地铁列车运行引起的振动对精密仪器的影响研究

　　1　概　述

　　城市地铁交通在方便市民出行的同时,也存在一些亟待解决的问题,其中之一便是列车运行引起的振动会造成一定的环境影响,它可能引起邻近建筑物开裂,可能干扰精密仪器的正常使用,还会影响沿线人们的正常生活。北京地铁4号线北京大学东门站及其两侧区间隧道近距离经过北京大学理科实验基地(图1),该基地内有物理实验楼、人工微结构和微观物理国家重点实验室等多个实验室,实验室内有大量非常重要的精密仪器,这些精密仪器对环境振动的要求非常高,而北京地铁4号线运营产生的振动则可能对这些精密仪器的正常使用造成一定的影响。在实验基地内,对环境振动要求最严格的仪器(Tecnai30电子显微镜)位于物理楼内,该仪器对其安装使用场地的环境振动的要求见图2(这里以1/3倍频程内的振动加速度的均方根值来表示),图2中有两个曲线,把图2分成3个区域,如果测试到的环境振动所有频率的加速度均方根值都位于I区,则表示环境振动对此仪器的正常工作无影响;如果有部分频率的加速度值位于III区,则表示环境振动使得此仪器无法正常工作;如果有部分频率成分加速度值位于II区,则应将测试结果拿到此仪器的鉴定中心进行进一步分析,以确定此仪器是否可以正常工作。为严格起见,这里规定只要有部分频率成分加速度值进入II区或III区,即认为精密仪器受到影响。

　　针对地铁列车振动可能对实验基地内精密仪器的正常工作造成影响这个问题,在地铁4号线的设计中,包括在北京大学东门站及前后区间隧道内共采用总长789 m的钢弹簧浮置板轨道,来减小地铁列车引起的振动。而浮置板轨道的减振效果如何,采用浮置板轨道后实验室内精密仪器的正常工作是否受到影响,备受关注。

　　本文则利用所提出的数值模型,并结合现场振动实测,对北京地铁4号线列车运行引起的振动对北京大学理科实验基地内精密仪器的影响问题进行了研究,并对地铁4号线隧道内浮置板轨道的减振效果进行了探讨。为了满足实验基地内最严格仪器的要求,本文选择物理楼内Tecnai30电子显微镜的环境振动要求作为衡量实验基地内精密仪器是否受到影响的依据。

　　2　地铁列车运行引起振动的数值模型

　　此模型根据移动荷载作用下的动力响应解^[1],把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算^[2～5],而移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下的轮轨接触力。

　　2.1　移动荷载作用下的动力响应解