隧道振動控制研究現狀綜述

夏進

受地形、地物、水文、地質以及平面規劃等因素的影響，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。而隧道會由于車輪磨耗程度、軌道平順、隧道圍巖等方面的因素產生振動，對隧道結構、環境等產生不良的影響。本文從隧道結構振動響應、隧道地基土振動響應、環境振動響應等方面，綜述了目前鐵路隧道振動研究的進展，并發現了目前振動控制研究存在的問題。

一、 隧道結構振動響應研究

1.現場測試

英國對倫敦地鐵35輛試驗列車以20～50km/h的速度運行測試結果表明，仰拱以及隧道邊墻的動力響應隨著車速的提高而增大。

國內對金家巖隧道和京廣線朱亭隧道列車以50～80：km/h速度運行進行測試，根據采集的加速度信號，利用數字信號處理技術推得列車振動荷載譜，并將其用于隧道振動響應的數值計算中。

在現場爆破震動安全監測結果的基礎上，同時基于波與能量的相互關系，利用單位藥量與距離條件下的質點振速波形面積(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對結構與圍巖介質的影響，通過比較質點振動速度波形面積的變化可分析評估圍巖介質體中的爆破震動能的分布與藥量和距離的關系，以及圍巖介質體物理力學性質的改變與爆破震動能衰減的關系。

2.模型試驗

國內外關于隧道振動響應的模型試驗研究較少。國內采用室內模型試驗從動應變角度觀測分析了列車動載作用下隧道基底結構的動力學性能，初步得到了基底充填狀態與基底強度間的定性關系。針對既有鐵路隧道鋪底結構，進行了低速條件下的隧道底部結構動力模型試驗，提出了合理的防振型隧道鋪底結構形式。

目前的研究成果與工程要求還有很大的差距。今后的研究方向應該是進行小比例尺模型的室內試驗以及大比例尺模型試驗，直至原型的試驗研究，分析振動傳播機理，為理論分析方法提供重要的驗證手段。

對南京長江水底隧道沉管段穿經地層的模型進行地震反應分析。得出了管段聯結方式以半柔半剛(即彈性聯結)較為合理，地震時隧道中的彎矩和軸力均相應地小于管段剛性聯結的情況，初步設計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分析中，也采用薄殼理論建立隧道結構的振動控制方程，忽略了隧道結構的橫向剪切變形，認為隧道(殼)表面的位移與中位面相等?？紤]到隧道結構厚徑比一般大于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，建立隧道結構的振動方程，對土介質中的隧道結構的振動特性進行了分析研究。

3.數值模擬

由于鐵路隧道振動數值模擬往往是實際情況的極度簡化，而且相關動力參數在缺少實測值情況下，大多是按經驗取值，因此發展完善的數值模型和開發以試驗為基礎的動力本構關系是今后隧道振動數值模擬的重要任務。

國內采用沉埋隧道地震響應分析的數學模型，對南京長江越江隧道(沉管段)方案進行了地震響應的縱向受力分析。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結方式和不同的計算參數，對初步設計中沉管段結構的安全性進行了論證，所提供的數據曾為設計單位所采納。

通過大量二維和三維數值模擬計算，同時，結合紫坪鋪隧道小凈距段現場實測爆破振動數據，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及開挖掌子面前后1B范圍是影響較大部位，應加強監控量測的結論。提出了巖墻加固宜采用注漿加固、先行隧道初期支護宜及時封閉、掏槽眼宜遠離中巖墻以及開挖進尺不宜大于凈距的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響應研究

1.：隧道地基土振動響應

隧道地基液化和振陷是列車振動所帶來的最為嚴重的問題之一，因此隧道地基土振動響應研究主要集中在這2個方面。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，相關研究基本上是圍繞南京地鐵、上海地鐵展開的。

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

此外，對高速列車荷載作用下沉管隧道地基的振動響應進行了數值模擬，得到地基最大剪應力分布情況，并基于現場地質資料的回歸分析得到沉管隧道3個典型斷面的地基抗液化剪應力，據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，有的將動力滲流分析和動力反應分析分時段交替計算，有的將兩者耦合計算，但不管是哪種分析方法，其關鍵技術在于正確描述列車荷載作用下土體內孔隙水壓力的產生、擴散與消散過程。建立與實際相符、完善的孔壓增長、消散機理，并將其應用于動力有效應力計算中，也是當前隧道地基土振動響應的研究內容之一。

2.環境振動響應

環境振動響應主要是指地鐵列車運行時引起的地表或地表建筑物的動力響應。我國現場測試結果表明，當列車以13～20：km：/h的速度行駛時，地鐵正上方居民住宅振級高達85dB，如列車以正常速度70：km/h：行駛，振級還會更大。

地鐵振動的影響范圍和影響程度與車速、軌道結構、地質條件以及隧道埋深等均有關。此外，襯砌厚度和結構類型對于地鐵列車引起的振動也有很大的影響。當隧道襯砌的厚度增加1倍，其振動級可降低5～18dB。矩型隧道結構對地面環境振動的影響一般要比馬蹄型及圓形隧道結構的大，當地質條件相同時，2種情況下的振動級差值約2～4dB。

由于以現場測試為基礎建立起來的環境振動預測模型，其準確性很大程度上依賴于測試對象與被預測對象之間的相似性，這往往限制了已有振動預測模型的應用；另一方面，較完備的環境振動響應數值分析的耗時性和復雜性又往往令人“望而卻步”，至今尚未出現大家公認的、可靠、快速的振動預測方法。因此，尋求滿足工程需要的環境振動預測或分析的簡化計算方法應是環境振動響應影響的一個重要研究方向。

三、目前振動控制研究存在的問題

1.計算模型有待完善

已有計算模型均對實際情況進行了不同程度的簡化，有的只細化軌道系統，有的只細化隧道-圍巖系統，有的甚至將列車荷載直接用諧變點激勵代替，作用于仰拱上，忽略軌道結構的作用。事實上，隧道結構動力響應除與自身材料性質有關以外，還與輪軌間相互作用力、軌道結構形式、圍巖條件以及地下水條件等因素有關，詳細、全面的隧道動力響應分析應綜合考慮這些影響因素。

2.缺少對隧道結構長期動力特性的研究

以往研究重點主要集中于隧道結構的瞬態響應，即單次列車動載作用下結構應力場或應變場的變化情況，對隧道結構在列車荷載作用下的長期動力特性的研究，特別是對軟弱基巖條件下隧道結構的動力累積效應的研究幾乎處于空白。然而在列車荷載長期、反復沖擊作用下，隧道襯砌和基巖自身存在的裂隙不斷發展，結構變形和疲勞損傷也將不斷累積，當損傷或變形累積到一定程度時，就有可能產生在短期內所沒有出現的安全問題。

3.減振措施研究方面

對于同等水平的地鐵列車振動，當地層條件和結構埋深不一樣時，由地層傳播到地表或地表建筑上的振動水平也是不一樣的，因此相應采取的減震措施也應有所不同。然而在實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。