一場關于減振的博弈

　　北京地鐵4號線列車在13.5米深的地下呼嘯而過，100米外北京大學信息科學技術學院大樓中，一臺電子顯微鏡內“仿佛刮起了一陣颶風”。

　　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，遠不止這臺價值數(shù)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后的半夜做實驗。

　　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(huán)境保護辦公室主任張志強認為，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·中青在線記者了解得知，清華大學、中國科學院、復旦大學、南京大學、首都醫(yī)科大學、鄭州大學醫(yī)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。

　　城市里越來越密集的地鐵網(wǎng)絡、科研機構中越來越靈敏的精密儀器，都是中國經(jīng)濟社會快速發(fā)展的標志�？僧敻呔�尖儀器遇上地鐵線路，誰該避讓，成了難以調和的矛盾。

　　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，進入建筑物內。

　　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。他們測試的數(shù)據(jù)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(xù)時間長，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(fā)現(xiàn)，在精密儀器更敏感的低頻范圍內，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(huán)境振動，已逼近甚至超過某些儀器規(guī)定的安全值。不過，因為這些儀器在制訂正常使用環(huán)境振動要求時留有富余量，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”。

　　許多儀器的使用者并不知曉，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，左調右調，愣是修不好，廠家也摸不著頭腦。

　　雷軍問：“什么時候開始不正常的？”對方說：“從2009年開始。”事實上，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里。

　　10多年來，雷軍一直在各種場合呼吁關注地鐵振動問題。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，他便向不了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(yè)”。

　　在雷軍看來，這個領域相當重要。他敲著桌子問：“中國正經(jīng)歷工業(yè)化轉型，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、光柵薄材等許多領域零部件的加工，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？很大一個原因就是環(huán)境振動超標。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。”

　　他曾為兩個單位做過環(huán)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(huán)境振動嚴重超標，后來搬遷到昌平，評估卻發(fā)現(xiàn)新址仍有一些問題。另一個是某國防計量站，環(huán)境振動超標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域，足以釀成災難性的風暴，從而制約一個國家的發(fā)展：光刻機需要在1毫米內畫上千條線，需要外部環(huán)境保持極度穩(wěn)定；導彈系統(tǒng)中高速旋轉的陀螺儀，加工時必須保證質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。

　　雷軍此前研究建筑物抗震，都是較大級別的振動，沒怎么關注過微振動的影響。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)，“這個問題很復雜，比想象的要嚴峻得多”。

　　因為他和同事的報告，北大反對4號線經(jīng)過。當時北大和地鐵公司為兩個方案反復爭論：要么北大整個搬走，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(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，這相當于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·中青在線記者，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備，它反而會加重干擾。

　　北大對這個結果并不滿意。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，只有約三分之一的設備能入駐。

　　2011年，大樓地基已經(jīng)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(jīng)北大西門，離綜合科研樓僅200米。

　　由于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(xiàn)這種尷尬局面，是因為地鐵公司以為減振成功了，并不知道北大正打算搬儀器。同時，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(lián)合組成攻關項目組，拿出一套綜合的解決方案，除了地鐵軌道減振外，還包括重新設計綜合科研樓，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。一位電子設計院專家告訴記者，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”。

　　正當各方吵得不可開交之時，項目戛然而止。據(jù)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。

　　中國鐵道科學研究院研究員楊宜謙是項目組專家之一。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(xié)”。

　　缺失的環(huán)保標準

　　楊宜謙認為，地鐵退后一步，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，地鐵改線后，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(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。

　　他和雷軍都認同，避免這樣的矛盾沖突，應當在規(guī)劃時講究先來后到。新規(guī)劃的地鐵線應盡可能避開對振動敏感的高新技術區(qū)域，新修建的高新區(qū)應盡可能選在沒有地鐵的郊區(qū)。

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

　　楊宜謙對國外相關法律法規(guī)標準很熟悉。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。

　　“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城的例子。這個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)境保護標準中有關于振動對居住建筑、辦公建筑、醫(yī)院、學校內的人影響的規(guī)定，卻未涉及對精密儀器的干擾。這導致地鐵規(guī)劃方案進入環(huán)境影響評價階段時，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)境影響評價技術導則 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。有人認為，這一問題理所當然歸環(huán)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(jīng)科研機構及工業(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，為了方便病人出行，特意在一家大學附屬醫(yī)院內設了地鐵站，沒想到讓一些醫(yī)療檢查設備沒法正常使用。

　　發(fā)現(xiàn)潛在問題時，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。京張鐵路位于清華校園同側，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。

　　并非所有大學都擁有強大的談判能力。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，只能采用其他減振措施。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。北大實驗室與設備管理部環(huán)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臺，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(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雜的減振臺。但它能否逃脫地鐵振動的干擾，誰也不敢保證。