隧道振动响应研究进展

摘要：通过研究铁路隧道振动问题研究的进展得出目前研究中存在的主要问题是：计算模型不完善；缺乏对隧道结构长期动力特性的研究、对高速铁路隧道动力响应的试验研究；减振措施缺乏针对性。指出今后的研究工作重点应是：将材料损伤本构关系引入到隧道振动响应数值模型中，建立以轨道、隧道和围岩为一体的、考虑结构损伤在内的完整数值模型，并在此基础上分析研究隧道结构长期动力特性；针对高速铁路隧道开展现场测试、动力模型试验；采用数据分析与模拟试验相结合的方法．研究各工况的环境振动响应，提出针对不同地层和结构埋深的最优减振措施。

关键词：隧道；振动响应；对策；

1 、隧道地基土振动响应研究

隧道地基液化和振陷是列车振动所带来的最为严重的问题之一，因此隧道地基土振动响应研究主要集中在这2个方面。液化问题主要针对饱和砂土等地层，振陷主要针对软土地层，这2种典型地层在我国南京、上海一带比较常见，相关研究基本上是围绕南京地铁、上海地铁展开的。

地基土动力响应研究按照是否考虑孔隙水压变化对土体动力特性的影响可分为总应力法和有效应力法。与总应力法相比，有效应力法可直接求得孔隙水压力和预测土体是否液化，更加合理地反映了振动过程中土层动力性质的变化。

此外，对高速列车荷载作用下沉管隧道地基的振动响应进行了数值模拟，得到地基最大剪应力分布情况，并基于现场地质资料的回归分析得到沉管隧道3个典型断面的地基抗液化剪应力，据此分析了沉管地基的液化可能性。

在隧道地基土液化和软化研究中，有的将动力渗流分析和动力反应分析分时段交替计算，有的将两者耦合计算，但不管是哪种分析方法，其关键技术在于正确描述列车荷载作用下土体内孔隙水压力的产生、扩散与消散过程。建立与实际相符、完善的孔压增长、消散机理，并将其应用于动力有效应力计算中，也是当前隧道地基土振动响应的研究内容之一。

2、环境振动响应及减振措施

2．1环境振动响应

环境振动响应主要是指地铁列车运行时引起的地表或地表建筑物的动力响应。我国现场测试结果表明，当列车以15～20 km・h-1的速度行驶时，地铁正上方居民住宅振级高达85 dB，如列车以正常速度70 km・h-1行驶，振级还会更大。

地铁振动的影响范围和影响程度与车速、轨道结构、地质条件以及隧道埋深等均有关。此外，衬砌厚度和结构类型对于地铁列车引起的振动也有很大的影响。当隧道衬砌的厚度增加1倍，其振动级可降低5～18dB。矩型隧道结构对地面环境振动的影响一般要比马蹄型及圆形隧道结构的大，当地质条件相同时，2种情况下的振动级差值约2～4dB。

由于以现场测试为基础建立起来的环境振动预测模型，其准确性很大程度上依赖于测试对象与被预测对象之间的相似性，这往往限制了已有振动预测模型的应用；另一方面，较完备的环境振动响应数值分析的耗时性和复杂性又往往令人“望而却步”，至今尚未出现大家公认的、可靠、快速的振动预测方法。因此，寻求满足工程需要的环境振动预测或分析的简化计算方法应是环境振动响应影响的1个重要研究方向。

2．2减振措施

铁路隧道的减振措施可以从降低振源的激振强度、切断或改变振动传播途径以及合理规划设计建筑物使其避开振动影响区这3个方面人手。降低振源的激振强度可采取的措施有：减轻车辆簧下质量，避免车辆与轨道产生共振，这样可降低振动强度10～15dB；改良车轮踏面耐磨性能，减少踏面几何不圆顺造成的冲击振动；采用无缝线路，消除车轮对轨道接头的撞击；增加轨道结构的弹性和钢轨的平顺度，降低冲击振动；采用合理的道床结构形式。Wilson的研究表明，采用浮置板式道床和改革车辆转向架构造可有效降低地铁列车引起的噪声和振动。

为切断或改变振动传播途径可采取的措施有：设置隔振沟或阻波区，利用隔振材料吸收振源传出的振动能量，其减振效果与隔振材料的质量、埋置深度、阻波区的宽度有关。根据Yang等的研究，隔振沟的深度不得小于表面波的波长，否则达不到较好的减振效果。

建筑物自身的减振措施有：在建筑物主体与基础之间设置各种支承将两者隔离。Talbot对基础隔离减振的原理和实际应用作了详细论述，并对基础隔离减振性能的最新预测模型进行了讨论。

3．存在问题及解决对策

3．1 目前研究存在的问题

(1)计算模型有待完善。已有计算模型均对实际情况进行了不同程度的简化，有的只细化轨道系统，有的只细化隧道围岩系统．有的甚至将列车荷载直接用斜变点激励代替，作用于仰拱上，忽略轨道结构的作用。事实上，隧道结构动力响应除与自身材料性质有关以外，还与轮轨间相互作用力、轨道结构形式、围岩条件以及地下水条件等因素有关，详细、全面的隧道动力响应分析应综合考虑这些影响因素。另外，计算精度和计算时间之间的矛盾也是当前隧道结构动力计算模型亟需解决的问题。

(2)缺少对隧道结构长期动力特性的研究。以往研究重点主要集中于隧道结构的瞬态响应，即单次列车动载作用下结构应力场或应变场的变化情况，对隧道结构在列车荷载作用下的长期动力特性的研究，特别是对软弱基岩条件下隧道结构的动力累积效应的研究几乎处于空白。然而在列车荷载长期、反复冲击作用下，隧道衬砌和基岩自身存在的裂隙不断发展，结构变形和疲劳损伤也将不断累积，当损伤或变形累积到一定程度时，就有可能产生在短期内所没有出现的安全问题。

(3)高速铁路隧道动力响应的试验研究较少。受各种客观条件的限制，现场振动测试和模型试验大多是针对中、低速条件下的普通铁路隧道或城市地铁进行的，尚不能很好地反映高速铁路隧道的动力特性。目前针对高速铁路隧道的试验资料极其缺乏，这种试验研究现状与我国高速铁路隧道的建设现状极不相称。

(4)减振措施研究方面。对于同等水平的地铁列车振动，当地层条件和结构埋深不一样时，由地层传播到地表或地表建筑上的振动水平也是不一样的，因此相应采取的减震措施也应有所不同。然而在实际工程中往往对全线采用同一减振措施，没有考虑地层和埋深的变化，减振措施缺乏针对性。

3．2解决问题的对策

(1)将混凝土和岩石动力损伤本构关系引入到铁路隧道振动响应数值模型中，建立以轨道、隧道和围岩为一体的、考虑材料动态损伤在内的完整数值模型，真实反映隧道结构和围岩损伤随列车通行次数的演变过程，并据此对高速铁路隧道结构的长期动力特性和动力累积效应进行研究。

(2)根据我国高速铁路隧道建设情况，由相关部门组织一系列高速铁路隧道现场振动测试工作，掌握宝贵的第一手资料。一方面可为相应的理论研究提供可靠的验证依据，另一方面也可能从中会发现一些新的规律，为修正或建立新的理论分析模型提供重要线索。

(3)针对高速铁路隧道，开展隧道结构振动响应模型试验研究，提高我国在该领域的试验研究水平，也为数值模拟提供另一条验证途径。

(4)根据工程中典型地层和结构埋深进行工况组合分类，并采用数值分析与试验研究相结合的方法，分类研究各工况的环境振动响应，针对不同地层和结构埋深提出相应的最优减振措施。