夏進(jìn)

受地形、地物、水文、地質(zhì)以及平面規(guī)劃等因素的影響，近年來，高速公路、雙線鐵路、城市地鐵等越來越多地采用隧道方案。而隧道會(huì)由于車輪磨耗程度、軌道平順、隧道圍巖等方面的因素產(chǎn)生振動(dòng)，對隧道結(jié)構(gòu)、環(huán)境等產(chǎn)生不良的影響。本文從隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)、隧道地基土振動(dòng)響應(yīng)、環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)等方面，綜述了目前鐵路隧道振動(dòng)研究的進(jìn)展，并發(fā)現(xiàn)了目前振動(dòng)控制研究存在的問題。

一、 隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)研究

1.現(xiàn)場測試

英國對倫敦地鐵35輛試驗(yàn)列車以20～50km/h的速度運(yùn)行測試結(jié)果表明，仰拱以及隧道邊墻的動(dòng)力響應(yīng)隨著車速的提高而增大。

國內(nèi)對金家?guī)r隧道和京廣線朱亭隧道列車以50～80：km/h速度運(yùn)行進(jìn)行測試，根據(jù)采集的加速度信號，利用數(shù)字信號處理技術(shù)推得列車振動(dòng)荷載譜，并將其用于隧道振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算中。

在現(xiàn)場爆破震動(dòng)安全監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，同時(shí)基于波與能量的相互關(guān)系，利用單位藥量與距離條件下的質(zhì)點(diǎn)振速波形面積(單位等效面積)分析評估單位藥量與距離條件下的爆破震動(dòng)對結(jié)構(gòu)與圍巖介質(zhì)的影響，通過比較質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度波形面積的變化可分析評估圍巖介質(zhì)體中的爆破震動(dòng)能的分布與藥量和距離的關(guān)系，以及圍巖介質(zhì)體物理力學(xué)性質(zhì)的改變與爆破震動(dòng)能衰減的關(guān)系。

2.模型試驗(yàn)

國內(nèi)外關(guān)于隧道振動(dòng)響應(yīng)的模型試驗(yàn)研究較少。國內(nèi)采用室內(nèi)模型試驗(yàn)從動(dòng)應(yīng)變角度觀測分析了列車動(dòng)載作用下隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，初步得到了基底充填狀態(tài)與基底強(qiáng)度間的定性關(guān)系。針對既有鐵路隧道鋪底結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了低速條件下的隧道底部結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)，提出了合理的防振型隧道鋪底結(jié)構(gòu)形式。

目前的研究成果與工程要求還有很大的差距。今后的研究方向應(yīng)該是進(jìn)行小比例尺模型的室內(nèi)試驗(yàn)以及大比例尺模型試驗(yàn)，直至原型的試驗(yàn)研究，分析振動(dòng)傳播機(jī)理，為理論分析方法提供重要的驗(yàn)證手段。

對南京長江水底隧道沉管段穿經(jīng)地層的模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析。得出了管段聯(lián)結(jié)方式以半柔半剛(即彈性聯(lián)結(jié))較為合理，地震時(shí)隧道中的彎矩和軸力均相應(yīng)地小于管段剛性聯(lián)結(jié)的情況，初步設(shè)計(jì)采用的是半柔半剛接頭。

國外在對地鐵列車引起的地層振動(dòng)分析中，也采用薄殼理論建立隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制方程，忽略了隧道結(jié)構(gòu)的橫向剪切變形，認(rèn)為隧道(殼)表面的位移與中位面相等?？紤]到隧道結(jié)構(gòu)厚徑比一般大于1/12，此方法顯然是不合適的。而采用考慮橫向剪切變形的中厚圓柱殼理論，建立隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程，對土介質(zhì)中的隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析研究。

3.數(shù)值模擬

由于鐵路隧道振動(dòng)數(shù)值模擬往往是實(shí)際情況的極度簡化，而且相關(guān)動(dòng)力參數(shù)在缺少實(shí)測值情況下，大多是按經(jīng)驗(yàn)取值，因此發(fā)展完善的數(shù)值模型和開發(fā)以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系是今后隧道振動(dòng)數(shù)值模擬的重要任務(wù)。

國內(nèi)采用沉埋隧道地震響應(yīng)分析的數(shù)學(xué)模型，對南京長江越江隧道(沉管段)方案進(jìn)行了地震響應(yīng)的縱向受力分析。分析中采用了隧址處100年超越概率為2%的人工合成地震加速度，考慮了不同管段的聯(lián)結(jié)方式和不同的計(jì)算參數(shù)，對初步設(shè)計(jì)中沉管段結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了論證，所提供的數(shù)據(jù)曾為設(shè)計(jì)單位所采納。

通過大量二維和三維數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)，結(jié)合紫坪鋪隧道小凈距段現(xiàn)場實(shí)測爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析了小凈距隧道爆破施工中后行隧道爆破對先行隧道的影響因素。研究了不同巖墻加固措施、不同施工方案及不同支護(hù)體系等情況下，小凈距隧道中后行隧道爆破開挖對先行隧道的影響。得出先行隧道迎爆側(cè)及開挖掌子面前后1B范圍是影響較大部位，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測的結(jié)論。提出了巖墻加固宜采用注漿加固、先行隧道初期支護(hù)宜及時(shí)封閉、掏槽眼宜遠(yuǎn)離中巖墻以及開挖進(jìn)尺不宜大于凈距的1/3等小凈距隧道爆破施工的控爆措施。

二、隧道其他方面的振動(dòng)響應(yīng)研究

1.：隧道地基土振動(dòng)響應(yīng)

隧道地基液化和振陷是列車振動(dòng)所帶來的最為嚴(yán)重的問題之一，因此隧道地基土振動(dòng)響應(yīng)研究主要集中在這2個(gè)方面。液化問題主要針對飽和砂土等地層，振陷主要針對軟土地層，這2種典型地層在我國南京、上海一帶比較常見，相關(guān)研究基本上是圍繞南京地鐵、上海地鐵展開的。

地基土動(dòng)力響應(yīng)研究按照是否考慮孔隙水壓變化對土體動(dòng)力特性的影響可分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。與總應(yīng)力法相比，有效應(yīng)力法可直接求得孔隙水壓力和預(yù)測土體是否液化，更加合理地反映了振動(dòng)過程中土層動(dòng)力性質(zhì)的變化。

此外，對高速列車荷載作用下沉管隧道地基的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到地基最大剪應(yīng)力分布情況，并基于現(xiàn)場地質(zhì)資料的回歸分析得到沉管隧道3個(gè)典型斷面的地基抗液化剪應(yīng)力，據(jù)此分析了沉管地基的液化可能性。

在隧道地基土液化和軟化研究中，有的將動(dòng)力滲流分析和動(dòng)力反應(yīng)分析分時(shí)段交替計(jì)算，有的將兩者耦合計(jì)算，但不管是哪種分析方法，其關(guān)鍵技術(shù)在于正確描述列車荷載作用下土體內(nèi)孔隙水壓力的產(chǎn)生、擴(kuò)散與消散過程。建立與實(shí)際相符、完善的孔壓增長、消散機(jī)理，并將其應(yīng)用于動(dòng)力有效應(yīng)力計(jì)算中，也是當(dāng)前隧道地基土振動(dòng)響應(yīng)的研究內(nèi)容之一。

2.環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)

環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)主要是指地鐵列車運(yùn)行時(shí)引起的地表或地表建筑物的動(dòng)力響應(yīng)。我國現(xiàn)場測試結(jié)果表明，當(dāng)列車以13～20：km：/h的速度行駛時(shí)，地鐵正上方居民住宅振級高達(dá)85dB，如列車以正常速度70：km/h：行駛，振級還會(huì)更大。

地鐵振動(dòng)的影響范圍和影響程度與車速、軌道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件以及隧道埋深等均有關(guān)。此外，襯砌厚度和結(jié)構(gòu)類型對于地鐵列車引起的振動(dòng)也有很大的影響。當(dāng)隧道襯砌的厚度增加1倍，其振動(dòng)級可降低5～18dB。矩型隧道結(jié)構(gòu)對地面環(huán)境振動(dòng)的影響一般要比馬蹄型及圓形隧道結(jié)構(gòu)的大，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件相同時(shí)，2種情況下的振動(dòng)級差值約2～4dB。

由于以現(xiàn)場測試為基礎(chǔ)建立起來的環(huán)境振動(dòng)預(yù)測模型，其準(zhǔn)確性很大程度上依賴于測試對象與被預(yù)測對象之間的相似性，這往往限制了已有振動(dòng)預(yù)測模型的應(yīng)用；另一方面，較完備的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析的耗時(shí)性和復(fù)雜性又往往令人“望而卻步”，至今尚未出現(xiàn)大家公認(rèn)的、可靠、快速的振動(dòng)預(yù)測方法。因此，尋求滿足工程需要的環(huán)境振動(dòng)預(yù)測或分析的簡化計(jì)算方法應(yīng)是環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)影響的一個(gè)重要研究方向。

三、目前振動(dòng)控制研究存在的問題

1.計(jì)算模型有待完善

已有計(jì)算模型均對實(shí)際情況進(jìn)行了不同程度的簡化，有的只細(xì)化軌道系統(tǒng)，有的只細(xì)化隧道-圍巖系統(tǒng)，有的甚至將列車荷載直接用諧變點(diǎn)激勵(lì)代替，作用于仰拱上，忽略軌道結(jié)構(gòu)的作用。事實(shí)上，隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)除與自身材料性質(zhì)有關(guān)以外，還與輪軌間相互作用力、軌道結(jié)構(gòu)形式、圍巖條件以及地下水條件等因素有關(guān)，詳細(xì)、全面的隧道動(dòng)力響應(yīng)分析應(yīng)綜合考慮這些影響因素。

2.缺少對隧道結(jié)構(gòu)長期動(dòng)力特性的研究

以往研究重點(diǎn)主要集中于隧道結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，即單次列車動(dòng)載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力場或應(yīng)變場的變化情況，對隧道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的長期動(dòng)力特性的研究，特別是對軟弱基巖條件下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力累積效應(yīng)的研究幾乎處于空白。然而在列車荷載長期、反復(fù)沖擊作用下，隧道襯砌和基巖自身存在的裂隙不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)變形和疲勞損傷也將不斷累積，當(dāng)損傷或變形累積到一定程度時(shí)，就有可能產(chǎn)生在短期內(nèi)所沒有出現(xiàn)的安全問題。

3.減振措施研究方面

對于同等水平的地鐵列車振動(dòng)，當(dāng)?shù)貙訔l件和結(jié)構(gòu)埋深不一樣時(shí)，由地層傳播到地表或地表建筑上的振動(dòng)水平也是不一樣的，因此相應(yīng)采取的減震措施也應(yīng)有所不同。然而在實(shí)際工程中往往對全線采用同一減振措施，沒有考慮地層和埋深的變化，減振措施缺乏針對性。