【行業(yè)新聞】那些年，地鐵和北大的精密儀器的那些事
北京地鐵4號(hào)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(tái)電子顯微鏡內(nèi)“仿佛刮起了一陣颶風(fēng)”。
規(guī)劃后的2020年北京地鐵線路網(wǎng)
用肉眼看，這臺(tái)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(huì)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?dòng)變得模糊不清。
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(tái)價(jià)值數(shù)百萬元的電鏡。4號(hào)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(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(hào)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(dòng)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(hào)線二期全線將會(huì)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(dòng)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(huì)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。
地圖上與地鐵線路相鄰的北京大學(xué)校園。
地鐵振動(dòng)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(dòng)源。振動(dòng)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(dòng)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(dòng)提高了近10倍。
交通帶來的微振動(dòng)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(jí)電路。
在地鐵激蕩起的振動(dòng)中，對精密儀器干擾最嚴(yán)重的是低頻振動(dòng)。這種振動(dòng)波長很長，不易在土層中衰減。北大環(huán)境振動(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)要求時(shí)留有富余量，絕大部分仍能正常工作。臨近的地鐵線一旦開通，兩所大學(xué)中對振動(dòng)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(dòng)會(huì)影響儀器。曾有同事找到雷軍，抱怨實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)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?！笔聦?shí)上，并非儀器壞了，而是地鐵4號(hào)線開通后，振動(dòng)干擾了儀器。
“國內(nèi)研究地鐵振動(dòng)問題的專家，包括設(shè)備廠商，總共不到百來人?！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(dòng)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(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(dòng)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?！?/p>
他曾為兩個(gè)單位做過環(huán)境振動(dòng)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(dòng)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(dòng)超標(biāo)100多倍。
對專門研究環(huán)境振動(dòng)的專家來說，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(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(huì)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(dòng)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(hào)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(jí)別的振動(dòng)，沒怎么關(guān)注過微振動(dòng)的影響。著手采集北京市其他地鐵線的振動(dòng)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(hào)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(hào)線改線。
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主持，邀請了一位院士和多位北大校外專家。
那位院士在會(huì)上表示，軌道隔振方案可行。他拿自己做過的一個(gè)方案打比方，“用手一摸，振動(dòng)感覺不到了?！?/p>
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(dòng)最為敏感的那臺(tái)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(hào)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(dòng)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(dòng)隔開了?！北本┙煌ù髮W(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(dòng)沒什么用，甚至很可能會(huì)放大。
2009年，4號(hào)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(huì)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(dòng)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(hào)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(huì)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(tái)，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(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(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(huì)影響北大“沖擊諾貝爾獎(jiǎng)”。
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(huì)議碰面，雙方握手言好。地鐵16號(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(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，并降低車速，但15棟敏感建筑中仍有5棟振動(dòng)超標(biāo)。
“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(qū)相隔2.5公里。
中國尚無環(huán)境振動(dòng)污染防治法，雖然環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)于振動(dòng)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(dòng)對振動(dòng)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(huì)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(hào)線原計(jì)劃下穿清華大學(xué)，遭清華極力反對。最終，15號(hào)線只進(jìn)入清華校內(nèi)120米，沒與4號(hào)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(dòng)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(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(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(tái)儀器下加裝減振臺(tái)，成本將大大提升。
16號(hào)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(tái)，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(jí)”。
見證了高級(jí)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(tái)。但它能否逃脫地鐵振動(dòng)的干擾，誰也不敢保證。
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