基于减振的一种新型隧道结构形式的研究

【摘 要】本实用新型的地铁隧道结构形式，包括隧道承压部分、填充材料部分和外部保护层，这种隧道结构通过在隧道管壁之间进行填充新型材料，可以延续使用目前的盾构法，只需改变管片的形式，按照新的结构生产管片，继而以管片的形式进行拼装，不用改变施工工法。新型隧道同时可以根据不同地区的不同地质条件和周边环境要求选择减振为主、减噪为主或防漏水为主的材料，通过中间的材料吸收列车经过时产生的震动与噪音，从而达到减振减噪的效果。

【关键词】新型隧道结构；减振减噪；填充材料

A New Type of Tunnel Structure Based on the Vibration Reduction

WANG Yi-kai LIU Yu WAN Chen-zi-xuan TANG Xiao-min SHI Rong

（Shanghai University of Engineering Science， Urban Railway Transportation College， Shanghai 201620， China）

【Abstract】The subway tunnel structure of utility model forms， including tunnel pressure parts， filling materials and the external protection layer， the tunnel structure filled with new materials through filling new materials between the tunnel， which is able to continue using current shield method， only need to change the type of segments and product the segment according to the new structure， without changing construction methods. New tunnel can change the filling material according to geological conditions and surrounding environment to face the requirements of shock absorption and noise reduction， which absorbing the vibration and noise induced by passing train in the tunnel to achieve the effect of damping noise reduction.

【Key words】New type of tunnel structure； Vibration reduction； Filling material

0 引言

自地铁开始运行以来，地铁对周边环境的振动影响已经引起人们的关注。①由于机车运行产生的振动通过钢轨、道床结构源源不断的传递到地面建筑物，造成地面建筑物振动，危及建筑物自身安全；一辆列车通过后能够造成地面建筑物振动10s左右，而每小时通过的列车高达30对，因此建筑物振动时间占地铁运营时间的15%左右，长时间的振动严重影响到人们生活、工作及休息；②列车形式产生的振动被多辆列车不断放大后，使隧道内整体道床负荷增加，在振动加速度的作用下，将大部分作用力传递给钢轨扣件，极易使扣件断裂，造成行车安全；产生的振动在传递到隧道结构的同时也在源源不断的传递到车辆本身，影响机车使用寿命，振动也给乘客带来不舒适。因此对于大部分运营里程都在地下的铁路来说，研究地铁振动规律及其控制方法就具有非常重要的意义。

据调查研究显示，铁道部劳动卫生所通过对我国几个典型城市的铁路环境振动的现场实测，考察了铁路沿线居民区受列车运行引起的环境振动污染现状，测试结果表明，离轨道中心线30m之内的振级大部分接近80dB。这超出了《城市区域环境振动标准》（GB 10070-88）规定的城市“混合区”昼间75dB及夜间72dB的要求。这样高的振级将极大地影响地铁沿线居民的日常生活及身心健康。[1]1977年， Rucker对柏林地铁双线区间隧道列车振动进行过试验研究，1979年Dawn和Stan worth研究了铁路运行所产生的地面振动，1982年英国伦敦运输科学顾问室进行了地铁区间隧道振动试验。瑞士联邦铁路和国际铁路联盟（UIC）实验研究所（ORE）从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径。[2]美国G.P.Wills on等提出了通过改善道床结构形式（采用浮置板道床）和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法，降低地铁车辆引起的噪声和振动的建议。[3]因此分析地铁产生振动的原因、研究振动机理、提出减振措施显得十分重要。

本文研究的一种新型的地铁隧道结构形式，这种隧道结构通过在隧道管壁之间进行填充新型材料，选择减振为主、减噪为主或防漏水为主的材料，通过中间的填充材料吸收列车经过时产生的震动与噪音，从而达到减振减噪的效果。

1 创新原理

目前，地铁振动带来的危害不容小觑，解决方案主要分为主动减振和被动减振两种，主动减振主要是通过科技发展，减少制作误差，定期保养维修线路，但这些只能降低振动能量，而不能避免振动，被动减震地铁施工中主要运用的减振方法是采用减振道床，其中包括：一般减振整体道床、橡胶减振垫浮置板整体道床、钢弹簧浮置板道床。地铁的减振措施主要集中在通过道床和扣件来进行，能起到一定的减振效果，但不能达到大范围的减振和减噪作用。因为目前的六种主要隧道结构形式（半衬砌结构，厚拱薄墙衬砌结构，直墙拱形衬砌结构，曲墙衬砌结构，复合衬砌结构，连拱隧道结构）主要都只从受力的角度考虑，没有把受力和减振减噪结合起来考虑的。并且城市土地资源紧缺，由于震动缘故，在两条隧道之间或者隧道与建筑之间需要一定的安全距离，加大了土地用量。居民区旁的隧道还会因为噪音问题给居民带来不便。

本文研究了一种新型的地铁隧道结构形式，其包括隧道承压部分、填充材料部分和外部保护层，这种隧道结构可以延续使用目前的盾构法，只需改变管片的形式，按照新的结构生产管片，继而以管片的形式进行拼装，不用改变施工工法。此新型隧道在原隧道结构上进行改进，使隧道结构在承受各种外力的基础上，能够通过中间的材料吸收列车经过时产生的振动与噪音，从而达到减振减噪的效果。同时，在填充材料的选择上有多种形式，可以根据不同地区的不同地质条件和周边环境要求选择减振为主、减噪为主或防漏水为主的材料，来达到不同的目的。

2 工作原理

本文所研究的新型隧道结构采用的技术方案如下：

在原隧道管片基础上，多加一层填充材料和保护层，可以按照原来管片形式分为3块标准块、2块邻接块、和1块封顶块，也称K块，用原来的施工工法（盾构法）进行隧道开挖和管片的拼装。同时中间填充材料的选择上有多种形式，新型隧道结构的承重部分主要起承受列车重量、隧道管壁自重、各种设备重量及列车经过时的各种力；中间的填充部分可以按不同的功能要求起到减震、降噪、防水等作用；最外面的保护层起保护填充材料和承受周围水土压力的作用。三部分的结合可以使隧道在起承压作用的同时，还可以起到减震、降噪、防水等辅助作用。

图1 效果图

（上接第109页）3 结束语

在当今地下空间、地下隧道发展技术日新月异的时代，地铁轨道的减振问题已是一种不可避免且不可回避的问题，地铁减振已成为各国地铁建设的主要研究课题。目前我国主要解决的方法是在道床结构与基础结构之间填充具有一定刚度和弹性的物质，如橡胶、弹簧等，各种减振材料的研发。[4]本论文从隧道结构的方面出发，致力于通过隧道自身来降低隧道的振动。本文采取了一种全新的减振形势，超脱于现有的改变轨道形式或扣件形式的技术，从隧道结构的角度出发来达到减振的目的，与现有技术相比，本新型隧道结构具有如下有益效果：

（1）本隧道形式通过隧道管壁来起到减振降噪的作用，而不仅仅是依靠扣减或者道床，会有更加明显的效果。

（2）本隧道形式采用本实用新型隧道结构形式不用改变施工工法，仍就可以使用盾构法，具有显著性应用价值。

（3）本隧道形式可以根据不同地区的不同地质条件来选用以不同功能为主的填充材料，具有较高的灵活性。

【参考文献】

[1]田春芝.地铁振动对周围建筑物影响的研究概况[J].铁道劳动安全卫生与环保，2000（7）：64-67.

[2]黄娟，彭立敏，，施成华.隧道振动响应研究进展[J].中国铁道科学，2009（30）2：60-65.

[3]崔正翔，裕正毓.地铁隧道振动对地面环境影响预测的探讨[J].噪声与振动控制，1996（1）：9-14.

[4]郑国琛，祁皑.地铁运行引起的建筑物振动响应预测[J].噪声与振动控制，2015（35）1：176-181.