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地鐵振動蝴蝶效應影響北大4億元精密儀器 地鐵該改線嗎?

發布:wbopzzqm 瀏覽:630次

  北京地鐵4號線列車在13.5米深的地下呼嘯而過,100米外北京大學信息科學技術學院大樓中,一臺電子顯微鏡內“仿佛刮起了一陣颶風”。

  用肉眼看,這臺1米多高的白色金屬鏡筒安穩立在桌上。將它調至最高精度卻會發現,顯示屏上的黑白圖像長了“毛刺”,原本纖毫畢現的原子圖案因為振動變得模糊不清。

  在北大校園內,因地鐵運行受到影響的精密儀器,遠不止這臺價值數百萬元的電鏡。4號線開通時,北大有價值11億元的精密儀器,其中4億元的儀器受到影響。

  為了減少地鐵振動對這些儀器的干擾,北京市和北大都付出了巨大努力。在4號線北大東門段,地鐵公司鋪設了最先進的減振軌道。北大專門在較遠處新修了綜合科研樓,轉移了部分精密儀器,但地鐵振動的影響仍難以消除。一些學者只能在地鐵停運后的半夜做實驗。

  2019年,離綜合科研樓600米的地鐵16號線二期全線將會開通,北大內精密儀器將面臨兩面夾擊的窘境。北大實驗室與設備管理部環境保護辦公室主任張志強認為,如果不采取更多減振措施,形勢不容樂觀。

  面臨地鐵振動干擾的科研單位不止北大。記者了解得知,清華大學、中國科學院、復旦大學、南京大學、首都醫科大學、鄭州大學醫學院也曾遭遇相似困境。中國科學技術大學、浙江大學、南通大學周邊即將修建地鐵。

  城市里越來越密集的地鐵網絡、科研機構中越來越靈敏的精密儀器,都是中國經濟社會快速發展的標志。可當高精尖儀器遇上地鐵線路,誰該避讓,成了難以調和的矛盾。

  規劃后的2020年北京地鐵線路網。

  地鐵振動的蝴蝶效應

  一條條地鐵軌道正在北京快速生長。到2020年,它們的總里程將有近千公里。高峰時期,近千輛列車將同時在軌道上飛馳。

  在運載乘客的同時,這些重量超過100噸的列車,也成了一個個巨大的振動源。振動通過鋼輪、鋼軌、隧道和土壤,像波紋一樣擴散到地表,進入建筑物內。

  很少有人注意到這種振動給城市帶來的影響。北京交通大學軌道減振與控制實驗室是國內較早開展研究的團隊。他們測試的數據顯示,10多年間,北京市離地鐵100米內的地層微振動提高了近10倍。

  交通帶來的微振動強度雖不算大,但持續時間長,影響隱蔽不易被發覺。它曾讓捷克一座古教堂出現裂紋繼而倒塌,曾長期影響巴士底歌劇院的演出效果,也曾干擾英特爾公司在集成板上雕刻納米級電路。

  在地鐵激蕩起的振動中,對精密儀器干擾最嚴重的是低頻振動。這種振動波長很長,不易在土層中衰減。北大環境振動監測與評估實驗室主任雷軍,曾和學生拎著地震儀,測量過北京多條地鐵線路,他們發現,在精密儀器更敏感的低頻范圍內,離地鐵100米內地表振動強度比沒有列車通過時高了30~100倍。

  對北大和清華的精密儀器來說,地鐵幾乎意味著“災難性打擊”。

  地鐵開通之前,在這兩所中國最著名的高校,因公交和鐵路引起的環境振動,已逼近甚至超過某些儀器規定的安全值。不過,因為這些儀器在制訂正常使用環境振動要求時留有富余量,絕大部分仍能正常工作。臨近的地鐵線一旦開通,兩所大學中對振動敏感的精密儀器,很可能無法在最高精度下正常工作。

  有學者認為,這造成巨大的浪費,“花100萬美元買回來的儀器,只能當10萬美元的用”。

  許多儀器的使用者并不知曉,地鐵振動會影響儀器。曾有同事找到雷軍,抱怨實驗室一臺測量巖石年齡的精密儀器突然不正常了。這位老師叫來廠家,左調右調,愣是修不好,廠家也摸不著頭腦。

  雷軍問:“什么時候開始不正常的?”對方說:“從2009年開始。”事實上,并非儀器壞了,而是地鐵4號線開通后,振動干擾了儀器。

  “國內研究地鐵振動問題的專家,包括設備廠商,總共不到百來人。”北交大副教授馬蒙感慨,這是一個非常小的學術圈子,其中大部分專家還在同一個微信群里。

  10多年來,雷軍一直在各種場合呼吁關注地鐵振動問題。作為九三學社社員,他多次寫建議書希望向全國人大反映這一問題。一有機會,他便向不了解的學者和學生科普地鐵振動的影響。

  在很長一段時間內,原本搞地震學的他,一門心思撲進這個冷門的學術領域。家人常勸他,別“不務正業”。

  在雷軍看來,這個領域相當重要。他敲著桌子問:“中國正經歷工業化轉型,可為什么這些年我們的科技成果都是大塊頭的?一些核心電子元件,包括芯片、光刻機、光柵薄材等許多領域零部件的加工,為什么即便我們買回了國外全套生產線,也造不出一樣的東西?很大一個原因就是環境振動超標。今天我們已經能生產粗獷的工業品,我們的短板主要在精度上,一小一精就不行。”

  他曾為兩個單位做過環境振動評估。一個是中國計量科學研究院,是國家最高計量科學研究中心,原址環境振動嚴重超標,后來搬遷到昌平,評估卻發現新址仍有一些問題。另一個是某國防計量站,環境振動超標100多倍。

  對專門研究環境振動的專家來說,地鐵引起的微振動,看似蝴蝶扇動翅膀,但在對振動敏感的高精尖領域,足以釀成災難性的風暴,從而制約一個國家的發展:光刻機需要在1毫米內畫上千條線,需要外部環境保持極度穩定;導彈系統中高速旋轉的陀螺儀,加工時必須保證質量中心和幾何中心完全重合,否則就會指東打西。

  地圖上與地鐵線路相鄰的北京大學校園。

  兩敗俱傷的妥協

  同許多外界學者一樣,雷軍原本也不知道地鐵振動對精密儀器有影響。在中國,北大與地鐵的激烈抗爭,頭一回讓這一問題浮出水面。

  2003年,北京市地鐵4號線方案公布,將貼北大東門一路向北。地鐵線兩邊緊密分布著北大幾大理工科學院及眾多重要實驗室,北大相當一部分精密儀器集中在這些科研樓中。有學者提醒北大,得研究下地鐵對精密儀器是否有影響。

  雷軍此前研究建筑物抗震,都是較大級別的振動,沒怎么關注過微振動的影響。著手采集北京市其他地鐵線的振動數據后,他才發現,“這個問題很復雜,比想象的要嚴峻得多”。

  因為他和同事的報告,北大反對4號線經過。當時北大和地鐵公司為兩個方案反復爭論:要么北大整個搬走,要么地鐵4號線改線。

  直至最后一次研討會,雙方仍僵持不下。那次會議由北京市一位副市長主持,邀請了一位院士和多位北大校外專家。

  那位院士在會上表示,軌道隔振方案可行。他拿自己做過的一個方案打比方,“用手一摸,振動感覺不到了。”

  北大一位代表當場反問:“人的手這種傳感器靈敏度有多高?”北大對振動最為敏感的那臺電子顯微鏡,敏感度是人體的成百上千倍。

  會上最終形成決議,采用一個折中的方案——4號線經過北大的789米軌道段,將采用世界上最先進的軌道減振技術,也就是在鋼軌下鋪設鋼彈簧浮置板。這種浮置板由一家德國公司發明,上面是約50厘米厚的鋼筋混凝土板,下面是支撐著的鋼彈簧,能將列車的振動與道床隔離。

  “對列車來說,這相當于墊了一個很軟的墊子,同時彈簧將振動隔開了。”北京交通大學的馬蒙副教授告訴中國青年報中青在線記者,這種軌道減振技術目前在一定程度上已到極限,更軟的話,列車運行安全性可能得不到保證。

  這種浮置板在總體上能很好隔振,但它也有一個很大的缺點:由于隔振原理,它對低于自振頻率的振動沒什么用,甚至很可能會放大。

  2009年,4號線北大東門段開通后,馬蒙和同事又作了測試,驗證了這一理論。在馬蒙看來,這段軌道減振措施還是有用的,保證了很多要求沒那么高的儀器能正常使用,但對于一些極度敏感的設備,它反而會加重干擾。

  北大對這個結果并不滿意。經觀測發現,西南邊的校醫院舊址振動強度稍小。北大決定在該地蓋綜合科研樓,將部分受影響的儀器搬過來。但受限于場地和經費,只有約三分之一的設備能入駐。

  2011年,大樓地基已經打好,低層正在施工之時,另一個消息傳來:地鐵16號線將繞經北大西門,離綜合科研樓僅200米。

  由于校內精密儀器已無處可挪,北大強烈抗議。雷軍分析,之所以會出現這種尷尬局面,是因為地鐵公司以為減振成功了,并不知道北大正打算搬儀器。同時,他們也沒將規劃方案提前告知北大。

  北京市撥出上千萬元專項資金,讓市政總院、北交大、中國電子工程設計研究院、中國鐵道科學研究院及北大聯合組成攻關項目組,拿出一套綜合的解決方案,除了地鐵軌道減振外,還包括重新設計綜合科研樓,考慮在低層裝減振平臺,用彈簧將上面的建筑整體懸浮起來。

  雷軍記得那幾個月,每周有兩三天要開會討論,幾方經常為具體方案爭得臉紅脖子粗。一位電子設計院專家告訴記者,北大的要求過于理想化,而且雙方對數據的采集和分析方法不同,導致數倍的差異。

  有專家聽過一句玩笑話:如果這事處理得不好,會影響北大“沖擊諾貝爾獎”。

  正當各方吵得不可開交之時,項目戛然而止。據說北大領導和一位市領導在某個會議碰面,雙方握手言好。地鐵16號退后一步,往西繞開300多米,甩掉兩座車站,北大也不再提要求。

  中國鐵道科學研究院研究員楊宜謙是項目組專家之一。在他看來,在這場博弈中,北大看似贏了,實則不然。這不是完美的解決方案,這恰恰是“兩敗俱傷的妥協”。

  缺失的環保標準

  楊宜謙認為,地鐵退后一步,能減少對北大精密儀器的干擾,但這個距離往往不足以消除影響。另一方面,地鐵改線后,失去了吸引客流的作用。

  他當時建議,北大將精密儀器樓搬至郊區,從而完全排除干擾。但對許多北大教師來說,這樣的建議難以接受。楊宜謙也能理解,畢竟北大建校在先,地鐵在后,讓誰搬誰都不樂意。

  他和雷軍都認同,避免這樣的矛盾沖突,應當在規劃時講究先來后到。新規劃的地鐵線應盡可能避開對振動敏感的高新技術區域,新修建的高新區應盡可能選在沒有地鐵的郊區。

  目前問題的癥結在于,科研單位的精密儀器往往購置在先,地鐵規劃方案形成時卻沒有考慮相關影響。

  楊宜謙對國外相關法律法規標準很熟悉。日本有專門的《振動法》。美國的軌道交通環境影響評價標準中涉及振動敏感設備。

  這兩個國家也曾有過教訓。東京大學曾將一整棟樓用彈簧懸AX起,仍無法消除振動影響。美國華盛頓大學由于輕軌穿越校園,采用軌道減振措施,并降低車速,但15棟敏感建筑中仍有5棟振動超標。

  “減振是世界難題,目前最好的辦法就是避讓。”雷軍常舉日本筑波科學城的例子。這個集聚了日本科研人才的城市始建于1963年,直到40多年后才通地鐵,且同城區相隔2.5公里。

  中國尚無環境振動污染防治法,雖然環境保護標準中有關于振動對居住建筑、辦公建筑、醫院、學校內的人影響的規定,卻未涉及對精密儀器的干擾。這導致地鐵規劃方案進入環境影響評價階段時,環保部門很少考慮這一層面。

  最近,生態環境部發布了《環境影響評價技術導則 城市軌道交通(征求意見稿)》,但仍未提及振動對振動敏感儀器的影響。

  楊宜謙還發現,連環保從業人員都對這一問題的態度存在分歧。有人認為,這一問題理所當然歸環保部門管,也有人斬釘截鐵地認為不歸。

  相關評價標準的缺位,導致很多途經科研機構及工業園區的地鐵方案考慮欠周。有省會城市在規劃地鐵時,為了方便病人出行,特意在一家大學附屬醫院內設了地鐵站,沒想到讓一些醫療檢查設備沒法正常使用。

  發現潛在問題時,往往已經晚了。一旦某條具體地鐵方案通過層層審批,“往外挪個100米都幾乎不可能”。

  這常造成高校與地鐵的對抗。15號線原計劃下穿清華大學,遭清華極力反對。最終,15號線只進入清華校內120米,沒與4號線相連,形成換乘站。

  早在1955年,清華大學就曾讓鐵路改過線。京張鐵路位于清華校園同側,振動曾嚴重干擾科研,在清華的爭取下,鐵路線向東遷了800米。

  并非所有大學都擁有強大的談判能力。有985高校沒經太多考慮,直接在同意文件上蓋了章。有的高校遭遇了損失,不愿意公開化。

  等到地鐵方案已成事實,只能采用其他減振措施。中國電子工程設計院有限公司曾給復旦大學、南京大學等多個受地鐵影響的高校做過減振方案。

  振動技術研究中心工程師左漢文告訴記者,目前效果最好的方案是綜合減振,除了在軌道下鋪設鋼彈簧浮置板,同時在儀器樓修建之初裝上靠彈簧撐起來的隔振支架。如果樓已竣工,只能在每一臺儀器下加裝減振臺,成本將大大提升。

  16號線開通后,北大只能采取第二種方案。北大實驗室與設備管理部環境保護辦公室主任張志強估計,一個最先進的空氣彈簧減振臺,大約要花費一兩百萬元,北大需要減振的儀器“在幾十上百個這樣的數量級”。

  見證了高級的德國浮置板、繁瑣的修樓搬遷和昂貴的地鐵改線,北大最精密的電子顯微鏡未來身下還將裝上復雜的減振臺。但它能否逃脫地鐵振動的干擾,誰也不敢保證。


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