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地鐵振動(dòng)蝴蝶效應影響北大4億元精密儀器 地鐵該改線(xiàn)嗎?

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  北京地鐵4號線(xiàn)列車(chē)在13.5米深的地下呼嘯而過(guò),100米外北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院大樓中,一臺電子顯微鏡內“仿佛刮起了一陣颶風(fēng)”。

  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(huì )發(fā)現,顯示屏上的黑白圖像長(cháng)了“毛刺”,原本纖毫畢現的原子圖案因為振動(dòng)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(jià)值數百萬(wàn)元的電鏡。4號線(xiàn)開(kāi)通時(shí),北大有價(jià)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(dòng)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(xiàn)北大東門(mén)段,地鐵公司鋪設了最先進(jìn)的減振軌道。北大專(zhuān)門(mén)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(dòng)的影響仍難以消除。一些學(xué)者只能在地鐵停運后的半夜做實(shí)驗。

  2019年,離綜合科研樓600米的地鐵16號線(xiàn)二期全線(xiàn)將會(huì )開(kāi)通,北大內精密儀器將面臨兩面夾擊的窘境。北大實(shí)驗室與設備管理部環(huán)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(lè )觀(guān)。

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

  城市里越來(lái)越密集的地鐵網(wǎng)絡(luò )、科研機構中越來(lái)越靈敏的精密儀器,都是中國經(jīng)濟社會(huì )快速發(fā)展的標志??僧敻呔鈨x器遇上地鐵線(xiàn)路,誰(shuí)該避讓?zhuān)闪穗y以調和的矛盾。

  規劃后的2020年北京地鐵線(xiàn)路網(wǎng)。

  地鐵振動(dòng)的蝴蝶效應

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

  在運載乘客的同時(shí),這些重量超過(guò)100噸的列車(chē),也成了一個(gè)個(gè)巨大的振動(dòng)源。振動(dòng)通過(guò)鋼輪、鋼軌、隧道和土壤,像波紋一樣擴散到地表,進(jìn)入建筑物內。

  很少有人注意到這種振動(dòng)給城市帶來(lái)的影響。北京交通大學(xué)軌道減振與控制實(shí)驗室是國內較早開(kāi)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(dòng)提高了近10倍。

  交通帶來(lái)的微振動(dòng)強度雖不算大,但持續時(shí)間長(cháng),影響隱蔽不易被發(fā)覺(jué)。它曾讓捷克一座古教堂出現裂紋繼而倒塌,曾長(cháng)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(dòng)中,對精密儀器干擾最嚴重的是低頻振動(dòng)。這種振動(dòng)波長(cháng)很長(cháng),不易在土層中衰減。北大環(huán)境振動(dòng)監測與評估實(shí)驗室主任雷軍,曾和學(xué)生拎著(zhù)地震儀,測量過(guò)北京多條地鐵線(xiàn)路,他們發(fā)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(dòng)強度比沒(méi)有列車(chē)通過(guò)時(shí)高了30~100倍。

  對北大和清華的精密儀器來(lái)說(shuō),地鐵幾乎意味著(zhù)“災難性打擊”。

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

  有學(xué)者認為,這造成巨大的浪費,“花100萬(wàn)美元買(mǎi)回來(lái)的儀器,只能當10萬(wàn)美元的用”。

  許多儀器的使用者并不知曉,地鐵振動(dòng)會(huì )影響儀器。曾有同事找到雷軍,抱怨實(shí)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(lái)廠(chǎng)家,左調右調,愣是修不好,廠(chǎng)家也摸不著(zhù)頭腦。

  雷軍問(wèn):“什么時(shí)候開(kāi)始不正常的?”對方說(shuō):“從2009年開(kāi)始?!笔聦?shí)上,并非儀器壞了,而是地鐵4號線(xiàn)開(kāi)通后,振動(dòng)干擾了儀器。

  “國內研究地鐵振動(dòng)問(wèn)題的專(zhuān)家,包括設備廠(chǎng)商,總共不到百來(lái)人?!北苯淮蟾苯淌隈R蒙感慨,這是一個(gè)非常小的學(xué)術(shù)圈子,其中大部分專(zhuān)家還在同一個(gè)微信群里。

  10多年來(lái),雷軍一直在各種場(chǎng)合呼吁關(guān)注地鐵振動(dòng)問(wèn)題。作為九三學(xué)社社員,他多次寫(xiě)建議書(shū)希望向全國人大反映這一問(wèn)題。一有機會(huì ),他便向不了解的學(xué)者和學(xué)生科普地鐵振動(dòng)的影響。

  在很長(cháng)一段時(shí)間內,原本搞地震學(xué)的他,一門(mén)心思撲進(jìn)這個(gè)冷門(mén)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。家人常勸他,別“不務(wù)正業(yè)”。

  在雷軍看來(lái),這個(gè)領(lǐng)域相當重要。他敲著(zhù)桌子問(wèn):“中國正經(jīng)歷工業(yè)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(lǐng)域零部件的加工,為什么即便我們買(mǎi)回了國外全套生產(chǎn)線(xiàn),也造不出一樣的東西?很大一個(gè)原因就是環(huán)境振動(dòng)超標。今天我們已經(jīng)能生產(chǎn)粗獷的工業(yè)品,我們的短板主要在精度上,一小一精就不行?!?/p>

  他曾為兩個(gè)單位做過(guò)環(huán)境振動(dòng)評估。一個(gè)是中國計量科學(xué)研究院,是國家最高計量科學(xué)研究中心,原址環(huán)境振動(dòng)嚴重超標,后來(lái)搬遷到昌平,評估卻發(fā)現新址仍有一些問(wèn)題。另一個(gè)是某國防計量站,環(huán)境振動(dòng)超標100多倍。

  對專(zhuān)門(mén)研究環(huán)境振動(dòng)的專(zhuān)家來(lái)說(shuō),地鐵引起的微振動(dòng),看似蝴蝶扇動(dòng)翅膀,但在對振動(dòng)敏感的高精尖領(lǐng)域,足以釀成災難性的風(fēng)暴,從而制約一個(gè)國家的發(fā)展:光刻機需要在1毫米內畫(huà)上千條線(xiàn),需要外部環(huán)境保持極度穩定;導彈系統中高速旋轉的陀螺儀,加工時(shí)必須保證質(zhì)量中心和幾何中心完全重合,否則就會(huì )指東打西。

  地圖上與地鐵線(xiàn)路相鄰的北京大學(xué)校園。

  兩敗俱傷的妥協(xié)

  同許多外界學(xué)者一樣,雷軍原本也不知道地鐵振動(dòng)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(wèn)題浮出水面。

  2003年,北京市地鐵4號線(xiàn)方案公布,將貼北大東門(mén)一路向北。地鐵線(xiàn)兩邊緊密分布著(zhù)北大幾大理工科學(xué)院及眾多重要實(shí)驗室,北大相當一部分精密儀器集中在這些科研樓中。有學(xué)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(dòng),沒(méi)怎么關(guān)注過(guò)微振動(dòng)的影響。著(zhù)手采集北京市其他地鐵線(xiàn)的振動(dòng)數據后,他才發(fā)現,“這個(gè)問(wèn)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(xiàn)經(jīng)過(guò)。當時(shí)北大和地鐵公司為兩個(gè)方案反復爭論:要么北大整個(gè)搬走,要么地鐵4號線(xiàn)改線(xiàn)。

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

  那位院士在會(huì )上表示,軌道隔振方案可行。他拿自己做過(guò)的一個(gè)方案打比方,“用手一摸,振動(dòng)感覺(jué)不到了?!?/p>

  北大一位代表當場(chǎng)反問(wèn):“人的手這種傳感器靈敏度有多高?”北大對振動(dòng)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(huì )上最終形成決議,采用一個(gè)折中的方案——4號線(xiàn)經(jīng)過(guò)北大的789米軌道段,將采用世界上最先進(jìn)的軌道減振技術(shù),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(fā)明,上面是約50厘米厚的鋼筋混凝土板,下面是支撐著(zhù)的鋼彈簧,能將列車(chē)的振動(dòng)與道床隔離。

  “對列車(chē)來(lái)說(shuō),這相當于墊了一個(gè)很軟的墊子,同時(shí)彈簧將振動(dòng)隔開(kāi)了?!北本┙煌ù髮W(xué)的馬蒙副教授告訴中國青年報中青在線(xiàn)記者,這種軌道減振技術(shù)目前在一定程度上已到極限,更軟的話(huà),列車(chē)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(gè)很大的缺點(diǎn):由于隔振原理,它對低于自振頻率的振動(dòng)沒(méi)什么用,甚至很可能會(huì )放大。

  2009年,4號線(xiàn)北大東門(mén)段開(kāi)通后,馬蒙和同事又作了測試,驗證了這一理論。在馬蒙看來(lái),這段軌道減振措施還是有用的,保證了很多要求沒(méi)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(huì )加重干擾。

  北大對這個(gè)結果并不滿(mǎn)意。經(jīng)觀(guān)測發(fā)現,西南邊的校醫院舊址振動(dòng)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(guò)來(lái)。但受限于場(chǎng)地和經(jīng)費,只有約三分之一的設備能入駐。

  2011年,大樓地基已經(jīng)打好,低層正在施工之時(shí),另一個(gè)消息傳來(lái):地鐵16號線(xiàn)將繞經(jīng)北大西門(mén),離綜合科研樓僅200米。

  由于校內精密儀器已無(wú)處可挪,北大強烈抗議。雷軍分析,之所以會(huì )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(shí),他們也沒(méi)將規劃方案提前告知北大。

  北京市撥出上千萬(wàn)元專(zhuān)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(xué)研究院及北大聯(lián)合組成攻關(guān)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(lái)。

  雷軍記得那幾個(gè)月,每周有兩三天要開(kāi)會(huì )討論,幾方經(jīng)常為具體方案爭得臉紅脖子粗。一位電子設計院專(zhuān)家告訴記者,北大的要求過(guò)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(zhuān)家聽(tīng)過(guò)一句玩笑話(huà):如果這事處理得不好,會(huì )影響北大“沖擊諾貝爾獎”。

  正當各方吵得不可開(kāi)交之時(shí),項目戛然而止。據說(shuō)北大領(lǐng)導和一位市領(lǐng)導在某個(gè)會(huì )議碰面,雙方握手言好。地鐵16號退后一步,往西繞開(kāi)300多米,甩掉兩座車(chē)站,北大也不再提要求。

  中國鐵道科學(xué)研究院研究員楊宜謙是項目組專(zhuān)家之一。在他看來(lái),在這場(chǎng)博弈中,北大看似贏(yíng)了,實(shí)則不然。這不是完美的解決方案,這恰恰是“兩敗俱傷的妥協(xié)”。

  缺失的環(huán)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(gè)距離往往不足以消除影響。另一方面,地鐵改線(xiàn)后,失去了吸引客流的作用。

  他當時(shí)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(lái)說(shuō),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(shuí)搬誰(shuí)都不樂(lè )意。

  他和雷軍都認同,避免這樣的矛盾沖突,應當在規劃時(shí)講究先來(lái)后到。新規劃的地鐵線(xiàn)應盡可能避開(kāi)對振動(dòng)敏感的高新技術(shù)區域,新修建的高新區應盡可能選在沒(méi)有地鐵的郊區。

  目前問(wèn)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(shí)卻沒(méi)有考慮相關(guān)影響。

  楊宜謙對國外相關(guān)法律法規標準很熟悉。日本有專(zhuān)門(mén)的《振動(dòng)法》。美國的軌道交通環(huán)境影響評價(jià)標準中涉及振動(dòng)敏感設備。

  這兩個(gè)國家也曾有過(guò)教訓。東京大學(xué)曾將一整棟樓用彈簧懸AX起,仍無(wú)法消除振動(dòng)影響。美國華盛頓大學(xué)由于輕軌穿越校園,采用軌道減振措施,并降低車(chē)速,但15棟敏感建筑中仍有5棟振動(dòng)超標。

  “減振是世界難題,目前最好的辦法就是避讓?!崩总姵Ee日本筑波科學(xué)城的例子。這個(gè)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(wú)環(huán)境振動(dòng)污染防治法,雖然環(huán)境保護標準中有關(guān)于振動(dòng)對居住建筑、辦公建筑、醫院、學(xué)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(jìn)入環(huán)境影響評價(jià)階段時(shí),環(huán)保部門(mén)很少考慮這一層面。

  最近,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導則 城市軌道交通(征求意見(jiàn)稿)》,但仍未提及振動(dòng)對振動(dòng)敏感儀器的影響。

  楊宜謙還發(fā)現,連環(huán)保從業(yè)人員都對這一問(wèn)題的態(tài)度存在分歧。有人認為,這一問(wèn)題理所當然歸環(huán)保部門(mén)管,也有人斬釘截鐵地認為不歸。

  相關(guān)評價(jià)標準的缺位,導致很多途經(jīng)科研機構及工業(yè)園區的地鐵方案考慮欠周。有省會(huì )城市在規劃地鐵時(shí),為了方便病人出行,特意在一家大學(xué)附屬醫院內設了地鐵站,沒(méi)想到讓一些醫療檢查設備沒(méi)法正常使用。

  發(fā)現潛在問(wèn)題時(shí),往往已經(jīng)晚了。一旦某條具體地鐵方案通過(guò)層層審批,“往外挪個(gè)100米都幾乎不可能”。

  這常造成高校與地鐵的對抗。15號線(xiàn)原計劃下穿清華大學(xué),遭清華極力反對。最終,15號線(xiàn)只進(jìn)入清華校內120米,沒(méi)與4號線(xiàn)相連,形成換乘站。

  早在1955年,清華大學(xué)就曾讓鐵路改過(guò)線(xiàn)。京張鐵路位于清華校園同側,振動(dòng)曾嚴重干擾科研,在清華的爭取下,鐵路線(xiàn)向東遷了800米。

  并非所有大學(xué)都擁有強大的談判能力。有985高校沒(méi)經(jīng)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(kāi)化。

  等到地鐵方案已成事實(shí),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(xué)、南京大學(xué)等多個(gè)受地鐵影響的高校做過(guò)減振方案。

  振動(dòng)技術(shù)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(shí)在儀器樓修建之初裝上靠彈簧撐起來(lái)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(xiàn)開(kāi)通后,北大只能采取第二種方案。北大實(shí)驗室與設備管理部環(huán)境保護辦公室主任張志強估計,一個(gè)最先進(jìn)的空氣彈簧減振臺,大約要花費一兩百萬(wàn)元,北大需要減振的儀器“在幾十上百個(gè)這樣的數量級”。

  見(jiàn)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(xiàn),北大最精密的電子顯微鏡未來(lái)身下還將裝上復雜的減振臺。但它能否逃脫地鐵振動(dòng)的干擾,誰(shuí)也不敢保證。


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