè)施建立(地鐵、輕軌、鐵路等)開展的過程中,將不可防止地進入到對振動等級要求特別高的地區(qū)。比方,北京地鐵南北中軸線列車的振動將會影響到故宮,北京地鐵4號線將要經(jīng)過的北京大學東門地段(該地段為大型貴重精細儀器主要分布區(qū))。隨著全國鐵路大提速的進展,列車速度的增加將不可防止地

2、改變其穿過地區(qū)附近的振動等級。目前國際上趨于用振動加速度來評價振動強度,研究振動隨振源埋深的變化、距軌道中心線的間隔 的分布規(guī)律以及列車車速和載重對其的影響規(guī)律變得日益重要。1軌道交通引起的環(huán)境振動問題在我國由于經(jīng)濟開展程度的原因,直到上個世紀80年代中后期,才開場研究鐵路和交通運輸車輛引起的地面振動對周圍環(huán)境的影響。最近幾年,我國軌道交通開展很快,其引起的環(huán)境振動問題已經(jīng)引起我國政府和相關(guān)科研單位的高度重視,勢必推動有關(guān)振動對環(huán)境影響的研究。在國外,一些交通系統(tǒng)比擬興旺的國家,對軌道交通引起的振動對周圍環(huán)境及建筑物的影響的研究也特別重視。日本明確認定振動為7個典型公害之一,提出了環(huán)境振動程度

3、的預測方法。j.elke等提出了一種基于脈沖鼓勵和測試分析的診斷測試方法,用于預測城市區(qū)域鐵道路附近建筑物的振動程度,通過不同測點數(shù)據(jù)傳遞函數(shù)分析,研究了波的傳播規(guī)律。jrge.jakbsen對不同類型場地土的振動隨間隔 的衰減規(guī)律進展了研究1-2。英國鐵路管理局研究開展部技術(shù)中心就行車速度、激振頻率和軌道參數(shù)的相關(guān)關(guān)系以及共振現(xiàn)象進展了研究3。v.v.krylv(1999)4研究了高速列車引起的地面振動放大現(xiàn)象。2軌道交通振動產(chǎn)生的影響環(huán)境振動對人體、建筑物、精細儀器等的影響已越來越大。這是因為:一方面振動日益增大,影響的范圍也在加大;另一方面,人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高,同樣程度的振動

4、,在過去可能不是問題,如今卻越來越多地引起了公眾的強烈反響。這些問題對交通系統(tǒng)引起的構(gòu)造振動及其對周圍環(huán)境影響的研究提出了新的要求,引起了各國研究人員的高度重視。2.1對人的影響2.1.1對睡眠的影響環(huán)境振動到達一定等級將會干擾人們的日常生活,使人有不適感,甚至影響人們的情緒和睡眠、休息、學習。試驗研究說明:振動強度愈高,對人們?nèi)胨退呱疃鹊挠绊懹?。當振動加速度?5db以下,一般對睡眠影響不大,但當?shù)竭_70db后就會難以入睡,到80db那么會驚醒所有人?？梢?振動對居住在鐵道路周圍的居民影響是很大的。2.1.2對安康的影響交通車輛引起的振動對人體安康的影響包括生理和心理兩個方面,影響范圍

5、幾乎涉及人體的各系統(tǒng)和各個方面。首先,當振動比擬強烈時,會造成人體骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)及韌帶的嚴重損傷,消化系統(tǒng)腸胃蠕動增加、胃液分泌和消化系統(tǒng)才能下降,肝臟的解毒功能代謝發(fā)生障礙,還會使神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)交感神經(jīng)興奮、腱反射減退或消失、手指顫抖和失眠等病癥。其次,許多人對振動都很敏感,易發(fā)生心情煩躁、心理失衡現(xiàn)象5。2.1.3影響人體的環(huán)境振動主要因素環(huán)境振動對人體有影響的主要因素可以概括為以下幾個:(1)振動頻率振動對人體的不良影響中,頻率起著主要作用。對于環(huán)境振動,人體反響特別敏感的為180hz的振動,這主要是由于各種組織的共振頻率集中在這個范圍。(2)振動強度當頻率一定時,振動強度以人體對振動的

6、感受程度來評價。目前國際上通行用加速度參數(shù)來表示振動的強度。將實測加速度經(jīng)過換算,以分貝為單位來表示振動強度,給振動測量、運算和表達帶來很大方便。(3)暴露時間人體無論受到哪種振動作用,其影響時間越長,對人體的不良影響也就越大。2.2對建筑物的影響一般而言,軌道交通引起的環(huán)境振動,振幅和能量都比擬小,從平安的角度講,它不會造成象地震那樣的劇烈損害。但是,這種振動的作用是長期存在和反復發(fā)生的。長期作用于建筑物,將引起構(gòu)造的動力疲勞和應力集中,嚴重時還會引起構(gòu)造的整體或部分的動力失穩(wěn),如地基產(chǎn)生液化、根底下沉或不均勻下沉,墻體裂縫,建筑物傾斜甚至部分損壞;又如,地鐵南北中軸線因要穿越故宮等古建筑,

7、列車的運行就會產(chǎn)生振動影響,擬建的京滬高速鐵路可能產(chǎn)生對蘇州虎丘塔的振動影響等,從而影響構(gòu)造的平安和正常使用。許多國家都制定了建筑物內(nèi)(外)的振動標準,我國也于1988年公布了gb10070-88?城市區(qū)域環(huán)境振動標準?,但由于制定年份較早,亟需補充修改。2.3對精細儀器正常使用的影響城市軌道交通及地下鐵道運行道路不可防止地會穿過安裝有精細儀器的廠房、醫(yī)院、實驗室等對振動特別敏感的區(qū)域。當振動到達一定強度時,就會影響這些區(qū)域中精細儀器的正常使用。比方,北京地鐵4號線將要經(jīng)過的北京大學東門地段,是北大理科院系的主要分布地帶,全校80%以上的大型儀器設(shè)備分布在這一地區(qū),如不采取特殊措施,地鐵經(jīng)過時

8、產(chǎn)生的地面振動,將對其正常工作產(chǎn)生不利影響;在臺灣,臺北至高雄的高速鐵路可能會對臺灣南部科學園區(qū)里的精細儀器產(chǎn)生不良影響。3引起的環(huán)境振動特點軌道交通運行時,部分能量將轉(zhuǎn)化為地面的振動,振動的強度、特別是振動加速度的大小是人們所關(guān)注的。加速度越大,那么沖擊力越大,對人體或物體的破壞作用也就越大。其影響因素很多,比方載重量、空間間隔 、列車速度、土介質(zhì)的密度及彈性模量、地形地質(zhì)構(gòu)造、軌道摩擦系數(shù)等。下面就幾個主要因素進展總結(jié)。3.1振動加速度隨振源埋深的變化隨著振源埋深的增加,振動加速度的分布規(guī)律會不同,一般有較大的衰減,而且衰減規(guī)律的影響因素又是多種多樣的。這是因為,土介質(zhì)成層分布,且由于地區(qū)

9、的差異,土質(zhì)成分、密度等各不一樣,振動經(jīng)過各土層后衰減程度也就不同。假如在某一深度的地層與振源發(fā)生共振,那么會發(fā)生振幅放大區(qū),振動加速度出現(xiàn)反彈。假如考慮到不同列車在同一時間通過組成的隨機變化的周期荷載序列,呈現(xiàn)周期性的動力脈沖過程,那么振動加速度隨深度的衰減規(guī)律將會更復雜。荷蘭學者iesielski進展了大量的實驗,驗證了加速度反彈區(qū)的存在。他的實驗結(jié)果是:地層外表的振動加速度最大,隨后隨著深度的增加加速度衰減,在地下2深的土層,振動加速度衰減為地表的20%50%,4深衰減為10%30%,衰減的總趨勢是隨著深度的增加振動加速度減小,但是當頻率在大約24hz時,某土層和振源發(fā)生共振,出現(xiàn)了振動

10、,加速度反彈區(qū)。因此,頻率不同的列車振動,在不同的地層中衰減的程度不同。在地鐵設(shè)計中,要針對列車在不同埋深下,地表振動影響的不同,進展必要的計算分析,對于隧道埋深方案的選擇具有重要的參考價值。擬建的北京地下直徑線,將使北京站與北京西站相聯(lián)通,設(shè)計部門提出了平均埋深分別為16、18、30的幾種初步設(shè)計方案,文獻6對不同埋深下地鐵振動在地表的傳播規(guī)律進展了研究。研究結(jié)果對隧道埋深方案的選擇具有很好的參考價值。3.2振動加速度隨距軌道中心線間隔 的分布規(guī)律由于能量的擴散和土壤對振動能量的吸收,振動波在傳播過程中將有所衰減。很多文獻認為,列車運行所產(chǎn)生的地面振動隨距軌道中心線間隔 增加而有較大的衰減。

11、例如文獻7通過對金家?guī)r隧道列車現(xiàn)場監(jiān)測得出結(jié)論:列車振動加速度和速度都隨著間隔 振源的增加而衰減。對我國幾個大城市的監(jiān)測調(diào)查也得出類似的結(jié)論,見圖1。然而,由于振動波在不同土介質(zhì)中的傳播途徑不同,很可能由于固有頻率相近發(fā)生共振現(xiàn)象;或者土層下面存在堅硬的基巖,使得振動波在基巖上反射形成振動放大區(qū),使振動加速度反彈。例如文獻8通過簡化的方法,建立了列車-軌道和路基-土層-建筑物的二維動力互相作用分析模型,用有限元計算了列車引起的振動在土層中的傳播特性及對鄰近建筑物的影響,得出圖2所示的結(jié)論,進一步說明了振動加速度反彈區(qū)的存在。文獻9在沈陽山海關(guān)鐵道路上做了現(xiàn)場監(jiān)測實驗,得出圖3所示的結(jié)論,進而驗

12、證了加速度反彈區(qū)的存在。3.3列車速度對振動加速度的影響高速列車運行引起的地面振動的振動強度一般隨列車車速的增加而增加。文獻9對沈陽哈爾濱鐵道路上某處進展了現(xiàn)場測量。為考察列車速度對地面振動加速度的影響,將不同間隔 處的振動加速度隨車速的變化繪于圖4。從圖4可以看出,地面振動加速度具有隨列車速度的進步而增大的趨勢。并且間隔 越近,差距越大。說明列車速度對近間隔 的地面振動影響較大。對于在地下隧道中列車的車速對振動強度的影響情況,文獻10對我國某城市地鐵車輛段附近進展了現(xiàn)場測試。當?shù)罔F列車以1520k/h的速度通過時,地鐵正上方居民住宅的振動高達85db,假如列車速度到達正常運行速度70k/h時

13、,其振級還要大得多?？梢?地鐵振動影響的范圍在很大程度上還取決于列車速度。鐵道科學研究院曾在北京環(huán)行線進展200k/h以上試驗列車的運行試驗,對環(huán)境振動講行了測量,見表111。從表1可以看出,在離軌道中心線20或30處,振動加速度隨列車速度增加而增加。在國外,特別是在一些高速列車比擬興旺的國家,對于列車車速對振動加速度的影響都進展了相關(guān)的研究。早在1927年,s.tishenk從理論上提出,鐵軌作為固定支承在道渣及枕木上的彈性梁,列車具有一臨界速度值,到達臨界狀態(tài)時將會發(fā)生超常的豎向運動動力放大。然而,按照通常所假定的路基剛度特點,這個臨界值估計大約為500k/h,遠遠超過現(xiàn)實中的列車速度3。

14、西班牙的g.vlberg12根據(jù)對三種不同場地的測量結(jié)果,回歸出振動級與列車速度之間的關(guān)系式:lv=60+20lg(v/40)。式中:lv為振動速度級,參考基準速度為510-8/s;v為車速,k/h。日本鐵路技術(shù)研究所對新干線的橋梁及其地面的振動進展測量后,也得到一樣的結(jié)論:在高速列車作用下,橋梁及其附近的地面不同測點的振動加速度,都隨著車速的進步而增加4。他們的經(jīng)歷關(guān)系式為:lv=10n1g(v/v0+lv)。式中:n為實驗數(shù)據(jù)確定的系數(shù),其大小反映了車速對振級大小的影響,取值范圍為1.53.5;v0為參考列車速度,k/h;lv為參考車速下的平均振級。以上得到的結(jié)果均是通過現(xiàn)場測試得出的經(jīng)歷

15、公式,另有一些學者通過理論推斷,得出一些有關(guān)列車速度對振動強度的影響結(jié)論。krylv4、13推斷,當列車車速v超過地基的rayleigh外表波速時,隨列車提速將引起地面振動的陡然增加(和普通列車相比增加70db)。這種狀況相當于流體力學中,當液體流速的雷偌數(shù)超過一定數(shù)時,液體直接從直流狀態(tài)轉(zhuǎn)變到紊流狀態(tài)。隨后挪威巖土工程研究所驗證了krylv推斷的正確性。該所的一個研究小組首次觀測到列車車速超過地基rayleigh外表波速時地面發(fā)生的劇烈運動。瑞典從哥德堡到馬爾摩干線的高速列車開通時,研究人員進展了相關(guān)測量。該地區(qū)有大量的軟土,其rayleigh波速很小,特別是ledsgard附近的rayle

16、igh波速值僅為45/s。高速列車車速為140k/h時,車速小于rayleigh波速,到車速增大到180k/h時,車速超過了rayleigh波速,結(jié)果地面振動程度增加了10倍以上。3.4列車軸重對振動加速度的影響規(guī)律列車軸重對地面振動強度也有較大的影響。通常貨車的軸重比客車大,因此貨車引起鐵路附近地面振動強度就比客車要大,見圖59。從圖5可以看出,貨車引起的振動強度要比客車高出210db,而且距鐵路越近,兩類列車引起的振動強度差異也越大。根據(jù)文獻4、13的測試結(jié)果,也有類似的結(jié)論,即:隨著列車的載重量增大,其引起的環(huán)境振動強度也增大。比方,頻率為4hz時,普通的貨車產(chǎn)生的地面振動比客車高l0d

17、b,而在8hz時高57db。這是因為貨車的車頭質(zhì)量大,所產(chǎn)生的振動約為車廂的1.52.0倍,故車頭的振動比車廂約大50%14。列車作為一個線源,在一定間隔 內(nèi)與它平行的各點的振動強度近似一樣,不管測點位于路堤還是路塹,其振動程度沒有明顯不同。4結(jié)論(1)一般情況下,列車運行所產(chǎn)生的振動加速度,隨振源埋深的增加而有較大的衰減,但衰減規(guī)律受土介質(zhì)成層分布、成分、密度、彈性模量等影響,一定深度的土層可能因為頻率相近共振等因素,發(fā)生加速度反彈區(qū)。(2)由于能量的擴散和土壤對振動能量的吸收,振動波在傳播過程中將有所衰減,列車運行所產(chǎn)生的地面振動隨距軌道中心線間隔 增加而有較大的衰減,同樣,因為土層發(fā)生共

18、振或者因為地層的基巖而存在振動反彈區(qū)。(3)軌道交通系統(tǒng)的運行引起的地面振動的振動強度,一般隨列車車速的增加而增加。另外,車速對振動的影響和地層外表的rayleigh波速有關(guān),當列車車速超過rayleigh波速時,將會引起地面振動加速度的陡然增加。(4)隨著列車載重的增加,地面振動加速度增大,重載貨車作用下的路基地面的振動強度比客車大。參考文獻:1jrgenj.grundvibratinfrtailtraffij.j.flfre-quenyniseandvibratin,1987,6(3):356-361.2jurgenj.transissinfgrund-brnevibratininbuildingj.j.flfrequenyniseandvibratin,1989,7(3):412-417.3高廣運.鐵路交通引起的環(huán)境振動a.第六屆全國土動力學學術(shù)會議論文.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002,472-476.4vvkrylv.grundvibratinbbfrhigh-speedtrainsj.j.flfrequenynis