摘要：地鐵運行引發(fā)的環(huán)境振動，會對振動敏感的博物館文物產(chǎn)生不利影響。目前，國內(nèi)關(guān)于地鐵振動對鄰近博物館文物的影響以及保護館藏文物措施的研究成果不多。文章通過分析地鐵振動產(chǎn)生的原因與傳播特性、地鐵振動對博物館及館藏文物的影響，提出宜采取綜合減振措施，有效降低地鐵振動對博物館建筑的影響，以期為文物保護提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：地鐵振動；博物館文物；振動影響；減振措施

引言

地鐵在緩解城市交通壓力等方面起著至關(guān)重要的作用，然而，地鐵運行時產(chǎn)生的振動，對周邊環(huán)境的影響也日益凸顯，特別是對鄰近博物館等敏感性建筑物及其館藏文物構(gòu)成潛在威脅。博物館作為收藏、保護、展示文物的重要場所，對振動控制具有極高要求。因此，深入研究地鐵振動對鄰近博物館文物的影響，并采取有效的減振措施，對于保護文物安全、維護博物館正常運營具有重要意義。

一、地鐵振動的產(chǎn)生與傳播特性

（一）地鐵振動的產(chǎn)生

地鐵振動主要來源于列車在軌道上運行時，車輪與鋼軌之間的撞擊和摩擦。列車車輪在鋼軌上滾動時，輪軌之間的不平順性會產(chǎn)生周期性的撞擊力，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)振動。這種振動通過鋼軌、扣件、道床等傳遞到隧道結(jié)構(gòu)，進而通過土壤傳播到周邊建筑物（圖1）。

（二）地鐵振動的傳播特性

地鐵振動的傳播特性復(fù)雜且多樣，主要包括以下幾個方面：

1.頻率特性

地鐵振動頻譜一般包含低頻和高頻兩個峰值。低頻振動主要來自列車與軌道之間的相互作用，頻率范圍通常在10 Hz—15 Hz；高頻振動則主要來源于車輪與鋼軌之間的撞擊，頻率范圍在30 Hz—50 Hz。隨著距地鐵線路中心線水平距離的增大，高頻振動衰減很快，對地面建筑物有影響的振動頻率主要在20 Hz以內(nèi)[1]。

2.衰減特性

地鐵振動在傳播過程中會受到土壤、建筑物結(jié)構(gòu)等因素的影響而發(fā)生衰減。一般來說，土壤越軟、建筑物結(jié)構(gòu)越輕，振動衰減越快。此外，振動傳播距離的增加也會導(dǎo)致振動幅度的減小。

3.方向特性

地鐵振動在傳播過程中具有方向性，通常垂直于軌道方向的振動（即橫向振動）比平行于軌道方向的振動（即縱向振動）更為顯著。同時，地鐵振動還會引起地面水平向和鉛錘向的振動。這兩種振動在傳播過程中的衰減特性存在差異[2]。

二、地鐵振動對博物館文物的影響

（一）對文物本體的影響

地鐵振動長期作用于博物館建筑和文物本體，可能導(dǎo)致文物出現(xiàn)微小變形、裂縫甚至破損。特別是對于質(zhì)地脆弱或易碎易損的文物，如陶瓷、象牙器、漆木器、泥塑等，地鐵振動可能對其造成更為嚴重的損害。這些文物在長期、頻繁受到地鐵低頻微振動的影響下，勢必會產(chǎn)生疲勞性損害[3]。對于經(jīng)過修復(fù)的文物，振動可能加劇其結(jié)構(gòu)的脆弱性，增加損壞的風(fēng)險。

（二）對文物保護環(huán)境的影響

博物館內(nèi)的文物保護環(huán)境對振動控制要求極高，地鐵振動可能干擾文物保護環(huán)境的穩(wěn)定性，導(dǎo)致溫度、濕度等環(huán)境因素發(fā)生變化，從而影響文物的保存狀態(tài)。此外，地鐵振動還可能引起文物保護設(shè)施（如展柜、恒溫恒濕系統(tǒng)等）的振動，進一步加大對文物的影響。

（三）對博物館運營的影響

地鐵振動不僅影響文物的安全，還可能對博物館的正常運營造成干擾。例如：地鐵振動可能引發(fā)博物館建筑結(jié)構(gòu)的微小變形或裂縫，影響建筑的穩(wěn)定性和安全性；同時，地鐵振動還可能干擾博物館內(nèi)的精密儀器（如環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、安防設(shè)備等）的正常運行，從而影響博物館的管理和維護工作。博物館內(nèi)文物保護實驗使用的精密儀器，由于固有頻率較低，易受低頻微振動干擾，影響文物保護工作的正常進行。

三、典型案例分析

成都博物館采取一系列減振措施，以應(yīng)對地鐵振動的影響，包括建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化、隔振溝設(shè)置和地鐵軌道加裝浮置板等。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，這些措施能夠有效保障館內(nèi)文物的安全性和人員的舒適度。具體來說，成都博物館在設(shè)計時采用南北兩個單元結(jié)構(gòu)，并設(shè)置避震挑層，這種設(shè)計可以對結(jié)構(gòu)豎向振動產(chǎn)生抑制作用。此外，成都博物館還設(shè)置隔振溝和浮置板，以進一步減少地鐵運行引起的振動對建筑結(jié)構(gòu)和館藏文物的影響。

在實際應(yīng)用中，成都博物館成功抵御多次地震襲擊，證明其防震措施的有效性。例如：在2022年9月5日瀘定地震發(fā)生后，成都博物館迅速進行安全排查，確認館內(nèi)文物和設(shè)施均無損壞。這表明成都博物館的防震措施不僅在理論上可行，在實踐中也得到驗證。

西安地鐵二號線建設(shè)中使用的減振技術(shù)手段主要包括以下幾種：一是鋼彈簧浮置板道床，這是一種在特殊隔振地段采用的新技術(shù)。鋼彈簧浮置板道床由基礎(chǔ)支撐的彈簧阻尼器、鋼彈簧、阻尼劑和鋼筋混凝土道床板組成，各道床板之間通過橡膠鍵連接。該結(jié)構(gòu)的固有頻率較低，約為5 Hz—7 Hz，能有效減振和消除固體聲，減振效果可達20 dB—25 dB。二是整體式可調(diào)節(jié)框架板，這種技術(shù)在國內(nèi)首次應(yīng)用于地鐵軌道鋪設(shè)中，通過在軌道下加橡膠墊，使軌道始終處于水平線，避免因地面沉降而產(chǎn)生顛簸。三是隔離樁，在鐘樓臺基周圍設(shè)置隔離排樁，以減少地鐵長期運行對鐘樓建筑的振動影響。經(jīng)過后期的振動監(jiān)測，地表水平向振動能減少50 %—70 %，豎向振動能減少40 %—50 %。

四、地鐵振動對博物館文物影響的控制措施

（一）振源控制

1.軌道減振措施

在地鐵軌道上設(shè)置減振裝置，如減振扣件、彈性軌枕、橡膠浮置板等，以降低列車運行時產(chǎn)生的振動。這些減振裝置可以通過吸收和分散振動能量來減少振動的傳播[4]。

2.隧道結(jié)構(gòu)減振

優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工，如采用雙層隧道壁、在隧道壁與土壤之間設(shè)置隔振層等，以減少振動在隧道結(jié)構(gòu)中的傳播。

3.列車運行控制

通過調(diào)整列車的運行速度、運行間隔等參數(shù)，降低列車運行時產(chǎn)生的振動強度。此外，還可以采用新型列車車輛和車輪材料，以減少輪軌之間的撞擊和摩擦。

（二）傳播途徑控制

傳播途徑控制是指通過阻斷或減弱振動在土壤和建筑物中的傳播路徑來降低振動的影響，主要包括以下幾個方面：

1.設(shè)置隔振溝或隔振樁

在博物館與地鐵線路間設(shè)置隔振溝或隔振樁，以阻斷振動在土壤中的傳播路徑（圖2）。隔振溝的寬度和深度應(yīng)根據(jù)實際情況進行合理設(shè)計，以確保其隔振效果。

2.采用隔振材料

在博物館建筑基礎(chǔ)與土壤之間設(shè)置隔振層，使用隔振材料（如橡膠、泡沫等）來吸收和分散振動能量。這些隔振材料可以有效降低振動對建筑結(jié)構(gòu)的傳遞。

3.優(yōu)化建筑設(shè)計

通過優(yōu)化博物館建筑的設(shè)計，如采用重型結(jié)構(gòu)、增加建筑基礎(chǔ)的剛度等，提高建筑對振動的抵抗能力。同時，還可以在建筑內(nèi)部設(shè)置隔振裝置，如隔振支座（圖3），以減少振動對建筑內(nèi)部環(huán)境的影響。

（三）受振體控制

受振體控制是指對博物館建筑和文物本身采取相應(yīng)的保護措施，以降低振動對其的影響，主要包括以下幾個方面：

1.加強文物保護

對博物館內(nèi)的文物進行加強保護，如使用防震展柜、設(shè)置防震裝置等。這些保護措施可以有效減少振動對文物的直接作用。

2.監(jiān)測與評估

定期對博物館建筑和文物進行振動監(jiān)測和評估，以了解振動對其的影響程度。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整減振措施和文物保護方案。

3.應(yīng)急處理

制定應(yīng)急處理預(yù)案，以便在發(fā)生嚴重振動事件時能夠迅速采取措施保護文物安全。應(yīng)急處理預(yù)案應(yīng)包括疏散人員、保護文物、修復(fù)損壞設(shè)施等內(nèi)容。

五、地鐵振動影響的監(jiān)測與評估

為準確評估地鐵振動對博物館及文物的影響，需要建立科學(xué)的監(jiān)測與評估體系。監(jiān)測方法主要包括現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬兩種。

現(xiàn)場實測通常使用高靈敏度加速度傳感器，在博物館建筑的關(guān)鍵位置和文物展柜內(nèi)布設(shè)測點，長期記錄振動數(shù)據(jù)。這種方法能夠直接反映實際振動情況，但受限于測點數(shù)量和監(jiān)測周期，可能無法全面反映振動影響。

數(shù)值模擬方法則通過建立地鐵—地層—建筑物耦合模型，預(yù)測振動傳播和影響范圍。這種方法可以模擬不同工況下的振動響應(yīng)，為防護措施設(shè)計提供參考。常用的模擬軟件包括ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件。然而，數(shù)值模擬的準確性高度依賴于模型參數(shù)的選擇，需要結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行驗證和修正。

在數(shù)據(jù)分析方面，通常采用時域分析和頻域分析相結(jié)合的方法。時域分析可以直觀反映振動強度隨時間的變化，而頻域分析則有助于識別振動的主要頻率成分，這對于評估振動對特定文物的影響尤為重要。此外，還需要考慮振動的累積效應(yīng)，特別是對于長期暴露在地鐵振動環(huán)境中的博物館和文物。

六、振動控制措施的成本效益分析

實施地鐵振動控制措施要投入大量資金，包括設(shè)計費用、材料費用、施工費用以及后期維護費用等。因此，在進行振動控制措施的選擇時，須綜合考慮其成本效益。一方面，要評估各項措施的實施效果，確保其能有效降低振動對博物館及文物的影響；另一方面，要結(jié)合博物館的實際情況，如文物價值、建筑年代、地基條件等，合理選擇控制措施，避免浪費。此外，還應(yīng)考慮措施的長遠效益，如提高文物保存質(zhì)量、延長博物館使用壽命等，以全面評估其經(jīng)濟性和可行性。

結(jié)語

地鐵振動對臨近博物館文物的影響是一個復(fù)雜且重要的問題，文章深入分析地鐵振動的產(chǎn)生與傳播特性，以及其對博物館文物的影響機制和影響程度。同時提出降低地鐵振動對博物館文物影響的控制措施，并通過成都博物館等典型案例驗證文章提出的控制措施。

然而，目前關(guān)于地鐵振動對博物館文物影響的研究仍相對較少，且存在許多亟待解決的問題。例如：如何更準確地評估地鐵振動對文物的影響程度？如何更有效地降低地鐵振動對文物的影響？這些問題需要進一步深入研究和實踐探索。

未來，我們可以從以下幾個方面開展進一步的研究工作：

第一，加強基礎(chǔ)研究。深入研究地鐵振動的產(chǎn)生與傳播機制，以及其對文物的影響機理。通過理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法，建立更為準確的評估模型和方法。

第二，合作與協(xié)調(diào)。加強地鐵建設(shè)單位與博物館管理部門的溝通與協(xié)調(diào)，共同制定和執(zhí)行減振措施。在地鐵建設(shè)前進行詳細的文物調(diào)查和評估，確定文物的敏感性和保護需求。

第三，科技研發(fā)與創(chuàng)新。鼓勵和支持科技研發(fā)和創(chuàng)新，開發(fā)更加高效、環(huán)保的減振技術(shù)和材料。借鑒國內(nèi)外先進的減振經(jīng)驗和案例，結(jié)合實際情況進行推廣應(yīng)用。根據(jù)地鐵振動的特性和文物的保護要求優(yōu)化減振措施。

第四，開發(fā)基于AI的智能評估系統(tǒng)。設(shè)置振動閾值和安全邊界，當監(jiān)測到的振動數(shù)據(jù)超過閾值時，觸發(fā)預(yù)警機制。利用AI算法對預(yù)警信息進行快速分析和處理，提供緊急應(yīng)對措施和建議。

參考文獻：

[1]錢春宇，李俊連，張煒，等.地鐵施工與運營振動對文物建筑影響研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，45（19）：87-91.

[2]王耀峰.地鐵振動對博物館建筑及文物影響研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

[3]任巍.地鐵振動對博物館建筑影響及控制措施分析[J].博物院，2021（02）：124-129.

[4]劉武華.地鐵振動對成都博物館的影響研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

作者簡介：

邢志遠（1994—），男，漢族，河北滄州人。碩士研究生，研究方向：文物保護。