李舒揚(yáng)
摘 要:在振動(dòng)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(jí)配碎石、橡膠板吸收減弱車輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)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(dòng)檢測(cè)表明,減振結(jié)構(gòu)可將車輛通過(guò)時(shí)垂直Z方向(隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向)產(chǎn)生的振動(dòng)減少21.6%;噪聲檢測(cè)表明,隧道邊墻FC吸聲板降噪幅度達(dá)4.2%。該結(jié)構(gòu)已收到了較好的效果,大交通量和長(zhǎng)期效應(yīng)有待于繼續(xù)觀察和驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞:公路隧道 減振降噪結(jié)構(gòu) 機(jī)理 檢測(cè)
中圖分類號(hào):U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(duì)于列車行駛引起的振動(dòng)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(diǎn)問(wèn)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(wú)砟軌道以及聲屏障等,隧道出入口處更予以加強(qiáng)。公路隧道也常遇到穿越振動(dòng)和噪聲敏感區(qū)域,如居民集聚區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、科研以及寺廟、教堂等有特殊要求的場(chǎng)所。由于公路隧道行車振動(dòng)和噪聲比城市軌道交通、地鐵相對(duì)較弱,以上方法由于適應(yīng)性或造價(jià)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(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工方便、造價(jià)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(cè)是非常必要的。
浙江省某隧道進(jìn)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(guó)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(dòng)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?kù)o和莊嚴(yán)肅穆的氣氛。該工程2017年6月開(kāi)工,2017年11月完成施工,現(xiàn)已初顯成效,當(dāng)?shù)鼐用窈途皡^(qū)管理部門(mén)反映良好。
1 減振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)理
1.1 減振降噪整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jí)配碎石和回填水泥混凝土墊層,在車輛行駛振動(dòng)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(dòng),乳化瀝青水泥穩(wěn)定層為彈粘性層,其下的④層級(jí)配碎石是一種散體介質(zhì),車輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)由隧道路面往下傳遞至級(jí)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(jí)配碎石和橡膠板吸收減弱振動(dòng)能量;同時(shí),在隧道橫斷面用橡膠板隔離,消除車輛行駛振動(dòng)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(jí)配碎石分倉(cāng)隔梁設(shè)計(jì)
減振層級(jí)配碎石是一種散體介質(zhì),在車輛引起的振動(dòng)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(jìn)行分倉(cāng)約束。分倉(cāng)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(jí)配碎石的回彈模量Ess,級(jí)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(cāng)隔梁上設(shè)置厚度為hxj、彈性模量為Exj的橡膠條,同時(shí)橡膠條也起到減振的作用(圖2)。
車輛荷載行駛路面時(shí),輪胎著地長(zhǎng)度為d0、寬度為c0,荷載強(qiáng)度為q0,荷載擴(kuò)散角為δ,車輛荷載經(jīng)擴(kuò)散后,荷載分布強(qiáng)度為q1,要求級(jí)配碎石減振層與橡膠條和分倉(cāng)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(dòng)模型
隧道結(jié)構(gòu)減振機(jī)理如圖3所示。隧道路面系統(tǒng)①~④層在車輛行駛振動(dòng)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(dòng),其下的④層級(jí)配碎石是一種散體介質(zhì),其內(nèi)部的摩阻力對(duì)受迫振動(dòng)具有滯后阻尼效應(yīng),車輛振動(dòng)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(dòng)初振幅,為相位角,t為時(shí)間;其中第一項(xiàng):阻尼振動(dòng),經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后將消失;其中第二項(xiàng):與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)形式相同的等幅振動(dòng),是受迫振動(dòng)的穩(wěn)定解,即在受迫振動(dòng)過(guò)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(shí),能量的損耗和補(bǔ)充并非是等量的,因而受迫振動(dòng)是不穩(wěn)定的。當(dāng)補(bǔ)充的能量和損耗的能量相等時(shí),系統(tǒng)才得到一種穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài),形成等幅振動(dòng)。由于車輛在隧道路面行駛過(guò)程中在某一斷面是瞬時(shí)的,即這一斷面的振動(dòng)能量補(bǔ)充也是瞬時(shí)、有限的,故隧道路面的受迫振動(dòng)將很快減弱或消失。
2 效果檢測(cè)
2.1 振動(dòng)檢測(cè)
2.1.1 檢測(cè)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?gòu)乃淼纼?nèi)駛過(guò)。
(2)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位置布置:共設(shè)置2個(gè)檢測(cè)點(diǎn),1#檢測(cè)位于設(shè)置減振結(jié)構(gòu)的地段(樁號(hào)YK7+860),2#檢測(cè)點(diǎn)位于未設(shè)置減振結(jié)構(gòu)的地段(樁號(hào)YK8+200),對(duì)比減振效果。
(3)傳感器可同時(shí)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(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。
2.1.2 測(cè)試依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
按《GB 10071-1988城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》進(jìn)行操作。
2.1.3 測(cè)試儀器
TC-4850測(cè)振儀主要技術(shù)參數(shù)為:儲(chǔ)存長(zhǎng)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(cè)振儀觸發(fā)電平設(shè)置為0.005cm/s。
2.1.4 檢測(cè)結(jié)果
共檢測(cè)5次,1#檢測(cè)點(diǎn)(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(diǎn)振動(dòng)速度為0.0058cm/s,2#檢測(cè)點(diǎn)(無(wú)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(diǎn)振動(dòng)速度為0.0074cm/s,即1#檢測(cè)點(diǎn)的平均最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與2#檢測(cè)點(diǎn)的平均最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度比為78.4%,減振結(jié)構(gòu)可將車輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)減少21.6%。水平X(隧道軸向)、切向Y(隧道橫向)對(duì)于有無(wú)減振結(jié)構(gòu)的平均最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度變化不明顯。
第一次實(shí)測(cè)波形如圖4~圖5,其余4次實(shí)測(cè)波形與第一次相似。
2.2 噪聲檢測(cè)
2.2.1 檢測(cè)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?gòu)乃淼纼?nèi)駛過(guò),檢測(cè)期間對(duì)該路段實(shí)行封道管理,確保在隧道內(nèi)只有檢測(cè)車輛,并確保當(dāng)時(shí)沒(méi)有其他噪聲干擾。
(2)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位置布置:噪聲收集在分別距1#檢測(cè)點(diǎn)(洞口處未設(shè)置FC吸聲板)、2#檢測(cè)點(diǎn)(洞口處設(shè)置FC吸聲板)110m處開(kāi)始記錄車輛行駛噪聲,車輛距檢測(cè)點(diǎn)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(jì)記錄。通過(guò)對(duì)1#、2#檢測(cè)點(diǎn)的記錄噪聲值對(duì)比分析,來(lái)得出隧道降噪結(jié)構(gòu)的效果。
2.2.2 測(cè)試依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
參照《HJ 706-2014 環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 噪聲測(cè)量值修正》進(jìn)行操作。
2.2.3 測(cè)試儀器
采用SMART SENSOR數(shù)字噪聲計(jì),型號(hào):AR844,主要技術(shù)參數(shù)為:校準(zhǔn)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(cè)量范圍:30~130dBA。本次檢測(cè): 1#檢測(cè)點(diǎn)和2#檢測(cè)點(diǎn)噪聲計(jì)頻率加權(quán)特性設(shè)置均為A。
2.2.4 檢測(cè)結(jié)果
根據(jù)噪聲檢測(cè)數(shù)據(jù)分析(圖6),當(dāng)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(cè)點(diǎn)110m~20m時(shí)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(dá)4.2%;位于20m處最小差值為0.66dB,降幅達(dá)0.8%。
3 結(jié)語(yǔ)
(1)隧道內(nèi)設(shè)置減振降噪結(jié)構(gòu),施工簡(jiǎn)單方便,材料價(jià)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(fèi)用。通過(guò)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(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用方便、造價(jià)低廉、取料容易、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),能有效地消除公路隧道行車振動(dòng)和噪聲,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
(2)振動(dòng)檢測(cè)表明,減振結(jié)構(gòu)可將車輛通過(guò)時(shí)垂直Z方向(隧道減振結(jié)構(gòu)深度方向)產(chǎn)生的振動(dòng)減少21.6%,減振效果顯著;由于車輛行駛振動(dòng)以垂直方向?yàn)橹?,故水平X方向(隧道軸向)、切向Y方向(隧道橫向)振動(dòng)信號(hào)變化不大。噪聲檢測(cè)表明,離檢測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)即車輛在洞內(nèi)噪聲被降噪設(shè)施盡量吸收時(shí)降幅達(dá)4.2%;離檢測(cè)點(diǎn)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(shí)降幅也較小為0.8%,說(shuō)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(jì)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(hào):ZL201610750434.2)取得了國(guó)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(zhǎng)期效果有待于繼續(xù)觀察和驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳凱偉.車輛—有砟軌道—橋梁空間耦合系統(tǒng)減振措施研究[D].北京交通大學(xué),2011.
[2] 劉心成.地鐵車輛-軌道-隧道系統(tǒng)振動(dòng)特性的建模方法對(duì)比研究[D].北京交通大學(xué),2018.
[3] 田小兵.高速公路隧道環(huán)保型建設(shè)技術(shù)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2012,10(2):50-54.