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一場關(guān)于減振的博弈

2018-08-10 14:47:47 來源:中國青年報(bào) 作者:郭路瑤 點(diǎn)擊圖片瀏覽下一頁

 

  高速行駛中的柏林地鐵列車 視覺中國供圖

  規(guī)劃后的2020年北京地鐵線路網(wǎng)。

  地圖上與地鐵線路相鄰的北京大學(xué)校園。

 

  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(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院大樓中,一臺電子顯微鏡內(nèi)“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(wěn)立在桌上。將它調(diào)至最高精度卻會發(fā)現(xiàn),顯示屏上的黑白圖像長了“毛刺”,原本纖毫畢現(xiàn)的原子圖案因?yàn)檎駝幼兊媚:磺濉?/p>

  在北大校園內(nèi),因地鐵運(yùn)行受到影響的精密儀器,遠(yuǎn)不止這臺價(jià)值數(shù)百萬元的電鏡。4號線開通時(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(shè)了最先進(jìn)的減振軌道。北大專門在較遠(yuǎn)處新修了綜合科研樓,轉(zhuǎn)移了部分精密儀器,但地鐵振動的影響仍難以消除。一些學(xué)者只能在地鐵停運(yùn)后的半夜做實(shí)驗(yàn)。

  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(nèi)精密儀器將面臨兩面夾擊的窘境。北大實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理部環(huán)境保護(hù)辦公室主任張志強(qiáng)認(rèn)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。中國青年報(bào)·中青在線記者了解得知,清華大學(xué)、中國科學(xué)院、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)、鄭州大學(xué)醫(yī)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。

  城市里越來越密集的地鐵網(wǎng)絡(luò)、科研機(jī)構(gòu)中越來越靈敏的精密儀器,都是中國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的標(biāo)志?僧(dāng)高精尖儀器遇上地鐵線路,誰該避讓,成了難以調(diào)和的矛盾。

  地鐵振動的蝴蝶效應(yīng)

  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(shí)期,近千輛列車將同時(shí)在軌道上飛馳。

  在運(yùn)載乘客的同時(shí),這些重量超過100噸的列車,也成了一個(gè)個(gè)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(kuò)散到地表,進(jìn)入建筑物內(nèi)。

  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(xué)軌道減振與控制實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)較早開展研究的團(tuán)隊(duì)。他們測試的數(shù)據(jù)顯示,10多年間,北京市離地鐵100米內(nèi)的地層微振動提高了近10倍。

  交通帶來的微振動強(qiáng)度雖不算大,但持續(xù)時(shí)間長,影響隱蔽不易被發(fā)覺。它曾讓捷克一座古教堂出現(xiàn)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(yán)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(huán)境振動監(jiān)測與評估實(shí)驗(yàn)室主任雷軍,曾和學(xué)生拎著地震儀,測量過北京多條地鐵線路,他們發(fā)現(xiàn),在精密儀器更敏感的低頻范圍內(nèi),離地鐵100米內(nèi)地表振動強(qiáng)度比沒有列車通過時(shí)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(zāi)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(huán)境振動,已逼近甚至超過某些儀器規(guī)定的安全值。不過,因?yàn)檫@些儀器在制訂正常使用環(huán)境振動要求時(shí)留有富余量,絕大部分仍能正常工作。臨近的地鐵線一旦開通,兩所大學(xué)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(xué)者認(rèn)為,這造成巨大的浪費(fèi),“花100萬美元買回來的儀器,只能當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(diào)右調(diào),愣是修不好,廠家也摸不著頭腦。

  雷軍問:“什么時(shí)候開始不正常的?”對方說:“從2009年開始。”事實(shí)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(nèi)研究地鐵振動問題的專家,包括設(shè)備廠商,總共不到百來人。”北交大副教授馬蒙感慨,這是一個(gè)非常小的學(xué)術(shù)圈子,其中大部分專家還在同一個(gè)微信群里。

  10多年來,雷軍一直在各種場合呼吁關(guān)注地鐵振動問題。作為九三學(xué)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(jī)會,他便向不了解的學(xué)者和學(xué)生科普地鐵振動的影響。

  在很長一段時(shí)間內(nèi),原本搞地震學(xué)的他,一門心思撲進(jìn)這個(gè)冷門的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。家人常勸他,別“不務(wù)正業(yè)”。

  在雷軍看來,這個(gè)領(lǐng)域相當(dāng)重要。他敲著桌子問:“中國正經(jīng)歷工業(yè)化轉(zhuǎn)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(jī)、光柵薄材等許多領(lǐng)域零部件的加工,為什么即便我們買回了國外全套生產(chǎn)線,也造不出一樣的東西?很大一個(gè)原因就是環(huán)境振動超標(biāo)。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。”

  他曾為兩個(gè)單位做過環(huán)境振動評估。一個(gè)是中國計(jì)量科學(xué)研究院,是國家最高計(jì)量科學(xué)研究中心,原址環(huán)境振動嚴(yán)重超標(biāo),后來搬遷到昌平,評估卻發(fā)現(xiàn)新址仍有一些問題。另一個(gè)是某國防計(jì)量站,環(huán)境振動超標(biāo)100多倍。

  對專門研究環(huán)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(lǐng)域,足以釀成災(zāi)難性的風(fēng)暴,從而制約一個(gè)國家的發(fā)展:光刻機(jī)需要在1毫米內(nèi)畫上千條線,需要外部環(huán)境保持極度穩(wěn)定;導(dǎo)彈系統(tǒng)中高速旋轉(zhuǎn)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,否則就會指東打西。

  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對精密儀器有影響。在中國,北大與地鐵的激烈抗?fàn),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(xué)院及眾多重要實(shí)驗(yàn)室,北大相當(dāng)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,沒怎么關(guān)注過微振動的影響。著手采集北京市其他地鐵線的振動數(shù)據(jù)后,他才發(fā)現(xiàn),“這個(gè)問題很復(fù)雜,比想象的要嚴(yán)峻得多”。

  因?yàn)樗屯碌膱?bào)告,北大反對4號線經(jīng)過。當(dāng)時(shí)北大和地鐵公司為兩個(gè)方案反復(fù)爭論:要么北大整個(gè)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(gè)方案打比方,“用手一摸,振動感覺不到了。”

  北大一位代表當(dāng)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(gè)折中的方案——4號線經(jīng)過北大的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(shè)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,下面是支撐著的鋼彈簧,能將列車的振動與道床隔離。

  “對列車來說,這相當(dāng)于墊了一個(gè)很軟的墊子,同時(shí)彈簧將振動隔開了。”北京交通大學(xué)的馬蒙副教授告訴中國青年報(bào)·中青在線記者,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,列車運(yùn)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(yàn)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(shè)備,它反而會加重干擾。

  北大對這個(gè)結(jié)果并不滿意。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn),西南邊的校醫(yī)院舊址振動強(qiáng)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(jīng)費(fèi),只有約三分之一的設(shè)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:地鐵16號線將繞經(jīng)北大西門,離綜合科研樓僅200米。

  由于校內(nèi)精密儀器已無處可挪,北大強(qiáng)烈抗議。雷軍分析,之所以會出現(xiàn)這種尷尬局面,是因?yàn)榈罔F公司以為減振成功了,并不知道北大正打算搬儀器。同時(shí),他們也沒將規(guī)劃方案提前告知北大。

  北京市撥出上千萬元專項(xiàng)資金,讓市政總院、北交大、中國電子工程設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shè)計(jì)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(gè)月,每周有兩三天要開會討論,幾方經(jīng)常為具體方案爭得臉紅脖子粗。一位電子設(shè)計(jì)院專家告訴記者,北大的要求過于理想化,而且雙方對數(shù)據(jù)的采集和分析方法不同,導(dǎo)致數(shù)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(dāng)各方吵得不可開交之時(shí),項(xiàng)目戛然而止。據(jù)說北大領(lǐng)導(dǎo)和一位市領(lǐng)導(dǎo)在某個(gè)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(xué)研究院研究員楊宜謙是項(xiàng)目組專家之一。在他看來,在這場博弈中,北大看似贏了,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(biāo)準(zhǔn)

  楊宜謙認(rèn)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,地鐵改線后,失去了吸引客流的作用。

  他當(dāng)時(shí)建議,北大將精密儀器樓搬至郊區(qū),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(rèn)同,避免這樣的矛盾沖突,應(yīng)當(dāng)在規(guī)劃時(shí)講究先來后到。新規(guī)劃的地鐵線應(yīng)盡可能避開對振動敏感的高新技術(shù)區(qū)域,新修建的高新區(qū)應(yīng)盡可能選在沒有地鐵的郊區(qū)。

  目前問題的癥結(jié)在于,科研單位的精密儀器往往購置在先,地鐵規(guī)劃方案形成時(shí)卻沒有考慮相關(guān)影響。

  楊宜謙對國外相關(guān)法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)很熟悉。日本有專門的《振動法》。美國的軌道交通環(huán)境影響評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中涉及振動敏感設(shè)備。

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

  “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(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(qū)相隔2.5公里。

  中國尚無環(huán)境振動污染防治法,雖然環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)于振動對居住建筑、辦公建筑、醫(yī)院、學(xué)校內(nèi)的人影響的規(guī)定,卻未涉及對精密儀器的干擾。這導(dǎo)致地鐵規(guī)劃方案進(jìn)入環(huán)境影響評價(jià)階段時(shí),環(huán)保部門很少考慮這一層面。

  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(dǎo)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(fā)現(xiàn),連環(huán)保從業(yè)人員都對這一問題的態(tài)度存在分歧。有人認(rèn)為,這一問題理所當(dāng)然歸環(huán)保部門管,也有人斬釘截鐵地認(rèn)為不歸。

  相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的缺位,導(dǎo)致很多途經(jīng)科研機(jī)構(gòu)及工業(yè)園區(qū)的地鐵方案考慮欠周。有省會城市在規(guī)劃地鐵時(shí),為了方便病人出行,特意在一家大學(xué)附屬醫(yī)院內(nèi)設(shè)了地鐵站,沒想到讓一些醫(yī)療檢查設(shè)備沒法正常使用。

  發(fā)現(xiàn)潛在問題時(shí),往往已經(jīng)晚了。一旦某條具體地鐵方案通過層層審批,“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號線原計(jì)劃下穿清華大學(xué),遭清華極力反對。最終,15號線只進(jìn)入清華校內(nèi)120米,沒與4號線相連,形成換乘站。

  早在1955年,清華大學(xué)就曾讓鐵路改過線。京張鐵路位于清華校園同側(cè),振動曾嚴(yán)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(xué)都擁有強(qiáng)大的談判能力。有985高校沒經(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(shè)計(jì)院有限公司曾給復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)等多個(gè)受地鐵影響的高校做過減振方案。

  振動技術(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(shè)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(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理部環(huán)境保護(hù)辦公室主任張志強(qiáng)估計(jì),一個(gè)最先進(jìn)的空氣彈簧減振臺,大約要花費(fèi)一兩百萬元,北大需要減振的儀器“在幾十上百個(gè)這樣的數(shù)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(fù)雜的減振臺。但它能否逃脫地鐵振動的干擾,誰也不敢保證。

 

責(zé)任編輯: 孫麗
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