公路隧道減振降噪結(jié)構(gòu)與效果檢測(cè)

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(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，以保持彌勒圣壇寧靜和莊嚴(yán)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(dāng)?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(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(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)過一定的時(shí)間后將消失；其中第二項(xiàng)：與簡諧運(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的速度勻速從隧道內(nèi)駛過。

（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的速度勻速從隧道內(nèi)駛過，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。通過對(duì)1#、2#檢測(cè)點(diǎn)的記錄噪聲值對(duì)比分析，來得出隧道降噪結(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

（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(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(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)橹鳎仕絏方向（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(yàn)證。

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