城市軌道交通振動對古建筑影響綜述

張逸靜，陳 甦，周俊杰，孫斌彬

（蘇州大學城市軌道交通學院，江蘇 蘇州215131）

城市軌道交通振動對古建筑影響綜述

張逸靜，陳 甦，周俊杰，孫斌彬

（蘇州大學城市軌道交通學院，江蘇 蘇州215131）

城市軌道交通引起的振動對古建筑影響是當今社會的一個新問題，古建筑因為蘊含的歷史價值和不可復生性，其保護標準更為嚴格。為加強古建筑的防振保護，分別介紹了軌道交通振動的傳播途徑和對古建筑的影響機理；軌道交通振動對古建筑影響的研究方法；古建筑減振隔振的控制措施；以及國內(nèi)外的古建筑振動評價指標和標準。在總結(jié)軌道交通振動對古建筑影響的研究狀況及進展基礎(chǔ)上，提出了我國在軌道交通振動對古建筑影響方面需要進一步研究的問題。

軌道交通；古建筑；振動

改革開放以來，我國經(jīng)濟建設(shè)迅猛發(fā)展，城市規(guī)模日益擴大，與此同時，交通問題也日益突出。城市軌道交通以其占地少、運量大、速度快，以及準時、方便、舒適等優(yōu)點，正在并將最終成為城市公共交通的主動脈。城市軌道交通周邊環(huán)境通常較為復雜，在其施工和運營期間的振動及沉降將對周邊建筑物產(chǎn)生一定影響。

古建筑是中華文明的珍貴遺產(chǎn)，蘊藏著豐富的歷史文化信息，但由于歷史久遠，其結(jié)構(gòu)的耐久性、抗震性日益衰退，同時作為珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，古建筑相對于現(xiàn)代建筑有著特有的“不可復生性”。因此，對于古建筑的保護已成為目前搶救中華歷史文化遺產(chǎn)的重要內(nèi)容，其保護工作的要求更高、標準更嚴。然而，在城市規(guī)劃中，地鐵線路不可避免的會穿過古建筑附近，此時，軌道交通施工和運營引起的振動將對古建筑產(chǎn)生影響，研究其對古建筑的影響機理和特點，提出相應(yīng)保護措施已成為古建筑保護中一個至關(guān)重要的問題。

1 軌道交通振動對鄰近建筑物的影響機理

振動是國際上公認的七大公害之一，軌道交通相比地面交通，速度快、載重大、持續(xù)時間長，所引起的周圍建筑物振動也更加強烈[1]，北京、上海的有關(guān)部門根據(jù)地面線路投入運營后引起的環(huán)境噪聲問題，提出了未來城市軌道交通建設(shè)在城區(qū)范圍內(nèi)不宜發(fā)展地面線路的建議[2]。地鐵列車運行時其振動的傳播途徑為通過軌道—車輪振動—隧道結(jié)構(gòu)—周圍土層—相鄰建筑物內(nèi)—地板、墻壁、天花板振動—二次結(jié)構(gòu)噪聲[3]。地鐵引起的路面振動的頻率集中在40～90 Hz[4]，其中60～80 Hz對應(yīng)的振級最大，而傳到建筑物的振動以20 Hz以內(nèi)的低頻振動為主，其次是軌道交通引起的振動來源于列車以一定的速度通過軌道時的各種激振因素，軌道不平順是輪軌系統(tǒng)最重要的激擾根源[6]。軌道交通運行中振動大小及對周邊建筑物的影響程度與車輛、軌道、道床、隧道、地質(zhì)條件及建筑物與地鐵間距離等因素有關(guān)[7]。日本對8條鐵路線列車引起建筑物的振動影響分析后發(fā)現(xiàn)，在距軌道中心線遠近、軌道結(jié)構(gòu)類型、車體類型、車身長度、運行速度和背景振動6個主要影響因素中，距離對振動的影響最大，背景振動其次，車速對地面振動的影響相對不明顯[8]。在我國根據(jù)對廣州地鐵沿線的振動測試提出的針對不同隧道截面形狀的地表振動傳播公式中，地質(zhì)條件、列車運行速度、軌道平面曲率半徑及測點至隧道側(cè)壁距離為主要影響因素[9]。

軌道交通引起的環(huán)境振動來自于地層深部的移動振源，列車移動產(chǎn)生的行進波和鋼軌振動產(chǎn)生的振動波相疊加，通過隧道結(jié)構(gòu)和地層傳播到地表，與在地表誘發(fā)的表面波繼續(xù)疊加后向周圍傳播[10]；因此，振動主要以彈性波的形式從振源向各個方向傳播，對于半空間無限土體，傳播形式主要是縱波、橫波和表面波的組合。日本學者研究表明，對于鐵路交通產(chǎn)生的振動，位于地下2 m深處振動加速度幅值僅為地表值的20% ～50%，4 m深處為10%～30%[11-12]。振動波在傳播過程中，振動能量一部分由于彈性波的擴散而減弱，另一部分則被振動介質(zhì)的阻尼作用削弱。不同土層中，振動波的傳播路徑、衰減特性以及對鄰近建筑物的二次振動影響不同[13]。地鐵列車振動衰減的程度和規(guī)律還與振源類型、傳播方向等因素有關(guān)。從振源的埋深上看，埋深越淺，建筑物振動越大，反之則相反；從地鐵列車運行速度上看，隨著地鐵列車運行速度的提高，振動有增大的趨勢；就地面振動隨距離的衰減而言，距軌道中心線越遠，地鐵列車引起的地面振動就越小，但也有研究[14]發(fā)現(xiàn)可能由于振源頻率與該處土層固有頻率相近發(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)而存在振動加速度反彈區(qū)；就土的介質(zhì)類型而言，一般粘彈性系數(shù)越大，衰減越快，密度越高，衰減越慢[15-17]。由于地鐵列車引起的地面水平方向振動在傳導過程中的衰減要快于垂直方向，地鐵沿線建筑物內(nèi)垂直方向的振動將大于水平方向，實驗結(jié)果表明建筑物的水平振動一般約比垂直振動小10 dB[18]，因此在評價建筑物受軌道交通環(huán)境振動的影響時，可以豎直方向的振動為主。

2 研究方法

交通振動對古建筑的影響研究最早可追溯到對1964年捷克磚石結(jié)構(gòu)的古建筑教堂由于交通振動產(chǎn)生的裂縫不斷擴大以致倒塌的研究[19]，此后，一批歐洲學者紛紛對本國古建筑受交通振動的影響開展了相應(yīng)研究[20-21]。我國關(guān)注古建筑振動保護始于20世紀80年代末開展的對焦枝鐵路穿越洛陽龍門石窟保護區(qū)的振動影響研究[22]，目前，國內(nèi)軌道交通振動對古建筑影響的研究主要針對北京、西安兩地的眾多古建筑開展的。在北京，以明城墻遺址、京奉鐵路正陽門老車站舊址、正陽門和箭樓為古建筑研究對象，通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)古建筑結(jié)構(gòu)在地鐵運營下的振動是路面交通的10倍左右，交通振動引起古建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)隨水平距離和豎直距離呈規(guī)律改變，且地下結(jié)構(gòu)以豎直方向動力響應(yīng)為主，建筑物超過一定高度后，地上結(jié)構(gòu)以水平方向動力響應(yīng)為主，且地上結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)高于地下結(jié)構(gòu)；地鐵交通引起古建筑響應(yīng)的主要頻段是40～90 Hz，路面交通引起古建筑響應(yīng)的主要頻段是10～20 Hz，且路面交通引起的古建筑振動速度在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)放大現(xiàn)象[23-24]。在西安，以南城墻、鐘樓為主要研究對象，發(fā)現(xiàn)地鐵二號線單線運行通過城墻時，其振動響應(yīng)均以豎向振動為主，而當?shù)罔F二號線雙線運行通過時，其振動響應(yīng)以水平振動為主，就城墻保護的角度來說，地鐵列車的運行速度不宜過大或過小[25]。在研究地鐵2號線對古建筑振動影響的基礎(chǔ)上，對6號線3種不同線路方案優(yōu)化比選，起到降振作用[26]。

當前，軌道交通振動對古建筑影響的研究方法可歸納為以下兩類：試驗和經(jīng)驗法與數(shù)值分析法。對于既有軌道交通線路和已建建筑物可采用現(xiàn)場試驗的方法研究地鐵運行引起環(huán)境振動的衰減和分布規(guī)律，在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式用于擬建線路或建筑物振動影響的預測。國內(nèi)外已有大量學者對軌道交通引起的地層和建筑物的振動進行實測，研究振動響應(yīng)和傳播規(guī)律[27-32]，提出預測公式和評估方法[33-40]。通過實測振動對鄰近古建筑的動力影響，發(fā)現(xiàn)與普通建筑物不同，古建筑結(jié)構(gòu)以水平方向動力響應(yīng)為主[23]，這與《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》[41]中按古建筑水平方向的振動速度作為其受振動影響的評價指標是相一致的。在對130多處古建筑結(jié)構(gòu)的動力特性、響應(yīng)、彈性波傳播速度等進行現(xiàn)場實測和分析后，《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》提出了確定古建筑結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)的兩種方法：計算法和測試法，規(guī)定了古建筑結(jié)構(gòu)的動力特性、響應(yīng)的計算公式，提出了測試儀器、測試環(huán)境以及測試操作的基本要求。在國內(nèi)，通過按《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》的相應(yīng)計算公式對古建筑受軌道交通振動影響進行的初步預測分析[42-43]，發(fā)現(xiàn)由于計算公式中未能充分考慮地鐵車輛、運行速度以及文物結(jié)構(gòu)類型等相關(guān)因素的影響，因此預測結(jié)果和實際結(jié)果可能存在誤差，建議進一步加強實測以驗證計算公式準確性，使結(jié)果更加真實可靠。

由于試驗法只能針對現(xiàn)有線路且工作量較大，而經(jīng)驗法又很難全面考慮影響軌道交通振動的諸多因素，數(shù)值分析法成為了當前常用的研究方法之一。數(shù)值分析法主要借助計算機程序建立的有限元模型來模擬實際工況，模型的合理性直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度，因此模型必須能夠反映應(yīng)力波傳播的特征，捕捉介質(zhì)中的波動效應(yīng)，準確求解應(yīng)力波場。在建立數(shù)值計算模型時應(yīng)重點考慮以下問題：由于地鐵的振動荷載在土層中產(chǎn)生的應(yīng)變較小，一般土顆粒間的連接幾乎沒有遭到破壞，土骨架的變形能夠恢復，且土顆粒之間的相互位移所消耗的能量也很小，可以忽略塑性變形，因此認為土體處于理想的粘彈性力學狀態(tài)，用等效線性模型來處理土體的動力學問題；又因為應(yīng)變很小時，土體的阻尼接近于零，可以不考慮材料阻尼的影響，將土體視為彈性體；每一層土為均質(zhì)、各同向性，即每層土性質(zhì)相同，但土層性質(zhì)隨土層的不同而不同，建模時應(yīng)考慮土層的成層性；動力作用下，各層土之間、土層與地下結(jié)構(gòu)之間不發(fā)生脫離和相對滑動，即界面滿足位移協(xié)調(diào)的條件。國內(nèi)外已經(jīng)有許多關(guān)于有限元模型建立的模型尺寸[44-47]、單元格尺寸[48-51]、邊界條件[52-63]和列車荷載[64-71]方面的研究，盡管研究結(jié)果不盡相同，但為有限元模型的建立提供了多種思路。

在實際工程中對古建筑進行振動預測時，由于其結(jié)構(gòu)、材料的復雜性，若在數(shù)值模型中同時考慮建筑物和地層結(jié)構(gòu)，將不得不對建筑結(jié)構(gòu)進行大量簡化，使得預測精度和可靠度降低。因此，國內(nèi)有學者提出了采用現(xiàn)場實測與數(shù)值計算相結(jié)合的預測方法，并率先運用到預測城市軌道交通振動對精密儀器的影響[72～74]。

3 控制措施

根據(jù)振動的傳播途徑，減振隔振措施一般從振源、傳播路徑和建筑物結(jié)構(gòu)三方面考慮。在振源處，可采取車體輕量化，曲線半徑不宜過小，軌道采用無縫長鋼軌線路,對鋼軌頂面不平順進行打磨,避免凹凸等措施[75]。在傳播路徑上，我國軌道結(jié)構(gòu)既有振動控制措施主要采用彈性扣件、軌道減振器、浮置板道床等。其中，浮置板道床減振效果最佳[76]，可達20～40 dB，有研究表明在50 m范圍內(nèi)浮置板減振效果十分明顯[77]，其次為軌道減振器，各種彈性扣件減振效果也可達2～9 dB。從國外已采取鋼彈簧浮置板道床的地鐵運營情況看，被保護建筑均未受地鐵列車運營所產(chǎn)生振動的影響[78]。土層中的隔振方法主要是設(shè)置屏障，對于明溝和填充墻隔振，屏障越深，其有效頻率的下限就越低，隔振效果越好；對于多排樁，隨著排數(shù)的增加，隔振效果加強[79]。在數(shù)值模擬分析中，采用浮置板減振軌道對列車振動引起的西安鐘樓地基角點豎向速度峰值和豎向速度有效值均有明顯減少，最大減少量分別達到84.82%和87.25%，而采用隔離樁對地表速度峰值、有效值減少效果并不明顯[80]。采用浮置板減振軌道對列車振動引起的白云寺區(qū)域上部結(jié)構(gòu)頂點水平速度有效值有明顯減少，其中木結(jié)構(gòu)最大減少量達到50.0%，磚結(jié)構(gòu)最大減少量達到65.0%[81]。直接對建筑物進行基礎(chǔ)隔振或于結(jié)構(gòu)上部局部隔振也是經(jīng)常采取的措施，通常采用在建筑與基礎(chǔ)間設(shè)置隔振墊的方法[82]。例如，香港在葵青劇院的建設(shè)中考慮到地鐵的影響，采用了隔振彈簧技術(shù)。當然，地鐵在線路設(shè)計上盡量遠離敏感區(qū)是保護文物古跡最好的方式。

4 評價標準

在國外，德國DIN4150-3-1999[83]分短期振動和長期振動分別規(guī)定了確保建筑整體不發(fā)生損壞的振動標準，對振動特別敏感的建筑物和具有一定保護等級的歷史性古建筑物在1～100 Hz內(nèi)的短期振動速度限值為3～10 mm·s-1，長期振動頂層樓板水平振速限值為2.5 mm·s-1。瑞士SN640312～1992[84]根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型將建筑物分為4類，以峰值質(zhì)點速度分量的最大值作為振動容許控制量，按交通類振動和沖擊類振動分別規(guī)定了4類建筑物的振動容許速度，其中古建筑對于交通類振源的速度限值為3～5 mm·s-1。美國聯(lián)邦公共交通管理局（FTA）制定的《Transit Noise and Vibration Impact Assessment》[85]，參照瑞士標準化協(xié)會制定的標準，給出了建筑振動損傷標準，古建筑的質(zhì)點峰值速度為3.05 mm·s-1。英國TRRL的Whiffin和Leonard[86]對高速公路引起的地面振動進行了大量研究，得出結(jié)論：為使古建筑不受損壞，地面振動垂向峰值質(zhì)點振動速度不得超過2 mm·s-1。Rainer[87]針對振動對歷史建筑的影響進行了回顧，對各國的標準進行了歸納并指出，由于振動對歷史建筑影響的復雜性，關(guān)于振動對歷史影響方面的知識還不完善，沒有評價振動對歷史建筑影響的統(tǒng)一方法，需要根據(jù)不同國家的標準針對具體情況進行具體分析。

在國內(nèi)，《機械振動與沖擊建筑物的振動 振動測量及其對建筑物影響的評價指南》[88]指出，對于交通運輸類振源，應(yīng)將質(zhì)點速度作為評價量，質(zhì)點速度結(jié)構(gòu)響應(yīng)的典型范圍為0.2～50 mm·s-1。《機械工業(yè)環(huán)境保護設(shè)計規(guī)范》[89]根據(jù)振源的頻率及建筑的類型規(guī)定了一些特殊建筑物的振動容許速度，如有保護價值或?qū)φ駝犹貏e敏感的建筑和古建筑，將建筑物的合速度作為評價量，以地表作為振動控制點，給出有嚴重開裂及風蝕的古建筑允許振動為1.8～3.0 mm·s-1。《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》[41]對古建筑磚石結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和石窟按照其保護級別分別規(guī)定了相應(yīng)的容許振動標準，將古建筑的水平振動速度作為評價量，根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)類型確定不同的控制點位置，涵蓋了殿、堂、樓、閣、塔、石窟古建筑結(jié)構(gòu)類型，振動標準速度限值介于0.10～0.75 mm·s-1。

縱觀國內(nèi)外有關(guān)古建筑防振的相關(guān)規(guī)范，我國的《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》是目前國際上同類標準（振動速度）中最嚴格的，要比國外同類標準低一個數(shù)量級，但是存在對需要進行微振動保護的古建筑界定不清、以文物等級主導振動限值制定有待商榷、采用彈性波速劃分振動限值區(qū)分度太低和未考慮維護加固歷史對古建筑的積極影響等問題。因此有學者提出了一種基于《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》研究成果的、考慮修建歷史及維護加固歷史的降級方法，其目的在于放寬部分古建筑的振動容許值，以接近其真實的承受振動能力[90]。

5 結(jié)束語

城市軌道交通在我國正處于大發(fā)展的階段，如何在現(xiàn)代化進程中保護歷史文化遺產(chǎn)成為當前亟需解決的問題之一。目前，盡管關(guān)于軌道交通振動對古建筑影響已有初步研究，但還有許多問題需要進一步探討：

1）現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范僅對部分古建筑結(jié)構(gòu)類型提出了振動控制標準，尚未能全面考慮古建筑種類，如對古河道、古纖道等，目前規(guī)范還沒有對此是否需要進行微振動保護作出規(guī)定；由于古建筑建造年代、目前狀況的不同，即使是同一結(jié)構(gòu)類型，其振動控制標準也應(yīng)有所區(qū)別；

2）實際的軌道交通線型大部分為曲線和緩和曲線，而當前對振源的研究幾乎只考慮豎向振動，很少考慮到橫向沖擊的振動影響，特別是古建筑又以水平振動速度為評價指標，在數(shù)值模擬中需要進一步完善；

3）國內(nèi)對古建筑振動保護起步較晚，相關(guān)實測數(shù)據(jù)較少，試驗和經(jīng)驗法才初具雛形，而古建筑一般都有損傷或加固維修，數(shù)值模擬的可靠性也需進一步驗證，有待對古建筑建立長期的監(jiān)測機制。

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Research Review on Influence of Vibration Induced by Urban Rail Transit on Ancient Architecture

Zhang Yijing，Chen Su，Zhou Junjie，Sun Binbin
（School of Urban Rail Transportation,Soochow University,Suzhou 215131,China）

Influence of vibration induced by urban rail transit on ancient architecture is a hot issue in modern society.Because of ancient architecture’s profound historical value and the impossibility for its recovery,the protection standard of ancient architecture is stricter.Aiming at strengthening the vibration-proof protection of ancient architecture,the paper introduced transmission ways of vibration,the influencing mechanism,research methods,control measures and evaluation criteria of reducing ancient architecture’s vibration.The research status and progress of this field over the past ten years was summarized，based on which the paper put forward further issues to be studied.

urban rail transit;ancient architecture;vibration

U231

A

1005-0523（2015）06-0001-07

（責任編輯 王建華 李 萍）

2015-06-13

蘇州市軌道交通有限公司基金項目(SZZG06YJ1030009)；蘇州市科技局基金項目（SS201519）

張逸靜(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為軌道交通引起的環(huán)境振動。

陳甦(1962—)，男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為地基處理。