北京地铁的振动蝴蝶效应会影响精密仪器吗？
用肉眼看，这个1米高的白色金属镜筒稳稳地立在桌子上。当调整到最高精度时，会发现显示屏上的黑白图像有一个“毛刺”，原来的原子图案因振动而变得模糊。
北大校园里，地铁运营影响的精密仪器远不止这台价值百万元的电子显微镜。4号线开通时，北大有价值11亿元的精密仪器，其中4亿元受到影响。
为了减少地铁振动对这些仪器的干扰，北京和北大都做了很大的努力。在4号线北大东门段，地铁公司铺设了最先进的减振轨道。北京大学专门在较远的地方新建了综合科研楼，并转移了一些精密仪器，但地铁振动的影响仍然难以消除。有的学者只能在地铁停站后的半夜做实验。
2019年，距离综合科研楼600米的地铁16号线二期将开通，北大的精密仪器将面临两面夹击的窘境。北京大学实验室与设备管理系环境保护办公室主任张志强认为，除非采取更多的减振措施，否则情况不容乐观。
北大并不是唯一面临地铁振动干扰的科研机构。记者了解到，清华大学、中科院、复旦大学、南京大学、首都医科大学、郑州大学医学院也曾遇到类似困难。中国科技大学、浙江大学、南通大学周边将建地铁。
城市越来越密集的地铁网，科研机构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。但当高科技仪器遇到地铁线路，谁该避开就成了不可调和的矛盾。
规划后的2020年北京地铁线网。
地铁振动的蝴蝶效应
北京的地铁轨道发展迅速。到2020年，它们的总里程将接近一千公里。高峰时段会有近千辆火车同时在轨道上飞驰。
这些重达100多吨的列车在载客的同时，也成为了巨大的振动源。振动通过钢轮、铁轨、隧道、土壤，像涟漪一样传播到地表，进入建筑物。
很少有人关注这种震动对城市的影响。北京交通大学轨道减振与控制实验室是国内较早的研究团队。他们测试的数据显示，在过去的10年间，北京距离地铁100米范围内的地面微振动增加了近10倍。
交通带来的微振动虽然强度不大，但持续时间长，影响隐蔽，不易被发现。它曾导致捷克一座古老教堂出现裂缝，然后倒塌，长期影响巴士底歌剧院的演出效果，干扰英特尔在集成电路板上雕刻纳米级电路。
地铁振动中，对精密仪器干扰最严重的是低频振动。这种振动波长较长，在土壤中不易衰减。北京大学环境振动监测与评价实验室主任雷军曾经带着学生背着地震仪测量过北京的几条地铁线路。他们发现，在精密仪器更灵敏的低频范围内，距离地铁100米处的地表振动强度比没有火车经过时高30~100倍。
对于北大清华的精密仪器来说，地铁几乎意味着“灾难性的打击”。
在地铁开通之前，在这两所国内最著名的大学里，公交和铁路引起的环境振动已经接近甚至超过了一些仪器规定的安全值。但这些仪器大部分在制定正常使用环境的振动要求时都有富余，所以还能正常工作。附近的地铁线一旦开通，两所大学里对振动敏感的精密仪器可能无法以最高的精度正常工作。
有学者认为，这造成了极大的浪费。“花费1万美元买的仪器，只能用1万美元的成本”。
很多仪器的使用者不知道地铁振动会影响仪器。有个同事曾经找到雷军，抱怨实验室里一台测量岩石年龄的精密仪器突然出现异常。老师给厂家打了电话，左右都调好了。即使修不好，厂家也很不解。
雷军问:“什么时候开始不正常了？”对方说:“从2009年开始。”其实不是仪器坏了，而是地铁4号线开通后震动干扰了仪器。
“国内研究地铁振动的专家不到百人，包括设备制造商。”北交大副教授马蒙觉得这是一个很小的学术圈，大部分专家还在同一个微信群。
10多年来，雷军一直在各种场合呼吁关注地铁振动。作为九三学社的一员，他写了很多提案，希望向全国人大反映这个问题。只要一有机会，他就给不知名的学者和学生讲授地铁振动的影响。
很长一段时间，他原本是从事地震学的，致力于这个冷门的学术领域。他的家人经常劝他不要“无所事事”。
在雷军看来，这个领域相当重要。他敲着桌子问:“中国正在进行产业转型，但为什么这些年我们的科技成就这么大？”？一些核心的电子元器件，包括芯片、光刻机、光栅薄材料等很多领域都有加工。为什么即使买回一整套国外生产线也做不出一样的东西？很大一个原因是环境振动超标。今天，我们已经能够生产粗糙的工业产品。我们的缺点主要在精度上，小的不行。"
他已经为两个单元做了环境振动评估。一个是中国计量科学研究院，是国家最高的计量研究中心。原址环境振动严重超标，后迁至昌平。但是，评估发现，新网站仍然存在一些问题。另一个是国防计量站，环境振动超标100多倍。
对于专门研究环境振动的专家来说，地铁引起的微振动看起来就像蝴蝶扇动翅膀，但在对振动敏感的高科技领域，却足以引起灾难性的风暴，从而制约一个国家的发展:光刻机需要在1 mm范围内划出上千条线，外部环境需要极其稳定；导弹系统中的高速旋转陀螺仪在加工时必须保证质心和几何中心完全重合，否则就会指向东西。
地图上北京大学校园毗邻地铁线。
两败俱伤的妥协
和很多外界学者一样，雷军并不知道地铁振动对精密仪器有影响。在中国，北大和地铁的激烈斗争让这个问题第一次浮出水面。
2003年，北京地铁4号线的规划公布，并将张贴在北京大学东门的《南行记》上。几所理工科大学和北大的很多重要实验室都紧密地分布在地铁线两侧，北大相当数量的精密仪器都集中在这些科研大楼里。有学者提醒北大，有必要研究地铁对精密仪器是否有影响。
雷军之前研究建筑抗震，都是大范围振动，很少关注微振动的影响。在收集了北京其他地铁线路的振动数据后，他发现“这个问题非常复杂，比预想的要严峻得多”。
因为他和同事的举报，北大反对四号线通过。当时北大和地铁公司反复争论两个方案:要么北大全部迁出，要么地铁4号线改线。
直到最后一次研讨会，双方仍僵持不下。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以外的专家。
院士在会上表示，轨道隔振方案是可行的。他拿自己制定的计划作为例子。“用手摸，感觉不到震动。”
一位北大代表当场发问:“人手的这个传感器有多灵敏？”北大对振动最敏感的电子显微镜，比人体灵敏几百倍。
会上最终达成决议，通过了妥协方案——4号线将穿越北大789米轨道段，采用世界最先进的轨道减振技术，即在铁轨下铺设钢弹簧浮置板。这种浮板是一家德国公司发明的。它由厚约50厘米的钢筋混凝土板和下面支撑的钢弹簧组成，可以将列车的振动与道床隔离开来。
“对于火车来说，这相当于一个很软的垫子，弹簧把震动隔开了。”北京交通大学副教授马蒙在接受《中国青年报》采访时说？中青在线记者，这种轨道减振技术在一定程度上已经到了极限。如果再软一些，列车运行的安全性可能就无法保证了。
总的来说，这种浮板可以很好的隔离振动，但是它也有一个很大的缺点:由于隔振的原理，对于固有频率以下的振动是没有用的，甚至有可能被放大。
2009年，在4号线北京大学东门开通后，马蒙和他的同事们做了另一项测试来验证这一理论。在马蒙看来，这种轨道减振措施还是有用的，保证了很多要求不高的仪器可以正常使用，但对于一些极其敏感的设备，会加剧干扰。
北大对这个结果并不满意。通过观测发现，西南面的校医院旧址震动强度略小。北京大学决定在这一地区建一座综合性科研楼，并搬走一些受影响的仪器。但由于场地和资金有限，只能进驻三分之一左右的设备。
2011在大楼基础打好，下层正在施工的时候，又传来消息:地铁16号线将绕行北大西门，距离综合科研楼仅200米。
因为学校的精密仪器无处可搬，北大强烈抗议。雷军分析，之所以出现这种尴尬局面，是因为地铁公司认为减振成功，不知道北大在计划移动仪器。同时，他们也没有提前告知北大规划方案。
北京市拨出数千万专项资金，由市政总院、北京交通大学、中国电子工程设计研究院、中国铁道科学研究院、北京大学共同组成重点项目组，拿出一套综合解决方案，包括重新设计综合科研楼，考虑在低层安装减振平台，用弹簧悬挂整栋楼。
雷军记得那几个月，每周都有两三天的会议讨论，几方经常为具体方案而争斗。电子设计院的一位专家告诉记者，北大的要求过于理想化，双方数据收集和分析的方法不同，导致了数倍的差异。
有专家听过一个笑话:这件事处理不好，会影响北大“对诺奖的影响”。
正当双方争吵时，这个项目突然停止了。据说北大领导和某市领导在一次会议上认识，双方握了手。16号地铁退一步，向西绕行300多米，摆脱了两个站，北大不再要了。
中国铁道科学研究院研究员杨益谦是项目组的专家之一。在他看来，在这场博弈中，北大看似赢了，实则不然。这不是一个完美的解决方案，它只是一个“双输的妥协”。
缺失的环境标准
杨益谦认为，从地铁退一步可以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，失去了吸引乘客的功能。
当时他建议北大把精密仪器楼搬到郊区，这样就彻底排除了干扰。但对于很多北大老师来说，这样的建议很难接受。杨益谦能理解，毕竟北大是先创办的，地铁在后面，谁也不想动。
他和雷军都认同，要避免这样的矛盾和冲突，在规划上要注意先来后到。新规划的地铁线路应尽可能避开对振动敏感的高新区，新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是先采购，而地铁规划方案形成时却没有考虑相关影响。
杨益谦熟悉国外法律法规和标准。日本有专门的振动法。美国轨道交通环境影响评价标准中涉及振动敏感设备。
这两个国家也吸取了教训。东京大学曾经用弹簧悬吊了一整栋建筑，但还是无法消除震动。美国华盛顿大学因为轻轨经过校园，采取了轨道减振措施，降低了速度，但15敏感建筑中仍有5栋振动超标。
“减振是一个世界难题，目前最好的办法就是避免。”雷军经常举日本筑波科学城为例。这座拥有日本科研人才的城市始建于1963，直到40多年后才通了地铁，距离市区2.5公里。
我国没有环境振动污染防治法。虽然环保标准中有振动对居民楼、办公楼、医院、学校中人的影响的规定，但没有对精密仪器的干扰。导致地铁规划方案进入环评阶段，环保部门很少考虑这方面。
近日，生态环境部发布《城市轨道交通环境影响评价技术导则(征求意见稿)》，但振动对振动敏感仪器的影响仍未提及。
杨益谦还发现，就连环保从业者对这个问题的态度也不一样。有人认为这个问题自然属于环保部门，也有人坚信不会回归。
相关评估标准的缺失，导致很多地铁方案经过科研机构和工业园区时考虑不周。某省会城市规划地铁时，为了方便患者出行，专门在某大学附属医院设立了地铁站。不料部分体检设备无法正常使用。
当发现潜在的问题时，往往为时已晚。一旦具体的地铁方案层层获批，“100米往外搬几乎不可能”。
这往往导致大学和地铁的对抗。15线原计划通过清华大学，遭到清华的强烈反对。最终15线仅在清华进入120米，与4号线不衔接，形成换乘站。
早在1955，清华大学就有铁路改线。京张铁路位于清华校园的同侧，其振动严重干扰了科研工作。在清华的努力下，铁路线东移了800米。
不是所有的大学都有很强的谈判能力。有985所高校没有太多考虑就直接在同意文件上盖章了。一些高校亏损，不愿意上市。
当地铁方案已经成为现实，只能采取其他减振措施。中国电子工程设计院有限公司为复旦大学、南京大学等受地铁影响的高校做了减振方案。
振动技术研究中心工程师左告诉记者，目前最好的解决方案是综合减振，除了在仪表楼建设之初，在轨道下铺设钢弹簧浮置板，安装弹簧支撑的隔振支架。如果建筑已经完成，每台仪器下只能安装一个减振平台，成本会大大增加。
16线开通后，北大只能采用第二种方案。北京大学实验室与设备管理部环境保护室主任张志强估算，一台最先进的空气弹簧减振器大约需要一两百万元，而北大减振所需的仪器“在几十或几百的量级”。
见证了先进的德国浮板、繁琐的建筑修缮搬迁和昂贵的地铁改线，北京大学最尖端的电子显微镜未来将配备复杂的减振平台。但是谁也不能保证它能不能躲过地铁震动的干扰。
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