日本臺(tái)階儀淺析軌道交通振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器的影響

環(huán)境振動(dòng)會(huì)影響精細(xì)儀器、設(shè)備的正常工作，惹起讀數(shù)不準(zhǔn)，以至形成設(shè)備事故等。關(guān)于某些靈活度極高的設(shè)備，如電子顯微鏡，50dB以下的振動(dòng)就可能形成影響。圖1是150000倍率的電子顯微鏡在振動(dòng)環(huán)境下影像遭到影響的頻率和振幅范圍。目前，軌道交通振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器設(shè)備的影響已成為一個(gè)世界性難題。精細(xì)儀器，特別是某些納米級(jí)超精細(xì)電鏡對(duì)環(huán)境的溫度、濕度、振動(dòng)、磁場(chǎng)請(qǐng)求極高，任何微小的振動(dòng)將有可能招致成像的含糊。圖2為精細(xì)儀器在無振動(dòng)和有振動(dòng)環(huán)境下的成像比擬。

總的來說，振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器和設(shè)備的影響主要有以下幾個(gè)方面：

1. 振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器的影響

影響儀器儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，振動(dòng)過大時(shí)會(huì)使儀器儀表遭到損傷和毀壞。

影響對(duì)儀器儀表的刻度閱讀的精確性和閱讀速度，以至基本無法讀數(shù)。

對(duì)某些精細(xì)和靈活的電器，如靈活繼電器，振動(dòng)能使其自堅(jiān)持觸頭斷開，從而惹起主電路斷路等連鎖反響，形成機(jī)器停轉(zhuǎn)等嚴(yán)重事故。

2. 振動(dòng)對(duì)精細(xì)機(jī)電設(shè)備的影響

振動(dòng)會(huì)影響精細(xì)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使機(jī)械設(shè)備自身疲倦和磨損，降低機(jī)械設(shè)備的運(yùn)用壽命，以至使機(jī)械設(shè)備中的構(gòu)件發(fā)作剛度和強(qiáng)度毀壞、某些零件產(chǎn)生變形或斷裂，從而形成嚴(yán)重設(shè)備事故和人身事故。

對(duì)精細(xì)機(jī)械加工機(jī)床，振動(dòng)會(huì)使工件的加工面粗糙度和精度降落，并且還會(huì)降低刀具的運(yùn)用壽命。

國(guó)外案例概略

在國(guó)外，雖然有關(guān)精細(xì)儀器振動(dòng)規(guī)范及被動(dòng)隔振的研討展開得較早，但特地針對(duì)交通振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器影響的案例很少。比擬著名的一個(gè)例子是，西雅圖海灣運(yùn)輸局輕軌線 (LRT) 穿越華盛頓大學(xué)既有物理天文樓和規(guī)劃的生命科學(xué)樓等一系列科研建筑的潛在微振動(dòng)影響問題。

該輕軌線采用盾構(gòu)隧道經(jīng)過的型式，盾構(gòu)線間距27.4m，線路間隔華盛頓大學(xué)既有的物理及天文樓和規(guī)劃的生命科學(xué)III號(hào)樓分別為128.0m和27.4m。其中在物理及天文樓西側(cè)路段規(guī)劃修建Pacific大街站，車站采用雙圓大盾構(gòu)，盾構(gòu)外徑約11.3m，埋深53.3m；規(guī)劃生命科學(xué)III樓西側(cè)為常規(guī)盾構(gòu)區(qū)間隧道，盾構(gòu)外徑6.4m，埋深45.7m（圖3）。

物理及天文實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的精細(xì)儀器主要對(duì)6.3Hz內(nèi)低頻有較高請(qǐng)求。為了預(yù)測(cè)線路通車后的振動(dòng)影響，研討人員基于對(duì)既有波特蘭輕軌的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試類比剖析，估計(jì)西雅圖輕軌振動(dòng)不會(huì)對(duì)物理天文樓內(nèi)儀器產(chǎn)生影響。經(jīng)過對(duì)物理與天文樓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)停止連續(xù)振動(dòng)檢測(cè)，察看到當(dāng)室外交通和活動(dòng)最小時(shí)，環(huán)境振動(dòng)在0.1-1.5Hz范圍內(nèi)約為1.34μm，而經(jīng)過有限差分軟件計(jì)算預(yù)測(cè)的最不利輕軌影響為0.048~1.32μm，小于現(xiàn)況最小環(huán)境振動(dòng)程度。同時(shí)，還有限差分計(jì)算的生命科學(xué)III樓輕軌振動(dòng)預(yù)測(cè)影響為1.58~7.26μm，大于環(huán)境振動(dòng)；并剖析得到在間隔隧道中心線152m以外的振動(dòng)位移會(huì)小于現(xiàn)況背景環(huán)境振動(dòng)。

 區(qū)間盾構(gòu)與車站盾構(gòu)斷面及埋深表示圖

由于華盛頓大學(xué)請(qǐng)求：由列車惹起的振動(dòng)要小于等于現(xiàn)行的環(huán)境振動(dòng)程度，并且只承受振源減振。如圖4所示，規(guī)劃線路曾經(jīng)調(diào)整遠(yuǎn)離了物理天文樓和生命科學(xué)樓，并設(shè)計(jì)采用如下減振措施：

車速?gòu)?/span>30～55km/h降為30km/h；

采用裝備普通直接固定式扣件的雙帶狀支承浮置板軌道，自振頻率設(shè)計(jì)為12～16Hz，扣件剛度14kN/mm；

在華盛頓大學(xué)車站南側(cè)雙向穿插處施作可挪動(dòng)的點(diǎn)轍叉。經(jīng)過采用經(jīng)歷預(yù)測(cè)法：不采取減振措施時(shí)，校園內(nèi)15處敏感建筑振動(dòng)超標(biāo)；采用減振措施后，超標(biāo)的實(shí)驗(yàn)樓由15處降為5處（圖4中紫色標(biāo)注，編號(hào)為5、9、16、19、20，與新規(guī)劃線路位置關(guān)系見表1）。在其他初步滿足振動(dòng)請(qǐng)求的建筑中，間隔線路最近的1號(hào)樓新電子工程樓，程度間隔為103m、隧道埋深37.8m。從這組數(shù)據(jù)能夠看出，要單純經(jīng)過振源減振來滿足高精細(xì)儀器的振動(dòng)請(qǐng)求，對(duì)隧道埋深和程度間隔都提出了極高的請(qǐng)求。在密集的大城市中，假如僅從調(diào)整振源與敏感目的位置關(guān)系和振源減振兩方面來降低敏感度，則有可能對(duì)線路位置做出大的調(diào)整，從而失去吸收客流的意義。因此處理地鐵振動(dòng)與精細(xì)儀器的矛盾，有時(shí)是需求采取多種減隔振措施的，這也是研討難點(diǎn)所在。圖4 新規(guī)劃線（紫色）與原規(guī)劃線（黑色）比擬

 振動(dòng)超標(biāo)建筑與規(guī)劃線路位置關(guān)系

是美國(guó)另一個(gè)案例：圖中紫色輕軌線路規(guī)劃從馬里蘭大學(xué)中穿越，校園中局部建筑內(nèi)安頓有對(duì)振動(dòng)請(qǐng)求極高的NIST-A級(jí)精細(xì)儀器，圖中紅色斜線所示區(qū)域?yàn)轭A(yù)測(cè)得到的以該級(jí)別儀器為研討對(duì)象會(huì)遭到振動(dòng)影響的區(qū)域。目前，針對(duì)這一案例的處理計(jì)劃仍在研討與協(xié)商中。

輕軌穿越美國(guó)馬里蘭大學(xué)振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器影響

2008年，為評(píng)價(jià)都柏林北線地鐵 (Dublin metro north) 將來通車后振動(dòng)對(duì)沿線若干帶有精細(xì)儀器的醫(yī)院的影響，咨詢單位對(duì)沿線Mater私人醫(yī)院、Mater成人醫(yī)院、Rotunda醫(yī)院室內(nèi)停止了現(xiàn)況環(huán)境振動(dòng)測(cè)試。其中，Mater私人醫(yī)院提出醫(yī)院絕大局部精細(xì)儀器的振動(dòng)請(qǐng)求限值近似為VC曲線中的VC-C級(jí)。相關(guān)預(yù)測(cè)剖析和減隔振措施還在進(jìn)一步研討中。

左：電子顯微鏡；右：裝置有Integra800天平的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

左：Thinprep顯像系統(tǒng)；右：MRI儀器左近的混凝土底板

為研討都柏林地鐵北線而展開的既有環(huán)境振動(dòng)測(cè)試

國(guó)內(nèi)案例概略

1999年初，臺(tái)灣高鐵開工動(dòng)土，但由于高鐵惹起的振動(dòng)會(huì)對(duì)臺(tái)南科技園區(qū)內(nèi)眾多廠商的精細(xì)儀器形成影響，使得華邦、硅統(tǒng)等多家廠商相繼撤資或思索撤資�？萍紙@區(qū)中現(xiàn)能查到的儀器規(guī)范以晶圓廠中0.25μm和0.18μm的工作平臺(tái)為代表，他們對(duì)振動(dòng)的請(qǐng)求分別為通用振動(dòng)規(guī)范的VC-D級(jí)和VC-E級(jí)。為理解決高鐵振動(dòng)問題，研討人員思索了各項(xiàng)減隔振措施，包括：根底加勁結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)彈性減振墻、填充式隔振溝、蜂窩式波阻塊等。對(duì)中標(biāo)的計(jì)劃現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯現(xiàn)，減振措施能夠到達(dá)預(yù)期效果。

橋墩下方根底加勁計(jì)劃（左）及彈性減振墻計(jì)劃（右）表示圖

 挖溝回填軟質(zhì)資料計(jì)劃表示圖

蜂窩式波阻塊計(jì)劃表示圖

大陸地域早在1955年，由于京張鐵路位于清華大學(xué)校園同側(cè)，列車運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)嚴(yán)重影響了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室精細(xì)儀器的正常工作，致使許多重要實(shí)驗(yàn)無法順利停止，后經(jīng)有關(guān)部門共同協(xié)商后決議將京山鐵路向東遷移了800m，避開了清華校園。

重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋工程南城隧道穿越電子部某研討所，是一個(gè)公路交通對(duì)儀器影響的案例。該公路隧道雙洞四車道，隧道長(zhǎng)2*1025m，設(shè)計(jì)車速60km/h。隧道埋深30.78~15.67m，隧道頂板間隔儀器車間直線間隔最小只要28.64m。其中，研討所精細(xì)儀器請(qǐng)求為：最大位移<5μm，屬于對(duì)微振動(dòng)請(qǐng)求較低的儀器。經(jīng)過采用相似條件既有隧道左近現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試辦法，測(cè)試結(jié)果介于0.07~0.42μm之間，均小于5μm請(qǐng)求。

軌道交通與路面公交車流共同作用下，振動(dòng)對(duì)儀器影響的問題比擬復(fù)雜。在北京，集中了眾多科研單位，隨著城市軌道交通的修建，因而產(chǎn)生的矛盾也愈加明顯。其中，最著名的一個(gè)案例當(dāng)屬北京地鐵4號(hào)線關(guān)于臨近的北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基地的影響。自2004年9月起，由北京交通大學(xué)、北京市政設(shè)計(jì)院、北京城建立計(jì)院、北京地鐵科研所、隔而固公司以及比利時(shí)天主教魯汶大學(xué)組成的課題組，對(duì)該問題停止了一系列創(chuàng)新性的工作，客觀上大大推進(jìn)了地鐵振動(dòng)對(duì)精細(xì)儀器影響范疇的研討開展。此外，相似案例還有北京地鐵8號(hào)線規(guī)劃經(jīng)過數(shù)家安頓有重要儀器設(shè)備的科研單位，地鐵14號(hào)線規(guī)劃穿越首都醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓，北京地鐵15號(hào)線規(guī)劃穿越清華大學(xué)校園，北京地鐵3號(hào)線規(guī)劃繞行北京大學(xué)西側(cè)，北京地鐵10號(hào)線近間隔經(jīng)過中國(guó)空間技術(shù)研討院等單位。

本文由日本臺(tái)階儀采集