科研單位面臨地鐵振動干擾高精尖儀器遇地鐵誰該避讓？

減振

北京地鐵4號線列車在13.5米深的地下呼嘯而過， 100米外北京大學資訊科學技術學院大樓中，一台電子顯微鏡內“仿佛刮起了一陣颶風”。

用肉眼看，這台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，顯示幕上的黑白圖像長了“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，遠不止這台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後的半夜做實驗。

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，如果不採取更多減振措施，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·中青線上記者瞭解得知，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。

城市裡越來越密集的地鐵網路、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誌。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。

地圖上與地鐵線路相鄰的北京大學校園。

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，進入建築物內。

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。他們測試的資料顯示， 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範圍內，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餘量，

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”。

許多儀器的使用者並不知曉，地鐵振動會影響儀器。曾有同事找到雷軍，抱怨實驗室一台測量岩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：“什麼時候開始不正常的?”對方說：“從2009年開始。 ”事實上，並非儀器壞了，而是地鐵4號線開通後，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裡。

10多年來，雷軍一直在各種場合呼籲關注地鐵振動問題。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，他便向不瞭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，可為什麼這些年我們的科技成果都是大塊頭的?一些核心電子元件，包括晶片、光刻機、光柵薄材等許多領域零部件的加工，為什麼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，後來搬遷到昌平，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，加工時必須保證品質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

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號線方案公佈，將貼北大東門一路向北。地鐵線兩邊緊密分佈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。

雷軍此前研究建築物抗震，都是較大級別的振動，沒怎麼關注過微振動的影響。著手採集北京市其他地鐵線的振動資料後，他才發現，“這個問題很複雜，比想像的要嚴峻得多”。

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：要麼北大整個搬走，要麼地鐵4號線改線。

直至最後一次研討會，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：“人的手這種感測器靈敏度有多高?”北大對振動最為敏感的那台電子顯微鏡，敏感度是人體的成百上千倍。

會上最終形成決議，採用一個折中的方案——4號線經過北大的789米軌道段，將採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釐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，這相當於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·中青線上記者，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：由於隔振原理，它對低於自振頻率的振動沒什麼用，甚至很可能會放大。

2009年，4號線北大東門段開通後，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麼高的儀器能正常使用，但對於一些極度敏感的設備，它反而會加重干擾。

北大對這個結果並不滿意。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。但受限於場地和經費，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。

由於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，並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專案組，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，用彈簧將上面的建築整體懸浮起來。

雷軍記得那幾個月，每週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。一位元電子設計院專家告訴記者，北大的要求過於理想化，而且雙方對資料的採集和分析方法不同，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“衝擊諾貝爾獎”。

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號退後一步，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專案組專家之一。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，地鐵退後一步，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，地鐵改線後，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，地鐵在後，讓誰搬誰都不樂意。

他和雷軍都認同，避免這樣的矛盾衝突，應當在規劃時講究先來後到。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。

目前問題的癥結在於，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起，仍無法消除振動影響。美國華盛頓大學由於輕軌穿越校園，採用軌道減振措施，並降低車速，但15棟敏感建築中仍有5棟振動超標。

“減振是世界難題，目前最好的辦法就是避讓。”雷軍常舉日本築波科學城的例子。這個集聚了日本科研人才的城市始建於1963年，直到40多年後才通地鐵，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於振動對居住建築、辦公建築、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，生態環境部發佈了《環境影響評價技術導則城市軌道交通(徵求意見稿)》，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。京張鐵路位於清華校園同側，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。

並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，直接在同意檔上蓋了章。有的高校遭遇了損失，不願意公開化。

等到地鐵方案已成事實，只能採用其他減振措施。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，只能在每一台儀器下加裝減振台，成本將大大提升。

16號線開通後，北大只能採取第二種方案。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台，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”。