CN102678135A - 约束阻尼结构的减振防护隧道以及隧道的施工方法 - Google Patents

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吴学锋
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Abstract

本发明涉及一种地下铁路隧道结构,具体地说是喷涂阻尼约束结构减振降噪防护隧道以及该隧道的施工方法。本发明的约束阻尼结构的减振防护隧道,包括隧道初期支护混凝土层,隧道初期支护混凝土层上敷设粘弹性阻尼层,粘弹性阻尼层表面设有二次衬砌混凝土层。本发明中,减振及防护结构为多功能一体化,以阻尼减振降噪功能为主,与此同时,还提供防水、防腐、绝缘等功能,解决隧道防水和渗漏问题,提高整个地下结构的耐久性,隔绝地铁中的杂散电流,保障行车和人员安全。

Description

约束阻尼结构的减振防护隧道以及隧道的施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地下铁路隧道结构,具体地说是喷涂阻尼约束结构减振降噪防护隧道以及该隧道的施工方法。
背景技术
[0002] 随着国民经济发展,城市人口增多,机动车急剧增长和城市布局的变化,交通问题日益突出,发展城市轨道是解决这一问题的一个重要举措。但是,轨道交通同时带来的振动和噪声问题,日益成为污染城市环境的突出因素。 特别是由于地铁作为后建基础设施,同时要满足解决城市人流密集区的交通问题,地上修建受到多方面因素的影响而逐渐向地下发展。一般认为,地下轨道由于增加了埋深,在同等减振条件下产生的振动噪音较地上轨道小,但是由于在已有建筑设施下方修建轨道难度大、施工复杂,同时,通过增加埋置深度来减少振动对已有结构的稳定性影响,会导致工程造价升高。由此可见,地下铁路隧道结构的减振降噪问题亟待解决。目前,常用的减振降噪措施均是集中在对轨道结构本身进行减振处理,对于地下铁路隧道结构这种特殊的结构形式,并没有针对性减振设计。车辆振动控制、轨道结构振动控制是最主要的两个方面。设置弹性车轮主要对嘯叫噪声进行控制,针对性较强;采用无缝钢轨、增加钢轨质量可提高结构的整体减振降噪效果,但改善幅度不大;在钢轨上安装轨道减振器可获取一定的减振效果,但过于依赖铺设密度,施工性差,造价高;扣件控制也是常用的减振方法,Cologne-Egg弹性构件是目前新型的扣件形式,可达10-15dB的减振效果,但通过扣件减振达到较高的减振降噪效果成本较高,并且扣件设计难度大,扣件的刚度匹配等问题难以协调,施工性差;浮置板轨道结构是目前最先进的轨道结构,减振要求高的区段一般要求设计成该结构,但此结构主要吸收中低频冲击振动,另施工技术复杂、安装质量控制环节多,进度慢、造价高、难维护。
[0003] 另一方面,隧道的防水、防护情况也不容乐观。隧道的支护结构通常采用复合式衬砌,即在初期支护与二次衬砌之间设置隔离层(防水板)。从理论角度来说,这种复合式衬砌结构形式可以有效地将围岩中的水阻止在防水板以外,保证隧道衬砌不漏水、不渗水。然而,在现场施工过程中,很难保证隧道初支断面规则、平顺,往往由于凹凸不平的面层导致防水板破损和背部产生脱空。防水板一旦出现破损,就会丧失防水功能,而防水板背部的脱空又会形成天然的储水空间。这些都会成为隧道衬砌渗漏水的直接原因,严重影响工程质量,并且给隧道运营带来安全隐患。
发明内容
[0004] 本发明的技术效果能够克服上述缺陷,提供一种约束阻尼结构的减振防护隧道,其方便地应用于地下铁路隧道结构中,能够迅速有效地吸收结构振动能量和辐射噪声,减轻对自身及上层建筑的不利影响,同时保证隧道衬砌不漏水、不渗水,改善耐久性。以一种构造实现两种用途,增强施工性、提高性价比。
[0005] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:其包括隧道初期支护混凝土层,隧道初期支护混凝土层上敷设粘弹性阻尼层,粘弹性阻尼层表面设有二次衬砌混凝土层。
[0006] 其中阻尼层(已申请中国发明专利,一种喷涂聚氨酯-脲阻尼减振降噪材料,申请号为200910017943),阻尼材料的粘弹性特质完美地解决了与初期支护混凝土粘结不紧密的脱空问题;在阻尼层表面直接喷射或者浇注二次衬砌混凝土作为约束层。将阻尼材料与隧道本身土建基体构成约束阻尼减振系统,借助阻尼材料的粘弹特性,实现剪切耗能。该减振系统一方面能够从根源上,迅速有效地将轨道振动冲击能量转化为热能消耗掉,减少通过岩石土体传给上层建筑的振动;另一方面,由于粘弹性阻尼材料的存在,整个隧道形成一个弹性封闭声腔,大大减少了声辐射噪声的向外辐射传播,降低噪音污染。从另一个角度看该构造也是一个完整的防护系统,借助阻尼材料本身的高强度、防腐蚀、抗渗漏特性,实现对隧道衬砌的全面防护和封闭。本发明的作用概括地讲:就是能够改善轨道运营环境、降低振动噪声污染,减少开挖深度、降低施工难度,提高耐久性、兼顾防水性、节约工程成本。
[0007] 本发明中,综合考虑地铁服役环境中温度、振动频率等的影响,阻尼层材料选取一种喷涂聚氨酯-脲阻尼减振材料(专利申请号为200910017943),材料刚度模量在2_20MPa之间,与混凝土近似30-40GPa的模量相匹配;材料属于宽温域、宽频域的粘弹性阻尼材料, 在温度条件_10°C -50°C,频率条件0-300HZ下,能够保证不低于O. 5的损耗因子值;材料具有优异的抗渗性,良好的耐酸、碱、盐、油、水等腐蚀介质的侵蚀性能,可为隧道结构提供优异的防护效果;与混凝土粘结强度大于I. 5MPa,加上材料本身的粘弹性特质,可与上下两层混凝土紧密结合,不会产生空鼓脱空。同时,阻尼层粘弹性材料虽为高分子有机物,但并不含溶剂,对环境友好,在地下封闭区域施工不会产生有毒气体危害施工人员健康;采用机械喷涂工艺,易操作、效率高,可以形成厚度均匀、连续的阻尼层,适用性强,应用广泛,使用后减振降噪及防护效果明显,具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。
[0008] 本发明的另一个目的是提供一种上述隧道的施工方法,其包括如下步骤:
[0009] (I)在隧道完成初期支护后,对初期支护混凝土层进行表面处理,将混凝土表面的浮浆打掉,使用高压水枪冲洗掉基材表面的所有残留物,使得基材完全呈现出混凝土实体结构;
[0010] (2)在经过底材处理的混凝土表面喷涂粘弹性阻尼层,其表干时间为10_30min ;
[0011] (3)在粘弹性阻尼层表面喷射或者浇注二次衬砌混凝土层,进行后续施工,从而形成隧道约束阻尼结构。
[0012] 本发明中,减振降噪构造能够发挥巨大作用,一方面来自于阻尼材料本身的优良性能;另一方面则依靠该构造所形成的减振系统。地铁隧道内是声场辐射和结构振动同时存在的声固耦合场。振动和噪音主要由列车行驶过程中车轮与轨道的冲击作用产生,振动能量将通过轨道板等传至地基及周围土体岩层,同时噪音通过固体介质和空气快速传播。将阻尼层设置于两层隧道混凝土之间形成约束阻尼结构,一方面,约束阻尼结构使得阻尼材料实现剪切耗能,吸收振动噪声的能力较常规的拉压耗能(即橡胶垫板)大得多,阻尼效果优异;另一方面将大大降低整个隧道空腔的刚度,形成弹性封闭声腔,使结构固有频率下降,相应移动荷载的临界速度下降,有利于减少土体共振现象的发生;第三方面,隧道内结构所受到的激励频率范围很大,也很复杂,借助阻尼层的宽频域特性可在相当宽的频带内起到抑制振动和噪声的作用;第四方面,所构成约束阻尼结构的整体密度较小,声音传播速率降低,更有利于减少噪音传播。[0013] 本发明中,阻尼层(防护层)的实现形式是直接喷涂涂层;阻尼防护结构的设置可以是连续的,也可以是间隔的。综合考虑减振降噪效果、工程造价,为寻找性价比最高的阻尼层厚度,应根据具体工程通过数学建模计算,拟定约束阻尼结构的厚度比,一般来说,阻尼层与与二次衬砌混凝土层的厚度比在I : 5-20之间较为合适;隧道初期支护、阻尼层、二次衬砌所构成的约束阻尼结构,最好选用对称形式。
[0014] 本发明中,减振及防护结构为多功能一体化,以阻尼减振降噪功能为主,与此同时,还提供防水、防腐、绝缘等功能,解决隧道防水和渗漏问题,提高整个地下结构的耐久性,隔绝地铁中的杂散电流,保障行车和人员安全。
附图说明
[0015] 图I为本发明构造的应用示意图。
[0016] 图2为图I中A部放大图。
[0017] 图中:1.隧道初期支护混凝土层;2. 二次衬砌混凝土层;3.粘弹性阻尼层。具体实施方式
[0018] 如图I、图2所示,包括隧道初期支护混凝土层1,隧道初期支护混凝土层I上敷设粘弹性阻尼层3,粘弹性阻尼层3表面设有二次衬砌混凝土层2。
[0019] 粘弹性阻尼层3与二次衬砌混凝土层2的厚度之比为I : 15。所述的粘弹性阻尼层3采用的粘弹性阻尼材料,其刚度模量在2-20MPa之间,损耗因子在O. 5以上的温域范围为-10°C _50°C,频域范围为 0-300HZ。
[0020] 本发明的方法步骤如下:
[0021] (I)首先,在隧道完成初期支护后,对隧道初期支护混凝土层I进行表面处理,具体做法为:首先采用机械处理混凝土表面,打掉浮浆,然后使用高压水枪冲洗掉基材表面的所有残留物,使得基材完全呈现出混凝土实体结构;
[0022] (2)然后,在经过底材处理的混凝土表面喷涂粘弹性阻尼层3,其表干时间为20分钟;
[0023] (3)最后,在粘弹性阻尼层3表面喷射或者浇注二次衬砌混凝土 2,进行后续施工,形成约束阻尼结构。
[0024] 当列车在轨道上运行通过轨道本体产生振动,振动会迅速通过刚性材质的二次衬砌混凝土层2传至粘弹性阻尼层3 ;粘弹性阻尼层产生以剪切为主、拉压为辅的变形。由于约束阻尼的耗能特性,混凝土层I和混凝土层2使得粘弹性阻尼层3产生与形变方向相反的阻力,将振动机械能转变为热能耗散掉。
[0025] 本发明主要针对地铁地下部分的隧道结构进行振动控制,对隧道采用全包阻尼层,一方面,整个振动系统形成封闭声腔,不仅能够减少轨道传递的振动,而且还能减少空气传播的噪声;另一方面,由于粘弹性材料的存在,避免了空腔内空气产生共鸣放大某些频率,最大程度地降低地铁运行中产生的振动和噪音,可降低噪音10-15db。另外,阻尼材料具有极好的防腐防水性能,在保证自身使用年限的同时,也对位于潮湿地下环境的土建结构起到了防腐和防水的效果,一材多用。
[0026] 本发明结构既可应用于隧道全线,也可单独应用于减振要求较高的地段,既可独立实施,也可根据设计要求与其他轨道减振措施联合使用。
[0027] 在实际应用过程中,粘弹性阻尼层3随土建结构施工进程流水施工,采用机械喷涂工艺,相对于混凝土长达28天的养护时间,阻尼材料养护时间在Id之内,为施工进度提
供保障。
[0028] 本发明减振防护结构构造简单,极易实施,减振降噪效果显著,使用寿命长,安全可靠,经济与环保性俱佳,特别适合应用于地下铁路隧道结构,尤其是噪声水平较高的曲线段、制动段、高速段,以及上部建筑结构对振动噪声要求 高的区段。

Claims (4)

1. 一种约束阻尼结构的减振防护隧道,包括隧道初期支护混凝土层,其特征在于,隧道初期支护混凝土层上敷设粘弹性阻尼层,粘弾性阻尼层表面设有二次衬砌混凝土层。
2.根据权利要求I所述的约束阻尼结构的减振防护隧道,其特征在于,粘弾性阻尼层与二次衬砌混凝土层的厚度之比为I : 5-20。
3.根据权利要求2所述的约束阻尼结构的减振防护隧道,其特征在于,所述的粘弾性阻尼层采用的粘弾性阻尼材料,其刚度模量在2-20MPa之间,损耗因子在O. 5以上的温域范围为-10°C _50°C,频域范围为0-300HZ。
4.根据上述任ー权利要求所述的约束阻尼结构的减振防护隧道的施工方法,其特征在于,包括如下步骤: (1)在隧道完成初期支护后,对初期支护混凝土层进行表面处理,将混凝土表面的浮浆打掉,使用高压水枪冲洗掉基材表面的所有残留物,使得基材完全呈现出混凝土实体结构; (2)在经过底材处理的混凝土表面喷涂粘弾性阻尼层,其表干时间为10-30min ; (3)在粘弾性阻尼层表面喷射或者浇注二次衬砌混凝土层,进行后续施工,从而形成隧道约束阻尼结构。
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