让地铁更安静

文/马蒙（北京交通大学）

二十年前，我刚来北京交通大学读书，当时北京只有地铁1号、2号和13号线。坐地铁多少还带着点体验的新鲜感，全然没想到很快地铁就完全融入每个市民的出行和生活中，更没有想到，我有机会深度参与到全国各地地铁线路的环境振动影响研究中。

作者代表中国参加在荷兰海牙举行的欧盟框架计划科研项目的开题仪式

多层交叠的轨道交通下穿比利时安特卫普历史建筑“中心火车站”

微小的振动

地铁环境振动是一个多学科交叉的前沿领域，它涉及到土木工程、机械工程、环境工程、材料科学、声学等多个一级学科。虽然这是个比较小众的研究方向，但在建设绿色环保轨道交通的目标下，这门学科的重要性也日益凸现出来。

与地铁设计建造所关注的安全性不同，环境振动关注的是舒适性问题。随着人们生活水平的日益提升，每天上百趟列车在地下穿越通行，微小的振动传到附近的建筑引起的振动噪声环境污染也逐渐受到关注。自20世纪七八十年代，国外学者意识到这一问题，并提出这种特殊污染可能会对轨道交通线路附近的居民、古建筑以及实验室内精密仪器产生潜在影响。中国地铁建造启动“开挂”模式后，这些理论上存在的三大问题，同时在北京和其他各大城市涌现出来。

地铁6号线改线

地铁振动对古建筑影响是一类很特殊的问题。历史文化名城中古建筑往往也是旅游目的地，将游客便捷地送达旅游景点是地铁选线设站需要考虑的重要因素。但微小持久的振动对古建筑完整性保护和地层稳定都会造成潜在的威胁。北京地铁6号线最初规划在文津街—景山前街一线地下东西向延伸的，但该方案受到文物专家的强烈反对，其中一个重要原因即是列车微振动问题。

当时我刚读研究生，导师安排我计算未来6号线的列车振动对故宫西北角楼、北海团城等几处古建筑的影响，计算结果超过了国家标准。我们国家的古建筑振动标准要求速度最大值控制在10-4m/s量级（注：振动可以用加速度、速度和位移来描述，但每一个描述物理量都是随时间变化的。速度最大值是指在关心的时间段内，速度绝对值最大的值。），比国外同类标准普遍严格一个数量级。这是因为国外的标准是控制古建筑不出现安全性的损坏，而中国的标准是要求古建筑的完整性不受振动影响。换言之，即使古建筑本身是安全的，但如果建筑附属壁画、彩绘、雕塑等因振动出现微小的裂缝也是不允许的。于是，为了保护北京城内的古建筑，地铁6号线改线。

中国方案

一次我和中科院周家汉教授探讨制定如此严格的标准是否科学。周教授是钱学森先生的学生，他给我讲述了钱老曾经对振动数量级问题的论述，他认为古建筑微振动比人的有感振动低一个数量级是对文物负责任的态度。但这样严格的标准自然给地铁建设带来极大的困难，有没有可能实现地铁建设与文物保护的双赢？

位于古城西安的地铁建设就必须面对这个问题。明城墙环绕古城一周，钟鼓楼位于古城中心。这个问题如果不解决西安地铁就没法进到城墙内，也将难以缓解古城内交通拥堵问题。振动预测成了首先需要解决的问题。

穿楼而过的重庆轨道交通李子坝站

这可比预测天气、预测房价走势更具挑战性。车轮和钢轨之间产生的振动会经过轨道、隧道、地层达到古建筑的基础和结构，这当中每一个环节都带有极大的不确定性，而预测的精准度必须实现在10-4m/s水平的定量化。当时，尽管国外提出过很多著名的理论预测模型，但振动在典型中国榫卯木结构中的传递衰减、多种复杂交通振动叠加影响等方面的研究依旧是空白。

西安地铁2、6号线下穿钟楼和城墙的振动问题受到了国家领导人的关注，为此西安地铁公司组织了包括机械勘察设计研究院、北京交大、上海交大等多家科研单位组成团队开展攻关。当时我也在导师的指导下直接参与了振动预测方法研究和预测模型建立。

面对严苛的古建筑评价标准，为了实现对振动的控制，科研团队提出了“多道防线”的思路，从振动产生的源头、传播途径和古建筑本体采取措施。在源头，为西安地铁下穿钟楼段特别设计了钢弹簧浮置板，即利用两列钢弹簧将整个道床浮置起来，最大可能降低轨道刚度并抑制振动向外传播。在传播途径上，团队围绕钟楼设计建造了一圈隔离桩，一方面控制盾构隧道施工通过时产生沉降，同时也期望能够阻隔一部分振动能量。在古建筑本体，对钟楼木结构进行了维护修缮，尽可能减少由于古建筑自身病害引起的振动传递放大问题。

西安地铁2号线开通试运营后，地铁公司专门组织了针对钟楼的振动测试，结果不仅满足国家标准限值，也与北京交大团队在此前发表的预测结果吻合。可以说，这是一项里程碑式的研究成果，在许多方面没有国外相似案例可参考的情况下，从预测方法到预测模型、从控制理念到控制措施都实现了突破。更重要的是，钟楼乃至西安地铁2号线下穿其他古建筑等个案的研究，不仅为国内其他历史文化名城建设轨道交通探索了一条途径，同时也给国外同类案例提供了参考。此后，意大利、伊朗等国在开展地铁建设和古建筑微振动保护时都不同程度引用和借鉴了“中国方案”。

十年减振降噪

十多年来，地铁高速建设推进了地铁环境振动这一学科领域在中国的迅速成长。我国不仅在工程实践研究中领先国际，在理论研究方面也实现了跨越式的追赶。

我读书时，国际期刊上发表的几乎所有知名模型都是欧洲学者提出的。但这几年，这一领域，中国人发表在国际顶级期刊上的文章几乎占到了80%。不过，要彻底解决地铁振动问题，建设更加绿色环保的轨道交通，我们仍然有许多挑战需要面对。比如，振动对精密仪器影响的预测和控制问题。这比古建筑还要严苛一两个数量级。国内外在解决这类问题时，大多数都采用了地铁线路改线绕避和实验室搬迁等被动应对措施。精密仪器问题涉及到的学科领域更多，不但需要跨学科的科研团队共同开展攻关，还需要地铁建设方和实验室归属方之间的相互理解和配合，以积极态度去推进这一学科的发展。

另一个需要沉下心来应对的，是地铁环境振动对人体的影响。2009年，我还在读博时，北京交通大学主办了第四届环境振动国际会议。会上，我认识了一位荷兰专家，在参观完我所在的实验室后，他邀请我们参与他正主持申报的一项欧盟框架计划。半年后，我们参加申报的项目被欧盟委员会批复，北京交大也成为在交通运输领域第一个受到欧盟委员会直接资助的中国高校。在与来自英国、荷兰等十多家科研单位的学者们共同就列车引起人体睡眠质量评价与控制问题开展系统研究，当研讨不同国家开展振动对人体影响的基础数据时，我发现中国是空白，作为项目参与单位，我们无法对项目提供来自中国数据的支撑。而英国、瑞典、荷兰、波兰等团队在整整三年里开展了持续不断的测试、问卷分析、志愿者室内试验工作，这种为了基础标准制定而开展的大量重复性的研究工作，是我们要学习的。

2022年6月1日，新的《中华人民共和国噪声污染防治法》正式实施，新的噪声法明确将轨道交通环境振动问题提升到法律层面，这为构建更加安静、绿色的轨道交通提出了更高的要求，也是这一“小众”学科领域的学者和研发人员共同努力的愿景。