公路隧道减振降噪结构与效果检测

李舒扬

摘 要：在振动和噪声敏感区域隧道内采用乳化沥青水泥稳定层、级配碎石、橡胶板吸收减弱车辆行驶产生的振动能量，噪音由橡胶沥青混凝土上面层、隧道边墙FC吸声板吸收，起到减振降噪的作用。振动检测表明，减振结构可将车辆通过时垂直Z方向（隧道减振结构深度方向）产生的振动减少21.6%；噪声检测表明，隧道边墙FC吸声板降噪幅度达4.2%。该结构已收到了较好的效果，大交通量和长期效应有待于继续观察和验证。

关键词：公路隧道 减振降噪结构 机理 检测

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0068-05

埋置较浅的城市轨道交通、地铁在居民区对于列车行驶引起的振动和噪声如何采用有效措施减振降噪已成为环境影响的热点问题之一，现有多种方法解决行车的减振降噪，如使用轨道减振器扣件、橡胶浮置板道床、钢弹簧浮置板道床、弹性短轨枕、高弹性模乳化沥青水泥砂浆无砟轨道以及声屏障等，隧道出入口处更予以加强。公路隧道也常遇到穿越振动和噪声敏感区域，如居民集聚区、学校、医院、科研以及寺庙、教堂等有特殊要求的场所。由于公路隧道行车振动和噪声比城市轨道交通、地铁相对较弱，以上方法由于适应性或造价等原因，不适用于公路隧道行车的减振降噪，故研发设计结构稳定、施工方便、造价低廉、效果明显的公路隧道行车减振降噪结构及效果检测是非常必要的。

浙江省某隧道进口段左、右洞上方存有采矿后留下的废弃矿坑，被选址建造中国第五大佛教名山宗教建筑——弥勒圣坛。该隧道从弥勒圣坛底座以下穿越，覆盖层平均厚度不足6m（最薄处4m），水平距离23m，隧道行车振动和噪音将影响弥勒圣坛佛教文化设施的环境，为此采取减振降噪措施，以保持弥勒圣坛宁静和庄严肃穆的气氛。该工程2017年6月开工，2017年11月完成施工，现已初显成效，当地居民和景区管理部门反映良好。

1 减振降噪结构设计及机理

1.1 减振降噪整体结构设计

在图1中，隧道路面结构①～④层分别为橡胶沥青混凝土、水泥混凝土、乳化沥青水稳、级配碎石和回填水泥混凝土垫层，在车辆行驶振动激振力作用下，路面中上三层（①～③）彈性胶结层整体产生受迫振动，乳化沥青水泥稳定层为弹粘性层，其下的④层级配碎石是一种散体介质，车辆行驶产生的振动由隧道路面往下传递至级配碎石减振层，及向路面两侧传递至橡胶板，由乳化沥青水泥稳定层弹粘性层、级配碎石和橡胶板吸收减弱振动能量；同时，在隧道横断面用橡胶板隔离，消除车辆行驶振动向隧道边墙传播。车辆行驶产生的噪音由橡胶沥青混凝土上面层、隧道边墙FC（Fiber cement board）吸声板吸收，以起到减振降噪的作用。

1.2 级配碎石分仓隔梁设计

减振层级配碎石是一种散体介质，在车辆引起的振动力和隧道内层间渗水的共同作用下，易发生推挤、推移，需进行分仓约束。分仓隔梁为钢筋混凝土结构高度为hgl，其弹性模量Egl即弹性系数大于级配碎石的回弹模量Ess，级配碎石厚度为hss，为了避免乳化沥青水稳层及其上各层压缩沉降差，在分仓隔梁上设置厚度为hxj、弹性模量为Exj的橡胶条，同时橡胶条也起到减振的作用（图2）。

车辆荷载行驶路面时，轮胎着地长度为d0、宽度为c0，荷载强度为q0，荷载扩散角为δ，车辆荷载经扩散后，荷载分布强度为q1，要求级配碎石减振层与橡胶条和分仓隔梁产生的压缩沉降相同。

1.3 隧道路面系统受迫振动模型

隧道结构减振机理如图3所示。隧道路面系统①～④层在车辆行驶振动激振力作用下，路面中上三层（①～③）弹性胶结层整体产生受迫振动，其下的④层级配碎石是一种散体介质，其内部的摩阻力对受迫振动具有滞后阻尼效应，车辆振动激振力需克服阻尼阻力做功而损耗能量，隧道路面系统振幅将逐渐减小，起到减振的作用。

在式（6）中，A0为受迫振动初振幅，为相位角，t为时间；其中第一项：阻尼振动，经过一定的时间后将消失；其中第二项：与简谐运动形式相同的等幅振动，是受迫振动的稳定解，即在受迫振动过程中，系统一方面因阻尼而损耗能量，另一方面又因周期性外力做功而获得能量。初始时，能量的损耗和补充并非是等量的，因而受迫振动是不稳定的。当补充的能量和损耗的能量相等时，系统才得到一种稳定的振动状态，形成等幅振动。由于车辆在隧道路面行驶过程中在某一断面是瞬时的，即这一断面的振动能量补充也是瞬时、有限的，故隧道路面的受迫振动将很快减弱或消失。

2 效果检测

2.1 振动检测

2.1.1 检测方案

（1）车辆选择：选择一辆约40t载重汽车以60km/h的速度匀速从隧道内驶过。

（2）检测点数量及位置布置：共设置2个检测点，1#检测位于设置减振结构的地段（桩号YK7+860），2#检测点位于未设置减振结构的地段（桩号YK8+200），对比减振效果。

（3）传感器可同时捕获水平X（隧道轴向）、切向Y（隧道横向）和垂直Z（隧道减振结构深度方向）3个方向的振动信号。

2.1.2 测试依据的技术标准

按《GB 10071-1988城市区域环境振动测量方法》进行操作。

2.1.3 测试仪器

TC-4850测振仪主要技术参数为：储存长度：128M；分辨率：16bit；采样率：50ks/s；输入量程范围：0～10V；频率范围：0～20kHz。传感器选用TCS-B3速度传感器，测振仪触发电平设置为0.005cm/s。

2.1.4 检测结果

共检测5次，1#检测点（有减振结构）垂直Z（隧道减振结构深度方向）产生的平均最大质点振动速度为0.0058cm/s，2#检测点（无减振结构）垂直Z（隧道减振结构深度方向）产生的平均最大质点振动速度为0.0074cm/s，即1#检测点的平均最大质点振动速度与2#检测点的平均最大质点振动速度比为78.4%，减振结构可将车辆通过时产生的振动减少21.6%。水平X（隧道轴向）、切向Y（隧道横向）对于有无减振结构的平均最大质点振动速度变化不明显。

第一次实测波形如图4～图5，其余4次实测波形与第一次相似。

2.2 噪声检测

2.2.1 检测方案

（1）车辆选择：选择一辆约40t载重汽车以50km/h的速度匀速从隧道内驶过，检测期间对该路段实行封道管理，确保在隧道内只有检测车辆，并确保当时没有其他噪声干扰。

（2）检测点数量及位置布置：噪声收集在分别距1#检测点（洞口处未设置FC吸声板）、2#检测点（洞口处设置FC吸声板）110m处开始记录车辆行驶噪声，车辆距检测点40m鸣笛，模拟车辆在公路上正常行驶和鸣笛的状态，由数字噪音计记录。通过对1#、2#检测点的记录噪声值对比分析，来得出隧道降噪结构的效果。

2.2.2 测试依据的技术标准

参照《HJ 706-2014 环境噪声监测技术规范 噪声测量值修正》进行操作。

2.2.3 测试仪器

采用SMART SENSOR数字噪声计，型号：AR844，主要技术参数为：校准声源：94dB@1kHz；解析度：0.1dB；取样率：20次/s；频率响应：31.5Hz～8.5kHz；测量范围：30～130dBA。本次检測： 1#检测点和2#检测点噪声计频率加权特性设置均为A。

2.2.4 检测结果

根据噪声检测数据分析（图6），当载重约50t重的汽车以匀速50km/h的速度行驶，分别距离1#、2#检测点110m～20m时的噪声分贝差值呈由大到小，其中位于110m处最大差值为3.00dB，降幅达4.2%；位于20m处最小差值为0.66dB，降幅达0.8%。

3 结语

（1）隧道内设置减振降噪结构，施工简单方便，材料价格低廉，若与隧道内设置类似地铁减振结构和隧道外建筑采用减振降噪措施相比，如建筑基础设置减振基础，将大幅度节约资源和降低工程费用。通过隧道内设置综合减振降噪措施，明显降低了敏感区域公路隧道行车减振和降噪，并具有构造简单、结构稳定、使用方便、造价低廉、取料容易、节能环保等优点，能有效地消除公路隧道行车振动和噪声，经济效益和社会效益显著。

（2）振动检测表明，减振结构可将车辆通过时垂直Z方向（隧道减振结构深度方向）产生的振动减少21.6%，减振效果显著；由于车辆行驶振动以垂直方向为主，故水平X方向（隧道轴向）、切向Y方向（隧道横向）振动信号变化不大。噪声检测表明，离检测点较远时即车辆在洞内噪声被降噪设施尽量吸收时降幅达4.2%；离检测点20m处和位于洞口处，车辆临近洞口噪声被降噪设施吸收较少时降幅也较小为0.8%，说明降噪设施起到较好的降噪作用。

（3）隧道减振结构设计阶段研发了《公路隧道行车减振降噪结构及其施工方法》（专利号：ZL201610750434.2）取得了国家专利。本次公路隧道减振结构为浙江省内首次应用，目前已取得了阶段性成果，减振结构的大交通量效应和长期效果有待于继续观察和验证。

参考文献

[1] 吴凯伟.车辆—有砟轨道—桥梁空间耦合系统减振措施研究[D].北京交通大学，2011.

[2] 刘心成.地铁车辆-轨道-隧道系统振动特性的建模方法对比研究[D].北京交通大学，2018.

[3] 田小兵.高速公路隧道环保型建设技术[J].国防交通工程与技术，2012，10（2）：50-54.