振动蝴蝶效应：地铁呼啸过 北大电子显微镜刮旋风！

▲高速行驶中的柏林地铁列车（视觉/中国供图）

　　北京地铁4号线列车在13.5米深的地下呼啸而过，100米外北京大学信息科学技术学院大楼中，一台电子显微镜内“仿佛刮起了一阵飓风”。

　　用肉眼看，这台1米多高的白色金属镜筒安稳立在桌上。将它调至最高精度却会发现，显示屏上的黑白图像长了“毛刺”，原本纤毫毕现的原子图案因为振动变得模糊不清。

　　在北大校园内，因地铁运行受到影响的精密仪器，远不止这台价值数百万元的电镜。4号线开通时，北大有价值11亿元的精密仪器，其中4亿元的仪器受到影响。

　　为了减少地铁振动对这些仪器的干扰，北京市和北大都付出了巨大努力。在4号线北大东门段，地铁公司铺设了最先进的减振轨道。北大专门在较远处新修了综合科研楼，转移了部分精密仪器，但地铁振动的影响仍难以消除。一些学者只能在地铁停运后的半夜做实验。

　　2019年，离综合科研楼600米的地铁16号线二期全线将会开通，北大内精密仪器将面临两面夹击的窘境。北大实验室与设备管理部环境保护办公室主任张志强认为，如果不采取更多减振措施，形势不容乐观。

　　面临地铁振动干扰的科研单位不止北大。中国青年报?中青在线记者了解得知，清华大学、中国科学院、复旦大学、南京大学、首都医科大学、郑州大学医学院也曾遭遇相似困境。中国科学技术大学、浙江大学、南通大学周边即将修建地铁。

　　城市里越来越密集的地铁网络、科研机构中越来越灵敏的精密仪器，都是中国经济社会快速发展的标志。可当高精尖仪器遇上地铁线路，谁该避让，成了难以调和的矛盾。

　　地铁振动的蝴蝶效应

　　一条条地铁轨道正在北京快速生长。到2020年，它们的总里程将有近千公里。高峰时期，近千辆列车将同时在轨道上飞驰。

　　在运载乘客的同时，这些重量超过100吨的列车，也成了一个个巨大的振动源。振动通过钢轮、钢轨、隧道和土壤，像波纹一样扩散到地表，进入建筑物内。


▲规划后的2020年北京地铁线路网。

　　很少有人注意到这种振动给城市带来的影响。北京交通大学轨道减振与控制实验室是国内较早开展研究的团队。他们测试的数据显示，10多年间，北京市离地铁100米内的地层微振动提高了近10倍。

　　交通带来的微振动强度虽不算大，但持续时间长，影响隐蔽不易被发觉。它曾让捷克一座古教堂出现裂纹继而倒塌，曾长期影响巴士底歌剧院的演出效果，也曾干扰英特尔公司在集成板上雕刻纳米级电路。

　　在地铁激荡起的振动中，对精密仪器干扰最严重的是低频振动。这种振动波长很长，不易在土层中衰减。北大环境振动监测与评估实验室主任雷军，曾和学生拎着地震仪，测量过北京多条地铁线路，他们发现，在精密仪器更敏感的低频范围内，离地铁100米内地表振动强度比没有列车通过时高了30~100倍。

　　对北大和清华的精密仪器来说，地铁几乎意味着“灾难性打击”。

　　地铁开通之前，在这两所中国最著名的高校，因公交和铁路引起的环境振动，已逼近甚至超过某些仪器规定的安全值。不过，因为这些仪器在制订正常使用环境振动要求时留有富余量，绝大部分仍能正常工作。临近的地铁线一旦开通，两所大学中对振动敏感的精密仪器，很可能无法在最高精度下正常工作。

　　有学者认为，这造成巨大的浪费，“花100万美元买回来的仪器，只能当10万美元的用”。

　　许多仪器的使用者并不知晓，地铁振动会影响仪器。曾有同事找到雷军，抱怨实验室一台测量岩石年龄的精密仪器突然不正常了。这位老师叫来厂家，左调右调，愣是修不好，厂家也摸不着头脑。

　　雷军问：“什么时候开始不正常的？”对方说：“从2009年开始。”事实上，并非仪器坏了，而是地铁4号线开通后，振动干扰了仪器。

　　“国内研究地铁振动问题的专家，包括设备厂商，总共不到百来人。”北交大副教授马蒙感慨，这是一个非常小的学术圈子，其中大部分专家还在同一个微信群里。

　　10多年来，雷军一直在各种场合呼吁关注地铁振动问题。一有机会，他便向不了解的学者和学生科普地铁振动的影响。

　　在很长一段时间内，原本搞地震学的他，一门心思扑进这个冷门的学术领域。家人常劝他，别“不务正业”。

　　在雷军看来，这个领域相当重要。他敲着桌子问：“中国正经历工业化转型，可为什么这些年我们的科技成果都是大块头的？一些核心电子元件，包括芯片、光刻机、光栅薄材等许多领域零部件的加工，为什么即便我们买回了国外全套生产线，也造不出一样的东西？很大一个原因就是环境振动超标。今天我们已经能生产粗犷的工业品，我们的短板主要在精度上，一小一精就不行。”

　　他曾为两个单位做过环境振动评估。一个是中国计量科学研究院，是国家最高计量科学研究中心，原址环境振动严重超标，后来搬迁到昌平，评估却发现新址仍有一些问题。另一个是某国防计量站，环境振动超标100多倍。

　　对专门研究环境振动的专家来说，地铁引起的微振动，看似蝴蝶扇动翅膀，但在对振动敏感的高精尖领域，足以酿成灾难性的风暴，从而制约一个国家的发展：光刻机需要在1毫米内画上千条线，需要外部环境保持极度稳定；导弹系统中高速旋转的陀螺仪，加工时必须保证质量中心和几何中心完全重合，否则就会指东打西。

　　两败俱伤的妥协

　　同许多外界学者一样，雷军原本也不知道地铁振动对精密仪器有影响。在中国，北大与地铁的激烈抗争，头一回让这一问题浮出水面。

　　2003年，北京市地铁4号线方案公布，将贴北大东门一路向北。地铁线两边紧密分布着北大几大理工科学院及众多重要实验室，北大相当一部分精密仪器集中在这些科研楼中。有学者提醒北大，得研究下地铁对精密仪器是否有影响。

　　雷军此前研究建筑物抗震，都是较大级别的振动，没怎么关注过微振动的影响。着手采集北京市其他地铁线的振动数据后，他才发现，“这个问题很复杂，比想象的要严峻得多”。

　　因为他和同事的报告，北大反对4号线经过。当时北大和地铁公司为两个方案反复争论：要么北大整个搬走，要么地铁4号线改线。

　　直至最后一次研讨会，双方仍僵持不下。那次会议由北京市一位副市长主持，邀请了一位院士和多位北大校外专家。

　　那位院士在会上表示，轨道隔振方案可行。他拿自己做过的一个方案打比方，“用手一摸，振动感觉不到了。”

　　北大一位代表当场反问：“人的手这种传感器灵敏度有多高？”北大对振动最为敏感的那台电子显微镜，敏感度是人体的成百上千倍。

　　会上最终形成决议，采用一个折中的方案――4号线经过北大的789米轨道段，将采用世界上最先进的轨道减振技术，也就是在钢轨下铺设钢弹簧浮置板。这种浮置板由一家德国公司发明，上面是约50厘米厚的钢筋混凝土板，下面是支撑着的钢弹簧，能将列车的振动与道床隔离。

　　“对列车来说，这相当于垫了一个很软的垫子，同时弹簧将振动隔开了。”北京交通大学的马蒙副教授告诉中国青年报?中青在线记者，这种轨道减振技术目前在一定程度上已到极限，更软的话，列车运行安全性可能得不到保证。

　　这种浮置板在总体上能很好隔振，但它也有一个很大的缺点：由于隔振原理，它对低于自振频率的振动没什么用，甚至很可能会放大。

　　2009年，4号线北大东门段开通后，马蒙和同事又作了测试，验证了这一理论。在马蒙看来，这段轨道减振措施还是有用的，保证了很多要求没那么高的仪器能正常使用，但对于一些极度敏感的设备，它反而会加重干扰。

　　北大对这个结果并不满意。经观测发现，西南边的校医院旧址振动强度稍小。北大决定在该地盖综合科研楼，将部分受影响的仪器搬过来。但受限于场地和经费，只有约三分之一的设备能入驻。

　　2011年，大楼地基已经打好，低层正在施工之时，另一个消息传来：地铁16号线将绕经北大西门，离综合科研楼仅200米。

　　由于校内精密仪器已无处可挪，北大强烈抗议。雷军分析，之所以会出现这种尴尬局面，是因为地铁公司以为减振成功了，并不知道北大正打算搬仪器。同时，他们也没将规划方案提前告知北大。

　　北京市拨出上千万元专项资金，让市政总院、北交大、中国电子工程设计研究院、中国铁道科学研究院及北大联合组成攻关项目组，拿出一套综合的解决方案，除了地铁轨道减振外，还包括重新设计综合科研楼，考虑在低层装减振平台，用弹簧将上面的建筑整体悬浮起来。

　　雷军记得那几个月，每周有两三天要开会讨论，几方经常为具体方案争得脸红脖子粗。一位电子设计院专家告诉记者，北大的要求过于理想化，而且双方对数据的采集和分析方法不同，导致数倍的差异。

　　有专家听过一句玩笑话：如果这事处理得不好，会影响北大“冲击诺贝尔奖”。

　　正当各方吵得不可开交之时，项目戛然而止。据说北大领导和一位市领导在某个会议碰面，双方握手言好。地铁16号退后一步，往西绕开300多米，甩掉两座车站，北大也不再提要求。

　　中国铁道科学研究院研究员杨宜谦是项目组专家之一。在他看来，在这场博弈中，北大看似赢了，实则不然。这不是完美的解决方案，这恰恰是“两败俱伤的妥协”。


▲地图上与地铁线路相邻的北京大学校园。

缺失的环保标准

　　杨宜谦认为，地铁退后一步，能减少对北大精密仪器的干扰，但这个距离往往不足以消除影响。另一方面，地铁改线后，失去了吸引客流的作用。

　　他当时建议，北大将精密仪器楼搬至郊区，从而完全排除干扰。但对许多北大教师来说，这样的建议难以接受。杨宜谦也能理解，毕竟北大建校在先，地铁在后，让谁搬谁都不乐意。

　　他和雷军都认同，避免这样的矛盾冲突，应当在规划时讲究先来后到。新规划的地铁线应尽可能避开对振动敏感的高新技术区域，新修建的高新区应尽可能选在没有地铁的郊区。

　　目前问题的症结在于，科研单位的精密仪器往往购置在先，地铁规划方案形成时却没有考虑相关影响。

　　杨宜谦对国外相关法律法规标准很熟悉。日本有专门的《振动法》。美国的轨道交通环境影响评价标准中涉及振动敏感设备。

　　这两个国家也曾有过教训。东京大学曾将一整栋楼用弹簧悬起，仍无法消除振动影响。美国华盛顿大学由于轻轨穿越校园，采用轨道减振措施，并降低车速，但15栋敏感建筑中仍有5栋振动超标。

　　“减振是世界难题，目前最好的办法就是避让。”雷军常举日本筑波科学城的例子。这个集聚了日本科研人才的城市始建于1963年，直到40多年后才通地铁，且同城区相隔2.5公里。

　　中国尚无环境振动污染防治法，虽然环境保护标准中有关于振动对居住建筑、办公建筑、医院、学校内的人影响的规定，却未涉及对精密仪器的干扰。这导致地铁规划方案进入环境影响评价阶段时，环保部门很少考虑这一层面。

　　最近，生态环境部发布了《环境影响评价技术导则 城市轨道交通（征求意见稿）》，但仍未提及振动对振动敏感仪器的影响。

　　杨宜谦还发现，连环保从业人员都对这一问题的态度存在分歧。有人认为，这一问题理所当然归环保部门管，也有人斩钉截铁地认为不归。

　　相关评价标准的缺位，导致很多途经科研机构及工业园区的地铁方案考虑欠周。有省会城市在规划地铁时，为了方便病人出行，特意在一家大学附属医院内设了地铁站，没想到让一些医疗检查设备没法正常使用。

　　发现潜在问题时，往往已经晚了。一旦某条具体地铁方案通过层层审批，“往外挪个100米都几乎不可能”。

　　这常造成高校与地铁的对抗。15号线原计划下穿清华大学，遭清华极力反对。最终，15号线只进入清华校内120米，没与4号线相连，形成换乘站。

　　早在1955年，清华大学就曾让铁路改过线。京张铁路位于清华校园同侧，振动曾严重干扰科研，在清华的争取下，铁路线向东迁了800米。

　　并非所有大学都拥有强大的谈判能力。有985高校没经太多考虑，直接在同意文件上盖了章。有的高校遭遇了损失，不愿意公开化。

　　等到地铁方案已成事实，只能采用其他减振措施。中国电子工程设计院有限公司曾给复旦大学、南京大学等多个受地铁影响的高校做过减振方案。

　　振动技术研究中心工程师左汉文告诉记者，目前效果最好的方案是综合减振，除了在轨道下铺设钢弹簧浮置板，同时在仪器楼修建之初装上靠弹簧撑起来的隔振支架。如果楼已竣工，只能在每一台仪器下加装减振台，成本将大大提升。

　　16号线开通后，北大只能采取第二种方案。北大实验室与设备管理部环境保护办公室主任张志强估计，一个最先进的空气弹簧减振台，大约要花费一两百万元，北大需要减振的仪器“在几十上百个这样的数量级”。

　　见证了高级的德国浮置板、繁琐的修楼搬迁和昂贵的地铁改线，北大最精密的电子显微镜未来身下还将装上复杂的减振台。但它能否逃脱地铁振动的干扰，谁也不敢保证。