北京地鐵4號線(xiàn)列車(chē)在13.5米深的地下呼嘯而過(guò)，100米外北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院大樓中，一臺電子顯微鏡內“仿佛刮起了一陣颶風(fēng)”。
用肉眼看，這臺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(huì )發(fā)現，顯示屏上的黑白圖像長(cháng)了“毛刺”，原本纖毫畢現的原子圖案因為振動(dòng)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(jià)值數百萬(wàn)元的電鏡。4號線(xiàn)開(kāi)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號線(xiàn)北大東門(mén)段，地鐵公司鋪設了最先進(jìn)的減振軌道。北大專(zhuān)門(mén)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(dòng)的影響仍難以消除。一些學(xué)者只能在地鐵停運后的半夜做實(shí)驗。
2019年，離綜合科研樓600米的地鐵16號線(xiàn)二期全線(xiàn)將會(huì )開(kāi)通，北大內精密儀器將面臨兩面夾擊的窘境。北大實(shí)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(lè )觀(guān)。
面臨地鐵振動(dòng)干擾的科研單位不止北大。記者了解得知，清華大學(xué)、中國科學(xué)院、復旦大學(xué)、南京大學(xué)、首都醫科大學(xué)、鄭州大學(xué)醫學(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(lái)越密集的地鐵網(wǎng)絡(luò )、科研機構中越來(lái)越靈敏的精密儀器，都是中國經(jīng)濟社會(huì )快速發(fā)展的標志?？僧敻呔鈨x器遇上地鐵線(xiàn)路，誰(shuí)該避讓?zhuān)闪穗y以調和的矛盾。
規劃后的2020年北京地鐵線(xiàn)路網(wǎng)。
地鐵振動(dòng)的蝴蝶效應
一條條地鐵軌道正在北京快速生長(cháng)。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(chē)將同時(shí)在軌道上飛馳。
在運載乘客的同時(shí)，這些重量超過(guò)100噸的列車(chē)，也成了一個(gè)個(gè)巨大的振動(dòng)源。振動(dòng)通過(guò)鋼輪、鋼軌、隧道和土壤，像波紋一樣擴散到地表，進(jìn)入建筑物內。
很少有人注意到這種振動(dòng)給城市帶來(lái)的影響。北京交通大學(xué)軌道減振與控制實(shí)驗室是國內較早開(kāi)展研究的團隊。他們測試的數據顯示，10多年間，北京市離地鐵100米內的地層微振動(dòng)提高了近10倍。
交通帶來(lái)的微振動(dòng)強度雖不算大，但持續時(shí)間長(cháng)，影響隱蔽不易被發(fā)覺(jué)。它曾讓捷克一座古教堂出現裂紋繼而倒塌，曾長(cháng)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(dòng)中，對精密儀器干擾最嚴重的是低頻振動(dòng)。這種振動(dòng)波長(cháng)很長(cháng)，不易在土層中衰減。北大環(huán)境振動(dòng)監測與評估實(shí)驗室主任雷軍，曾和學(xué)生拎著(zhù)地震儀，測量過(guò)北京多條地鐵線(xiàn)路，他們發(fā)現，在精密儀器更敏感的低頻范圍內，離地鐵100米內地表振動(dòng)強度比沒(méi)有列車(chē)通過(guò)時(shí)高了30~100倍。
對北大和清華的精密儀器來(lái)說(shuō)，地鐵幾乎意味著(zhù)“災難性打擊”。
地鐵開(kāi)通之前，在這兩所中國最著(zhù)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(guò)某些儀器規定的安全值。不過(guò)，因為這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(xiàn)一旦開(kāi)通，兩所大學(xué)中對振動(dòng)敏感的精密儀器，很可能無(wú)法在最高精度下正常工作。
有學(xué)者認為，這造成巨大的浪費，“花100萬(wàn)美元買(mǎi)回來(lái)的儀器，只能當10萬(wàn)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(lái)廠(chǎng)家，左調右調，愣是修不好，廠(chǎng)家也摸不著(zhù)頭腦。
雷軍問(wèn)：“什么時(shí)候開(kāi)始不正常的？”對方說(shuō)：“從2009年開(kāi)始?！笔聦?shí)上，并非儀器壞了，而是地鐵4號線(xiàn)開(kāi)通后，振動(dòng)干擾了儀器。
“國內研究地鐵振動(dòng)問(wèn)題的專(zhuān)家，包括設備廠(chǎng)商，總共不到百來(lái)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(zhuān)家還在同一個(gè)微信群里。
10多年來(lái)，雷軍一直在各種場(chǎng)合呼吁關(guān)注地鐵振動(dòng)問(wèn)題。作為九三學(xué)社社員，他多次寫(xiě)建議書(shū)希望向全國人大反映這一問(wèn)題。一有機會(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(cháng)一段時(shí)間內，原本搞地震學(xué)的他，一門(mén)心思撲進(jìn)這個(gè)冷門(mén)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(lái)，這個(gè)領(lǐng)域相當重要。他敲著(zhù)桌子問(wèn)：“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(lǐng)域零部件的加工，為什么即便我們買(mǎi)回了國外全套生產(chǎn)線(xiàn)，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。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(guò)環(huán)境振動(dòng)評估。一個(gè)是中國計量科學(xué)研究院，是國家最高計量科學(xué)研究中心，原址環(huán)境振動(dòng)嚴重超標，后來(lái)搬遷到昌平，評估卻發(fā)現新址仍有一些問(wèn)題。另一個(gè)是某國防計量站，環(huán)境振動(dòng)超標100多倍。
對專(zhuān)門(mén)研究環(huán)境振動(dòng)的專(zhuān)家來(lái)說(shuō)，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，足以釀成災難性的風(fēng)暴，從而制約一個(gè)國家的發(fā)展：光刻機需要在1毫米內畫(huà)上千條線(xiàn)，需要外部環(huán)境保持極度穩定；導彈系統中高速旋轉的陀螺儀，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。
地圖上與地鐵線(xiàn)路相鄰的北京大學(xué)校園。
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爭，頭一回讓這一問(wèn)題浮出水面。
2003年，北京市地鐵4號線(xiàn)方案公布，將貼北大東門(mén)一路向北。地鐵線(xiàn)兩邊緊密分布著(zhù)北大幾大理工科學(xué)院及眾多重要實(shí)驗室，北大相當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，都是較大級別的振動(dòng)，沒(méi)怎么關(guān)注過(guò)微振動(dòng)的影響。著(zhù)手采集北京市其他地鐵線(xiàn)的振動(dòng)數據后，他才發(fā)現，“這個(gè)問(wèn)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(xiàn)經(jīng)過(guò)。當時(shí)北大和地鐵公司為兩個(gè)方案反復爭論：要么北大整個(gè)搬走，要么地鐵4號線(xiàn)改線(xiàn)。
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(cháng)主持，邀請了一位院士和多位北大校外專(zhuān)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(guò)的一個(gè)方案打比方，“用手一摸，振動(dòng)感覺(jué)不到了?！?/p>
北大一位代表當場(chǎng)反問(wèn)：“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號線(xiàn)經(jīng)過(guò)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(zhù)的鋼彈簧，能將列車(chē)的振動(dòng)與道床隔離。
“對列車(chē)來(lái)說(shuō)，這相當于墊了一個(gè)很軟的墊子，同時(shí)彈簧將振動(dòng)隔開(kāi)了?！北本┙煌ù髮W(xué)的馬蒙副教授告訴中國青年報中青在線(xiàn)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(huà)，列車(chē)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(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(méi)什么用，甚至很可能會(huì )放大。
2009年，4號線(xiàn)北大東門(mén)段開(kāi)通后，馬蒙和同事又作了測試，驗證了這一理論。在馬蒙看來(lái)，這段軌道減振措施還是有用的，保證了很多要求沒(méi)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(huì )加重干擾。
北大對這個(gè)結果并不滿(mǎn)意。經(jīng)觀(guān)測發(fā)現，西南邊的校醫院舊址振動(dòng)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(guò)來(lái)。但受限于場(chǎng)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(shí)，另一個(gè)消息傳來(lái)：地鐵16號線(xiàn)將繞經(jīng)北大西門(mén)，離綜合科研樓僅200米。
由于校內精密儀器已無(wú)處可挪，北大強烈抗議。雷軍分析，之所以會(huì )出現這種尷尬局面，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(shí)，他們也沒(méi)將規劃方案提前告知北大。
北京市撥出上千萬(wàn)元專(zhuān)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(xué)研究院及北大聯(lián)合組成攻關(guān)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(lái)。
雷軍記得那幾個(gè)月，每周有兩三天要開(kāi)會(huì )討論，幾方經(jīng)常為具體方案爭得臉紅脖子粗。一位電子設計院專(zhuān)家告訴記者，北大的要求過(guò)于理想化，而且雙方對數據的采集和分析方法不同，導致數倍的差異。
有專(zhuān)家聽(tīng)過(guò)一句玩笑話(huà)：如果這事處理得不好，會(huì )影響北大“沖擊諾貝爾獎”。
正當各方吵得不可開(kāi)交之時(shí)，項目戛然而止。據說(shuō)北大領(lǐng)導和一位市領(lǐng)導在某個(gè)會(huì )議碰面，雙方握手言好。地鐵16號退后一步，往西繞開(kāi)300多米，甩掉兩座車(chē)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目組專(zhuān)家之一。在他看來(lái)，在這場(chǎng)博弈中，北大看似贏(yíng)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(gè)距離往往不足以消除影響。另一方面，地鐵改線(xiàn)后，失去了吸引客流的作用。
他當時(shí)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(lái)說(shuō)，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(shuí)搬誰(shuí)都不樂(lè )意。
他和雷軍都認同，避免這樣的矛盾沖突，應當在規劃時(shí)講究先來(lái)后到。新規劃的地鐵線(xiàn)應盡可能避開(kāi)對振動(dòng)敏感的高新技術(shù)區域，新修建的高新區應盡可能選在沒(méi)有地鐵的郊區。
目前問(wèn)題的癥結在于，科研單位的精密儀器往往購置在先，地鐵規劃方案形成時(shí)卻沒(méi)有考慮相關(guān)影響。
楊宜謙對國外相關(guān)法律法規標準很熟悉。日本有專(zhuān)門(mén)的《振動(dòng)法》。美國的軌道交通環(huán)境影響評價(jià)標準中涉及振動(dòng)敏感設備。
這兩個(gè)國家也曾有過(guò)教訓。東京大學(xué)曾將一整棟樓用彈簧懸AX起，仍無(wú)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(chē)速，但15棟敏感建筑中仍有5棟振動(dòng)超標。
“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，且同城區相隔2.5公里。
中國尚無(wú)環(huán)境振動(dòng)污染防治法，雖然環(huán)境保護標準中有關(guān)于振動(dòng)對居住建筑、辦公建筑、醫院、學(xué)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(jìn)入環(huán)境影響評價(jià)階段時(shí)，環(huán)保部門(mén)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)導則 城市軌道交通（征求意見(jiàn)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，連環(huán)保從業(yè)人員都對這一問(wèn)題的態(tài)度存在分歧。有人認為，這一問(wèn)題理所當然歸環(huán)保部門(mén)管，也有人斬釘截鐵地認為不歸。
相關(guān)評價(jià)標準的缺位，導致很多途經(jīng)科研機構及工業(yè)園區的地鐵方案考慮欠周。有省會(huì )城市在規劃地鐵時(shí)，為了方便病人出行，特意在一家大學(xué)附屬醫院內設了地鐵站，沒(méi)想到讓一些醫療檢查設備沒(méi)法正常使用。
發(fā)現潛在問(wèn)題時(shí)，往往已經(jīng)晚了。一旦某條具體地鐵方案通過(guò)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號線(xiàn)原計劃下穿清華大學(xué)，遭清華極力反對。最終，15號線(xiàn)只進(jìn)入清華校內120米，沒(méi)與4號線(xiàn)相連，形成換乘站。
早在1955年，清華大學(xué)就曾讓鐵路改過(guò)線(xiàn)。京張鐵路位于清華校園同側，振動(dòng)曾嚴重干擾科研，在清華的爭取下，鐵路線(xiàn)向東遷了800米。
并非所有大學(xué)都擁有強大的談判能力。有985高校沒(méi)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(kāi)化。
等到地鐵方案已成事實(shí)，只能采用其他減振措施。中國電子工程設計院有限公司曾給復旦大學(xué)、南京大學(xué)等多個(gè)受地鐵影響的高校做過(guò)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(lái)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(xiàn)開(kāi)通后，北大只能采取第二種方案。北大實(shí)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(gè)最先進(jìn)的空氣彈簧減振臺，大約要花費一兩百萬(wàn)元，北大需要減振的儀器“在幾十上百個(gè)這樣的數量級”。
見(jiàn)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(xiàn)，北大最精密的電子顯微鏡未來(lái)身下還將裝上復雜的減振臺。但它能否逃脫地鐵振動(dòng)的干擾，誰(shuí)也不敢保證。
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