铁路环境振动屏障隔振研究进展综述

孙成龙，史建平，辜小安，高亮

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.北京交通大学土建学院，北京 100044)

应用屏障隔振是防止和减轻地面振动的有效措施之一，也是目前控制铁路振动传播途径的重要手段，其原理是利用沟渠、橡胶衬垫、板桩墙及排桩等各种基础屏障来截断、散射和绕射各种应力波。根据屏障的形态，可分为连续屏障和非连续屏障。

1 连续屏障的研究

1.1 试验研究

连续屏障类型主要有空沟，膨胀土泥墙，混凝土芯墙，粉煤灰和气垫等。空沟隔振方面的研究，最早始于 Woods［1］，他通过在层状砂土场做空沟的主动和被动隔振试验，提出了用振幅衰减系数衡量隔振效果，当振幅衰减达75%以上时隔振有效，同时指出，隔振伸展角(振源到屏障两端连线的夹角)必须大于90°，隔振沟的深度大于1.33倍波长。对于一般的人工波波长，此深度在软土地基和高水位场施工难度很大。因此空沟屏障仅适用于相对波长较短的情况。

由于现场条件限制，空沟应用范围并不广泛，因此，对于填充沟隔振的研究也逐步得到开展。早在1965年，Dolling对采用膨胀土泥浆填充的隔振沟进行了研究，并加大了沟深，但仍然难以满足一般人工波所需的条件，并且泥浆也起了传导压缩波的作用，从而降低了隔振效果，同时须采取防止泥浆固化的措施。此后，欧洲对采用气垫为连续屏障的隔振进行了试验研究，为隔离铁路振动对居民住宅的影响，在1984年瑞典斯德哥尔摩修建了世界上最早的气垫式隔振沟，此后 K.R.Massarsch等对此类型气垫式隔振沟进行了系列研究和试验。此后，1991年德国的杜塞尔多夫为降低高速铁路振动对居民楼的振动，也设置了气垫隔振沟［6］，相关测试结果表明，当屏障深度大于1个波长时，隔振效果可达60% ～80%，但是气垫具有施工难度大，不能承重和易损坏等缺点。R.Müller［2］对瑞典、德国和日本的隔振沟的试验效果进行了总结:在铁路沿线某些测点，当沟深为3～5 m时，对于低频(6～8 Hz)，隔振效果可达5 dB。

1.2 理论研究

随着有限元法、边界元法和计算机技术的发展，国内外学者通过理论分析，计算机数值模拟等对屏障的机理进行研究。

对于连续屏障，Aboudi将摄动法与有限差分相结合，研究了具有薄屏障的半空间表面位移，Haupt［3－4］通过一系列现场测试、理论分析和实验室试验分析了空沟和地下混凝土墙的隔振机理和规律。分析认为，散射效果不取决于屏障的实际形状，而仅取决于其截面积，刚性材料比软性材料能更大地减小表面波辐射。

理论和试验分析表明，在各向同性的半自由空间的土中(非分层土)，只有当沟深大于Rayleigh波的波长时，连续屏障才具有较好的隔振效果。对于分层土，Banerjee等用边界元法分析了三维多层土介质中连续屏障振动散射问题，并与Woods试验结果进行了对比。Leung等采用薄层半平面的格林函数的边界元法研究均质和非均质层状半空间上的矩形空沟隔振。Ahmad和Al-Hussaini和 Conte等采用边界元法，对空沟和填充沟影响隔振效果的相关参数进行了研究，给出了平面应变和三维状态下均质土层中用空沟和刚性材料填充沟隔振的简化设计。May等［5］及Yang等［6］进行了类似的研究，采用二维有限元方法分析了隔振沟的隔振机理和规律，提出沟深与振动波波长和频率等有关，并表明空沟和填充沟的有效隔振频率不小于16 Hz，空沟或填充沟的隔振效果主要与沟的几何尺寸，填充材料和沟深有关。Ramin Motamed［7］利用有限元通用软件Abaqus计算了压克力、金属铝和合成苯乙烯材料(EPS)3种不同的填充沟材料的隔振效果，结果表明硬质填充材料好于软质材料，填充沟的宽度对软质材料的隔振效果有影响，对硬质材料影响不大。

国内的学者也对连续屏障的隔振效果和隔振机理进行了研究。卜建清等定性简述了设置地下隔振沟和隔振墙减振效果，但没有通过计算定量分析研究其减振效果。黄菊花［8］利用有限元方法对空沟隔振和填沟屏障隔振进行计算，计算结果表明，近场屏障隔振(r＜2LR，LR为Rayleigh波波长)，空沟屏障深H取值为0.25～0.6LR时，地面振幅可减少75%，对于远场屏障隔振，空沟屏障H取值为0.2～0.4LR时，地面振幅减小就可达到相同的效果。李伟等采用薄层法求解层状半空问的格林函数，并应用频域边界元法对粘弹性层状半空问明沟主动隔振效果进行了分析。高广运等［9］采用薄层法格林函数的半解析边界元法研究了三维层状半空间地基中空沟的隔振效果，进行了空沟隔振的参数分析。分析表明，空沟屏障隔振对粘弹性上软下硬地基及上硬下软地基均有隔振效果;并且地基分层参数对空沟隔振体系的隔振效果影响显著。填充沟的填充材料也会对隔振效果产生影响，赵荣欣［10］等用平面有限元方法分析了明沟或填充式隔振沟的几何尺寸、填充材料对隔振效果的影响，认为泡沫塑料和水泥土复合成夹心饼形式可以较好地发挥材料的特性。

在铁路连续屏障研究方面，Yang等用2.5维有限元法分析了高速列车在弹性地基上运行的动力响应问题，以及沿着铁路线的空沟和填充沟的隔振问题，取得了比较满意的效果。L.Andersen and S.R.K.Nielsen［11］和 Michele Buonsanti［12］等利用有限元法计算了混凝土、橡胶和聚亚氨酯3种填充材料的填充沟对时速200 km/h的列车引起的环境振动的减振效果，计算结果表明，混凝土填充材料的减振效果优于橡胶和聚亚氨酯。

刘奉喜［13］等采用二维平面应变模型研究了多年冻土地区铁路两侧设置隔振沟的减振效果，分析了隔振沟设置的位置及不同深度(0.25 m，0.5 m，1 m，1.5 m)对隔振沟减振效果的影响，研究认为随着隔振沟深度的增大，隔振的效果逐渐增强，但较深的隔振沟和较浅的隔振沟隔振效果差别不大。和振兴和翟婉明［14］等基于动力学理论和三维有限单元分析方法，建立列车移动轴荷载作用下的三维地面振动数值分析模型。以3辆编组的列车为例，考虑列车速度的影响，分析了振动在大地中的传播特性和隔振沟的减振效果。结果表明，在距离轨道0～15 m的范围内隔振沟的振动加速度级可减小5.5～10 dB，在80～280 km/h的车速范围内，隔振系数为0.45～0.6，车速低于160 km/h时隔振系数在0.5以下。罗锟和雷晓燕［15］则研究了铁路沟屏障不同几何形状对隔振效果的影响，认为可以通过改变沟屏障形状达到增加屏障隔振效果的目的。

2 非连续屏障研究

空沟等连续屏障仅适用于入射R波波长较短的情况，即适合中高频振动。对于低频振动成分，必须加深隔振屏障的深度，这在实际运用中很难达到此条件。由此，受深度限制较低的非连续屏障应运而生。1970年，Richart首次提出单排或多排薄壁衬砌的圆柱形孔作为屏障的概念。此后，在非连续屏障的试验研究、理论分析和数值计算等方面，国内外学者作了大量工作，并取得了一定的研究成果。

2.1 试验研究

Woods［16］采用全息照像术，对 R面波波场中圆孔屏蔽效果进行了试验研究，并得出无因次隔振效果与两孔之间的净空和孔径有关，提出圆柱形孔隔振屏障的一般设计准则。Liao和 Sangrey D.A.使用排桩作为屏障试验，提出了隔振设计准则和波阻抗比的概念。高广运等对非连续屏障隔振做过较为深入的研究，采用桩列、孔列以及使用弹性地基板和排桩共同作为屏障隔振，获得不错的试验效果;吴世明利用粉煤灰作为隔振材料，并将粉煤灰做成单排，双排桩和地下连续墙进行对比试验，试验证明粉煤灰屏障具有较好的隔振效果。中国铁道科学研究院对排桩和蜂巢桩隔振进行了系统的试验研究，取得了对典型地质条件，典型线路条件及运行工况下的以上两种地屏障隔振的一手试验数据，研究认为，以上两种地屏障隔振效果可达5 dB以上。

2.2 理论研究

Aviles［17－18］等采用解析的方法分析了单排桩对SH波、SV波和P波的散射效应，研究表明刚性大的排桩较刚性小的排桩对振波具有更好的散射效应，对桩径d，桩长H和桩间距等参数进行了分析，分析表明，若需获得好的隔振效果，d＞0.25LR，H＞2LR以及桩列长度应为隔振区的3倍等结论。Broomand等［19］对均质土中竖向桩入射体波的桩土相互动力分析(吻合效应)，通过分析排桩桩间距、桩刚度和入射频率等参数，表明刚性桩比柔性桩隔振效果好。Kattis［20］等采用三维边界元理论在时域内分析了单排桩的隔振效果，认为排桩的长度、宽度、深度和桩间距是影响隔振效果的主要因素，其中桩间距的影响效果最大，桩的截面形状对隔振效果没有任何影响。Tsai等［21］用三维边界单元法对单排管桩的隔振效果进行了分析，认为桩的长度要比桩间距及屏障到振源间距离对隔振效果的影响大。

高广运等通过Lamb问题的格林函数推导出Rayleigh波散射的正交控制方程，并通过控制方程研究了多排桩体系对大地振动的隔振效果。李志毅视排桩为弹性半空间中的异质体，以瑞利波散射积分方程为基础，首次对多排桩屏障的远场被动隔振效果进行了三维分析，详细讨论了影响隔振效果的几个主要参数。蔡袁强等［22］基于Biot两相饱和多孔介质理论，就饱和土体中排桩对入射S波的隔离效应进行了三维分析，认为入射波频率越大，排桩的隔离效果越好，随着桩土弹性模量比的提高，饱和土中排桩的隔离效果越好。

对于非连续屏障用于铁路隔振的研究方面，孙雨明［23］建立简化的轨道－土体模型进行分析，结果表明，排桩屏障截面尺寸对隔振效果影响明显。而韦红亮采用有限元法，研究了单排桩桩深、桩径、截面形式和材料等结构参数对隔振效果的影响。罗锟等［24］则采用有限元法研究了空沟、夹心墙、刚性墙、排桩和三排蜂窝桩对铁路振动的隔振效果，经过仿真计算，认为三排蜂窝桩减振效果可达15 dB左右，空沟为6～8 dB左右、夹心墙、刚性墙和三排桩为5 dB左右。

3 结论及展望

目前，铁路减振主要采用主动减振方式，如在轨道上采用弹性扣件和浮置板道床等措施达到减振目的。通过采用主动减振措施后，铁路交通引起的环境振动可大幅减小。但对于某些振动环境标准要求比较高的敏感点，在采取主动减振措施仍不能达到要求，或由于客观条件限制，不能采取铁路主动减振措施的情况下，则需要考虑被动减振技术，采用屏障隔振的研究则日益受到重视。由于铁路振动波场受列车速度，机车车辆，牵引种类，线路路基条件，传播介质特性等综合因素影响，呈现复杂性。因此，有必要对铁路各种速度、机车车辆、线路、路基和地面地质的振动进行现场测试，获得完善的铁路波场数据，进而补充、改进以上各种屏障的隔振模型，提出不同条件下隔振屏障的设计准则，应用到铁路实际工程中。在综合考虑铁路减振隔振的技术性和经济性的前提下，组合使用各种铁路主动减振措施和隔振措施，以有效解决我国铁路列车运行引起的环境振动问题。

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