观察者网

地铁环境振动超标影响到高精尖仪器,怎么办?

2018-04-25 14:14:24

北京地铁4号线列车在13.5米深的地下呼啸而过,100米外北京大学信息科学技术学院大楼中,一台电子显微镜内“仿佛刮起了一阵飓风”。

用肉眼看,这台1米多高的白色金属镜筒安稳立在桌上。将它调至最高精度却会发现,显示屏上的黑白图像长了“毛刺”,原本纤毫毕现的原子图案因为振动变得模糊不清。

据《中国青年报》25日报道,在北大校园内,因地铁运行受到影响的精密仪器,远不止这台价值数百万元的电镜。4号线开通时,北大有价值11亿元的精密仪器,其中4亿元的仪器受到影响

为了减少地铁振动对这些仪器的干扰,北京市和北大都付出了巨大努力。在4号线北大东门段,地铁公司铺设了最先进的减振轨道。北大专门在较远处新修了综合科研楼,转移了部分精密仪器,但地铁振动的影响仍难以消除。一些学者只能在地铁停运后的半夜做实验。

北京地铁四号线(资料图自中新网)

2019年,离综合科研楼600米的地铁16号线二期全线将会开通,北大内精密仪器将面临两面夹击的窘境。北大实验室与设备管理部环境保护办公室主任张志强认为,如果不采取更多减振措施,形势不容乐观。

规划后的2020年北京地铁线路网

面临地铁振动干扰的科研单位不止北大。中国青年报·中青在线记者了解得知,清华大学、中国科学院、复旦大学、南京大学、首都医科大学、郑州大学医学院也曾遭遇相似困境。中国科学技术大学、浙江大学、南通大学周边即将修建地铁。

城市里越来越密集的地铁网络、科研机构中越来越灵敏的精密仪器,都是中国经济社会快速发展的标志。可当高精尖仪器遇上地铁线路,谁该避让,成了难以调和的矛盾。

地铁振动的蝴蝶效应

一条条地铁轨道正在北京快速生长。到2020年,它们的总里程将有近千公里。高峰时期,近千辆列车将同时在轨道上飞驰。

在运载乘客的同时,这些重量超过100吨的列车,也成了一个个巨大的振动源。振动通过钢轮、钢轨、隧道和土壤,像波纹一样扩散到地表,进入建筑物内。

很少有人注意到这种振动给城市带来的影响。北京交通大学轨道减振与控制实验室是国内较早开展研究的团队。他们测试的数据显示,10多年间,北京市离地铁100米内的地层微振动提高了近10倍。

交通带来的微振动强度虽不算大,但持续时间长,影响隐蔽不易被发觉。它曾让捷克一座古教堂出现裂纹继而倒塌,曾长期影响巴士底歌剧院的演出效果,也曾干扰英特尔公司在集成板上雕刻纳米级电路。

在地铁激荡起的振动中,对精密仪器干扰最严重的是低频振动。这种振动波长很长,不易在土层中衰减。北大环境振动监测与评估实验室主任雷军,曾和学生拎着地震仪,测量过北京多条地铁线路,他们发现,在精密仪器更敏感的低频范围内,离地铁100米内地表振动强度比没有列车通过时高了30~100倍。

对北大和清华的精密仪器来说,地铁几乎意味着“灾难性打击”。

地铁开通之前,在这两所中国最著名的高校,因公交和铁路引起的环境振动,已逼近甚至超过某些仪器规定的安全值。不过,因为这些仪器在制订正常使用环境振动要求时留有富余量,绝大部分仍能正常工作。临近的地铁线一旦开通,两所大学中对振动敏感的精密仪器,很可能无法在最高精度下正常工作。

有学者认为,这造成巨大的浪费,“花100万美元买回来的仪器,只能当10万美元的用”。

许多仪器的使用者并不知晓,地铁振动会影响仪器。曾有同事找到雷军,抱怨实验室一台测量岩石年龄的精密仪器突然不正常了。这位老师叫来厂家,左调右调,愣是修不好,厂家也摸不着头脑。

雷军问:“什么时候开始不正常的?”对方说:“从2009年开始。”事实上,并非仪器坏了,而是地铁4号线开通后,振动干扰了仪器。

“国内研究地铁振动问题的专家,包括设备厂商,总共不到百来人。”北交大副教授马蒙感慨,这是一个非常小的学术圈子,其中大部分专家还在同一个微信群里。

10多年来,雷军一直在各种场合呼吁关注地铁振动问题。作为九三学社社员,他多次写建议书希望向全国人大反映这一问题。一有机会,他便向不了解的学者和学生科普地铁振动的影响。

在很长一段时间内,原本搞地震学的他,一门心思扑进这个冷门的学术领域。家人常劝他,别“不务正业”。

在雷军看来,这个领域相当重要。他敲着桌子问:“中国正经历工业化转型,可为什么这些年我们的科技成果都是大块头的?一些核心电子元件,包括芯片、光刻机、光栅薄材等许多领域零部件的加工,为什么即便我们买回了国外全套生产线,也造不出一样的东西?很大一个原因就是环境振动超标。今天我们已经能生产粗犷的工业品,我们的短板主要在精度上,一小一精就不行。

他曾为两个单位做过环境振动评估。一个是中国计量科学研究院,是国家最高计量科学研究中心,原址环境振动严重超标,后来搬迁到昌平,评估却发现新址仍有一些问题。另一个是某国防计量站,环境振动超标100多倍。

对专门研究环境振动的专家来说,地铁引起的微振动,看似蝴蝶扇动翅膀,但在对振动敏感的高精尖领域,足以酿成灾难性的风暴,从而制约一个国家的发展:光刻机需要在1毫米内画上千条线,需要外部环境保持极度稳定;导弹系统中高速旋转的陀螺仪,加工时必须保证质量中心和几何中心完全重合,否则就会指东打西。

两败俱伤的妥协

同许多外界学者一样,雷军原本也不知道地铁振动对精密仪器有影响。在中国,北大与地铁的激烈抗争,头一回让这一问题浮出水面。

2003年,北京市地铁4号线方案公布,将贴北大东门一路向北。地铁线两边紧密分布着北大几大理工科学院及众多重要实验室,北大相当一部分精密仪器集中在这些科研楼中。有学者提醒北大,得研究下地铁对精密仪器是否有影响。

雷军此前研究建筑物抗震,都是较大级别的振动,没怎么关注过微振动的影响。着手采集北京市其他地铁线的振动数据后,他才发现,“这个问题很复杂,比想象的要严峻得多”。

因为他和同事的报告,北大反对4号线经过。当时北大和地铁公司为两个方案反复争论:要么北大整个搬走,要么地铁4号线改线。

直至最后一次研讨会,双方仍僵持不下。那次会议由北京市一位副市长主持,邀请了一位院士和多位北大校外专家。

那位院士在会上表示,轨道隔振方案可行。他拿自己做过的一个方案打比方,“用手一摸,振动感觉不到了。”

北大一位代表当场反问:“人的手这种传感器灵敏度有多高?”北大对振动最为敏感的那台电子显微镜,敏感度是人体的成百上千倍。

会上最终形成决议,采用一个折中的方案——4号线经过北大的789米轨道段,将采用世界上最先进的轨道减振技术,也就是在钢轨下铺设钢弹簧浮置板。这种浮置板由一家德国公司发明,上面是约50厘米厚的钢筋混凝土板,下面是支撑着的钢弹簧,能将列车的振动与道床隔离。

“对列车来说,这相当于垫了一个很软的垫子,同时弹簧将振动隔开了。”北京交通大学的马蒙副教授告诉中国青年报·中青在线记者,这种轨道减振技术目前在一定程度上已到极限,更软的话,列车运行安全性可能得不到保证。

这种浮置板在总体上能很好隔振,但它也有一个很大的缺点:由于隔振原理,它对低于自振频率的振动没什么用,甚至很可能会放大。

2009年,4号线北大东门段开通后,马蒙和同事又作了测试,验证了这一理论。在马蒙看来,这段轨道减振措施还是有用的,保证了很多要求没那么高的仪器能正常使用,但对于一些极度敏感的设备,它反而会加重干扰。

地图上与地铁线路相邻的北京大学校园

北大对这个结果并不满意。经观测发现,西南边的校医院旧址振动强度稍小。北大决定在该地盖综合科研楼,将部分受影响的仪器搬过来。但受限于场地和经费,只有约三分之一的设备能入驻。

2011年,大楼地基已经打好,低层正在施工之时,另一个消息传来:地铁16号线将绕经北大西门,离综合科研楼仅200米。

由于校内精密仪器已无处可挪,北大强烈抗议。雷军分析,之所以会出现这种尴尬局面,是因为地铁公司以为减振成功了,并不知道北大正打算搬仪器。同时,他们也没将规划方案提前告知北大。

北京市拨出上千万元专项资金,让市政总院、北交大、中国电子工程设计研究院、中国铁道科学研究院及北大联合组成攻关项目组,拿出一套综合的解决方案,除了地铁轨道减振外,还包括重新设计综合科研楼,考虑在低层装减振平台,用弹簧将上面的建筑整体悬浮起来。

雷军记得那几个月,每周有两三天要开会讨论,几方经常为具体方案争得脸红脖子粗。一位电子设计院专家告诉记者,北大的要求过于理想化,而且双方对数据的采集和分析方法不同,导致数倍的差异。

有专家听过一句玩笑话:如果这事处理得不好,会影响北大“冲击诺贝尔奖”

正当各方吵得不可开交之时,项目戛然而止。据说北大领导和一位市领导在某个会议碰面,双方握手言好。地铁16号退后一步,往西绕开300多米,甩掉两座车站,北大也不再提要求。

中国铁道科学研究院研究员杨宜谦是项目组专家之一。在他看来,在这场博弈中,北大看似赢了,实则不然。这不是完美的解决方案,这恰恰是“两败俱伤的妥协”。

缺失的环保标准

杨宜谦认为,地铁退后一步,能减少对北大精密仪器的干扰,但这个距离往往不足以消除影响。另一方面,地铁改线后,失去了吸引客流的作用。

他当时建议,北大将精密仪器楼搬至郊区,从而完全排除干扰。但对许多北大教师来说,这样的建议难以接受。杨宜谦也能理解,毕竟北大建校在先,地铁在后,让谁搬谁都不乐意。

他和雷军都认同,避免这样的矛盾冲突,应当在规划时讲究先来后到。新规划的地铁线应尽可能避开对振动敏感的高新技术区域,新修建的高新区应尽可能选在没有地铁的郊区。

目前问题的症结在于,科研单位的精密仪器往往购置在先,地铁规划方案形成时却没有考虑相关影响。

杨宜谦对国外相关法律法规标准很熟悉。日本有专门的《振动法》。美国的轨道交通环境影响评价标准中涉及振动敏感设备。

这两个国家也曾有过教训。东京大学曾将一整栋楼用弹簧悬起,仍无法消除振动影响。美国华盛顿大学由于轻轨穿越校园,采用轨道减振措施,并降低车速,但15栋敏感建筑中仍有5栋振动超标。

“减振是世界难题,目前最好的办法就是避让。”雷军常举日本筑波科学城的例子。这个集聚了日本科研人才的城市始建于1963年,直到40多年后才通地铁,且同城区相隔2.5公里。

中国尚无环境振动污染防治法,虽然环境保护标准中有关于振动对居住建筑、办公建筑、医院、学校内的人影响的规定,却未涉及对精密仪器的干扰。这导致地铁规划方案进入环境影响评价阶段时,环保部门很少考虑这一层面。

最近,生态环境部发布了《环境影响评价技术导则 城市轨道交通(征求意见稿)》,但仍未提及振动对振动敏感仪器的影响。

杨宜谦还发现,连环保从业人员都对这一问题的态度存在分歧。有人认为,这一问题理所当然归环保部门管,也有人斩钉截铁地认为不归。

相关评价标准的缺位,导致很多途经科研机构及工业园区的地铁方案考虑欠周。有省会城市在规划地铁时,为了方便病人出行,特意在一家大学附属医院内设了地铁站,没想到让一些医疗检查设备没法正常使用。

发现潜在问题时,往往已经晚了。一旦某条具体地铁方案通过层层审批,“往外挪个100米都几乎不可能”。

这常造成高校与地铁的对抗。15号线原计划下穿清华大学,遭清华极力反对。最终,15号线只进入清华校内120米,没与4号线相连,形成换乘站。

早在1955年,清华大学就曾让铁路改过线。京张铁路位于清华校园同侧,振动曾严重干扰科研,在清华的争取下,铁路线向东迁了800米。

并非所有大学都拥有强大的谈判能力。有985高校没经太多考虑,直接在同意文件上盖了章。有的高校遭遇了损失,不愿意公开化。

等到地铁方案已成事实,只能采用其他减振措施。中国电子工程设计院有限公司曾给复旦大学、南京大学等多个受地铁影响的高校做过减振方案。

振动技术研究中心工程师左汉文告诉记者,目前效果最好的方案是综合减振,除了在轨道下铺设钢弹簧浮置板,同时在仪器楼修建之初装上靠弹簧撑起来的隔振支架。如果楼已竣工,只能在每一台仪器下加装减振台,成本将大大提升。

16号线开通后,北大只能采取第二种方案。北大实验室与设备管理部环境保护办公室主任张志强估计,一个最先进的空气弹簧减振台,大约要花费一两百万元,北大需要减振的仪器“在几十上百个这样的数量级”。

见证了高级的德国浮置板、繁琐的修楼搬迁和昂贵的地铁改线,北大最精密的电子显微镜未来身下还将装上复杂的减振台。但它能否逃脱地铁振动的干扰,谁也不敢保证。

中国青年报·中青在线记者 郭路瑶  (2018年04月25日 11版)

分享到
来源:中国青年报 | 责任编辑:李东尧
专题 > 科技前沿
科技前沿
小编最近文章
“中国一直是世界工厂,现在想成科技中心,可怕”
美制裁俄波及印度,60亿美元S-400订单要黄?
访美前,他还在劝
叙利亚迷局下,BBC为何怒怼两名网红?
近50年2.5万人被强制绝育,日本受害者如今要讨回公道
风闻·24小时最热
网友推荐最新闻
相关推荐
切换网页版
下载观察者App
tocomment gotop