公路隧道減振降噪結(jié)構(gòu)與效果檢測

李舒揚

摘 要：在振動和噪聲敏感區(qū)域隧道內(nèi)采用乳化瀝青水泥穩(wěn)定層、級配碎石、橡膠板吸收減弱車輛行駛產(chǎn)生的振動能量，噪音由橡膠瀝青混凝土上面層、隧道邊墻FC吸聲板吸收，起到減振降噪的作用。振動檢測表明，減振結(jié)構(gòu)可將車輛通過時垂直Z方向（隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向）產(chǎn)生的振動減少21.6%；噪聲檢測表明，隧道邊墻FC吸聲板降噪幅度達4.2%。該結(jié)構(gòu)已收到了較好的效果，大交通量和長期效應(yīng)有待于繼續(xù)觀察和驗證。

關(guān)鍵詞：公路隧道 減振降噪結(jié)構(gòu) 機理 檢測

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0068-05

埋置較淺的城市軌道交通、地鐵在居民區(qū)對于列車行駛引起的振動和噪聲如何采用有效措施減振降噪已成為環(huán)境影響的熱點問題之一，現(xiàn)有多種方法解決行車的減振降噪，如使用軌道減振器扣件、橡膠浮置板道床、鋼彈簧浮置板道床、彈性短軌枕、高彈性模乳化瀝青水泥砂漿無砟軌道以及聲屏障等，隧道出入口處更予以加強。公路隧道也常遇到穿越振動和噪聲敏感區(qū)域，如居民集聚區(qū)、學校、醫(yī)院、科研以及寺廟、教堂等有特殊要求的場所。由于公路隧道行車振動和噪聲比城市軌道交通、地鐵相對較弱，以上方法由于適應(yīng)性或造價等原因，不適用于公路隧道行車的減振降噪，故研發(fā)設(shè)計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工方便、造價低廉、效果明顯的公路隧道行車減振降噪結(jié)構(gòu)及效果檢測是非常必要的。

浙江省某隧道進口段左、右洞上方存有采礦后留下的廢棄礦坑，被選址建造中國第五大佛教名山宗教建筑——彌勒圣壇。該隧道從彌勒圣壇底座以下穿越，覆蓋層平均厚度不足6m（最薄處4m），水平距離23m，隧道行車振動和噪音將影響彌勒圣壇佛教文化設(shè)施的環(huán)境，為此采取減振降噪措施，以保持彌勒圣壇寧靜和莊嚴肅穆的氣氛。該工程2017年6月開工，2017年11月完成施工，現(xiàn)已初顯成效，當?shù)鼐用窈途皡^(qū)管理部門反映良好。

1 減振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計及機理

1.1 減振降噪整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在圖1中，隧道路面結(jié)構(gòu)①～④層分別為橡膠瀝青混凝土、水泥混凝土、乳化瀝青水穩(wěn)、級配碎石和回填水泥混凝土墊層，在車輛行駛振動激振力作用下，路面中上三層（①～③）彈性膠結(jié)層整體產(chǎn)生受迫振動，乳化瀝青水泥穩(wěn)定層為彈粘性層，其下的④層級配碎石是一種散體介質(zhì)，車輛行駛產(chǎn)生的振動由隧道路面往下傳遞至級配碎石減振層，及向路面兩側(cè)傳遞至橡膠板，由乳化瀝青水泥穩(wěn)定層彈粘性層、級配碎石和橡膠板吸收減弱振動能量；同時，在隧道橫斷面用橡膠板隔離，消除車輛行駛振動向隧道邊墻傳播。車輛行駛產(chǎn)生的噪音由橡膠瀝青混凝土上面層、隧道邊墻FC（Fiber cement board）吸聲板吸收，以起到減振降噪的作用。

1.2 級配碎石分倉隔梁設(shè)計

減振層級配碎石是一種散體介質(zhì)，在車輛引起的振動力和隧道內(nèi)層間滲水的共同作用下，易發(fā)生推擠、推移，需進行分倉約束。分倉隔梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高度為hgl，其彈性模量Egl即彈性系數(shù)大于級配碎石的回彈模量Ess，級配碎石厚度為hss，為了避免乳化瀝青水穩(wěn)層及其上各層壓縮沉降差，在分倉隔梁上設(shè)置厚度為hxj、彈性模量為Exj的橡膠條，同時橡膠條也起到減振的作用（圖2）。

車輛荷載行駛路面時，輪胎著地長度為d0、寬度為c0，荷載強度為q0，荷載擴散角為δ，車輛荷載經(jīng)擴散后，荷載分布強度為q1，要求級配碎石減振層與橡膠條和分倉隔梁產(chǎn)生的壓縮沉降相同。

1.3 隧道路面系統(tǒng)受迫振動模型

隧道結(jié)構(gòu)減振機理如圖3所示。隧道路面系統(tǒng)①～④層在車輛行駛振動激振力作用下，路面中上三層（①～③）彈性膠結(jié)層整體產(chǎn)生受迫振動，其下的④層級配碎石是一種散體介質(zhì)，其內(nèi)部的摩阻力對受迫振動具有滯后阻尼效應(yīng)，車輛振動激振力需克服阻尼阻力做功而損耗能量，隧道路面系統(tǒng)振幅將逐漸減小，起到減振的作用。

在式（6）中，A0為受迫振動初振幅，為相位角，t為時間；其中第一項：阻尼振動，經(jīng)過一定的時間后將消失；其中第二項：與簡諧運動形式相同的等幅振動，是受迫振動的穩(wěn)定解，即在受迫振動過程中，系統(tǒng)一方面因阻尼而損耗能量，另一方面又因周期性外力做功而獲得能量。初始時，能量的損耗和補充并非是等量的，因而受迫振動是不穩(wěn)定的。當補充的能量和損耗的能量相等時，系統(tǒng)才得到一種穩(wěn)定的振動狀態(tài)，形成等幅振動。由于車輛在隧道路面行駛過程中在某一斷面是瞬時的，即這一斷面的振動能量補充也是瞬時、有限的，故隧道路面的受迫振動將很快減弱或消失。

2 效果檢測

2.1 振動檢測

2.1.1 檢測方案

（1）車輛選擇：選擇一輛約40t載重汽車以60km/h的速度勻速從隧道內(nèi)駛過。

（2）檢測點數(shù)量及位置布置：共設(shè)置2個檢測點，1#檢測位于設(shè)置減振結(jié)構(gòu)的地段（樁號YK7+860），2#檢測點位于未設(shè)置減振結(jié)構(gòu)的地段（樁號YK8+200），對比減振效果。

（3）傳感器可同時捕獲水平X（隧道軸向）、切向Y（隧道橫向）和垂直Z（隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向）3個方向的振動信號。

2.1.2 測試依據(jù)的技術(shù)標準

按《GB 10071-1988城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》進行操作。

2.1.3 測試儀器

TC-4850測振儀主要技術(shù)參數(shù)為：儲存長度：128M；分辨率：16bit；采樣率：50ks/s；輸入量程范圍：0～10V；頻率范圍：0～20kHz。傳感器選用TCS-B3速度傳感器，測振儀觸發(fā)電平設(shè)置為0.005cm/s。

2.1.4 檢測結(jié)果

共檢測5次，1#檢測點（有減振結(jié)構(gòu)）垂直Z（隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向）產(chǎn)生的平均最大質(zhì)點振動速度為0.0058cm/s，2#檢測點（無減振結(jié)構(gòu)）垂直Z（隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向）產(chǎn)生的平均最大質(zhì)點振動速度為0.0074cm/s，即1#檢測點的平均最大質(zhì)點振動速度與2#檢測點的平均最大質(zhì)點振動速度比為78.4%，減振結(jié)構(gòu)可將車輛通過時產(chǎn)生的振動減少21.6%。水平X（隧道軸向）、切向Y（隧道橫向）對于有無減振結(jié)構(gòu)的平均最大質(zhì)點振動速度變化不明顯。

第一次實測波形如圖4～圖5，其余4次實測波形與第一次相似。

2.2 噪聲檢測

2.2.1 檢測方案

（1）車輛選擇：選擇一輛約40t載重汽車以50km/h的速度勻速從隧道內(nèi)駛過，檢測期間對該路段實行封道管理，確保在隧道內(nèi)只有檢測車輛，并確保當時沒有其他噪聲干擾。

（2）檢測點數(shù)量及位置布置：噪聲收集在分別距1#檢測點（洞口處未設(shè)置FC吸聲板）、2#檢測點（洞口處設(shè)置FC吸聲板）110m處開始記錄車輛行駛噪聲，車輛距檢測點40m鳴笛，模擬車輛在公路上正常行駛和鳴笛的狀態(tài)，由數(shù)字噪音計記錄。通過對1#、2#檢測點的記錄噪聲值對比分析，來得出隧道降噪結(jié)構(gòu)的效果。

2.2.2 測試依據(jù)的技術(shù)標準

參照《HJ 706-2014 環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 噪聲測量值修正》進行操作。

2.2.3 測試儀器

采用SMART SENSOR數(shù)字噪聲計，型號：AR844，主要技術(shù)參數(shù)為：校準聲源：94dB@1kHz；解析度：0.1dB；取樣率：20次/s；頻率響應(yīng)：31.5Hz～8.5kHz；測量范圍：30～130dBA。本次檢測： 1#檢測點和2#檢測點噪聲計頻率加權(quán)特性設(shè)置均為A。

2.2.4 檢測結(jié)果

根據(jù)噪聲檢測數(shù)據(jù)分析（圖6），當載重約50t重的汽車以勻速50km/h的速度行駛，分別距離1#、2#檢測點110m～20m時的噪聲分貝差值呈由大到小，其中位于110m處最大差值為3.00dB，降幅達4.2%；位于20m處最小差值為0.66dB，降幅達0.8%。

3 結(jié)語

（1）隧道內(nèi)設(shè)置減振降噪結(jié)構(gòu)，施工簡單方便，材料價格低廉，若與隧道內(nèi)設(shè)置類似地鐵減振結(jié)構(gòu)和隧道外建筑采用減振降噪措施相比，如建筑基礎(chǔ)設(shè)置減振基礎(chǔ)，將大幅度節(jié)約資源和降低工程費用。通過隧道內(nèi)設(shè)置綜合減振降噪措施，明顯降低了敏感區(qū)域公路隧道行車減振和降噪，并具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用方便、造價低廉、取料容易、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，能有效地消除公路隧道行車振動和噪聲，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

（2）振動檢測表明，減振結(jié)構(gòu)可將車輛通過時垂直Z方向（隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向）產(chǎn)生的振動減少21.6%，減振效果顯著；由于車輛行駛振動以垂直方向為主，故水平X方向（隧道軸向）、切向Y方向（隧道橫向）振動信號變化不大。噪聲檢測表明，離檢測點較遠時即車輛在洞內(nèi)噪聲被降噪設(shè)施盡量吸收時降幅達4.2%；離檢測點20m處和位于洞口處，車輛臨近洞口噪聲被降噪設(shè)施吸收較少時降幅也較小為0.8%，說明降噪設(shè)施起到較好的降噪作用。

（3）隧道減振結(jié)構(gòu)設(shè)計階段研發(fā)了《公路隧道行車減振降噪結(jié)構(gòu)及其施工方法》（專利號：ZL201610750434.2）取得了國家專利。本次公路隧道減振結(jié)構(gòu)為浙江省內(nèi)首次應(yīng)用，目前已取得了階段性成果，減振結(jié)構(gòu)的大交通量效應(yīng)和長期效果有待于繼續(xù)觀察和驗證。

參考文獻

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