CN111236985B - 一种地铁隧道振动和噪声控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁隧道振动和噪声控制方法，所使用的地铁隧道监控防护系统包括防冲减振层Ⅰ、防冲减振层Ⅱ、信号采集收发装置和集中电控装置；防冲减振层Ⅰ包括高阻尼减振环和可调阻尼减振器Ⅰ；防冲减振层Ⅱ包括弧形管片和连接设置在相邻两个弧形管片之间的可调阻尼减振器Ⅱ；信号采集收发装置包括振动传感器、噪声传感器、信号采集收发控制器、信号采集模块和声波发射模块；集中电控装置包括中央控制计算机，中央控制计算机分别与信号采集收发控制器、可调阻尼减振器Ⅰ、可调阻尼减振器Ⅱ电连接。本发明能够在地铁运行过程中根据列车与轨道接触实时产生的振动和噪声的大小实施主动减振和降噪，特别适用于地铁轨道交通。

Description

一种地铁隧道振动和噪声控制方法

技术领域

本发明涉及一种振动和噪声控制方法，具体是一种针对地下轨道交通隧道的振动和噪声控制方法，属于地下轨道交通技术领域。

背景技术

地铁是铁路运输的一种形式，指在地下运行为主的城市轨道交通系统，地铁是涵盖了城市地区各种地下与地上的路权专有、高密度、高运量的城市轨道交通系统，具有可以节省地面空间、减少空气污染、减少交通干扰、速度快、大量节省通勤时间等优点，地铁已成为城市现代化的标志，地铁路线的多少也是衡量一个城市发展程度的重要指标之一。

现在的地铁隧道施工通常是采用盾构机，盾构机向前掘进形成隧洞的同时，拼装机在后方将拱形钢筋混凝土隧道管片拼接成整体呈环形的盾构壳体用以支撑起掘出的隧洞不发生坍塌。

地铁隧道运营后，一方面，在地铁隧道中高速运行的列车与轨道接触产生的振动会直接造成隧道内的轨道地基振动、影响乘车舒适感的同时，振动会经由轨道结构、隧道管片、周围土层等媒介传递至地面，因此会降低隧道及地面建筑结构的服役寿命、同时会影响人们正常工作生活；另一方面，振动产生的噪声会在隧道管片的反射叠加作用下形成混响声场，进而会成倍增加噪声强度、产生噪声污染；再一方面，在地铁隧道中高速运行的列车，会在其运行前方形成正气压(即活塞风)、在其运行后方形成负气压，隧道管片在列车经过前后会经历正气压向负气压变化的外界气压变化过程，即隧道管片会先承受沿地铁隧道径向方向向隧道外部的正压挤压膨胀力、再承受沿地铁隧道径向方向向隧道内部的负压吸附收缩力，而由多块隧道管片拼接连接而成的盾构壳体并非是一体结构，因此交变的气压变化会造成隧道管片服役寿命的降低、进而会进一步加剧降低隧道的服役寿命。

现有的地铁减振方式通常从降低振源强度(主动减振)、切断振动传播途径(被动减振)两方面入手，即通过采用重型钢轨、适量降低列车运行速度、采用合理的车轴配置、采用特殊道床和轨枕减振以避免列车与轨道产生共振，通过在地铁隧道中设置隔振沟、隔振墙、隔振排桩、波阻块等实现切断振动传播途径。列车进站后因上下客会造成列车的载重量发生变化，而列车的载重量变化以及速度变化均会对振动的幅度及频率产生影响，因此上述降低振源强度的主动减振方式虽然可以在一定程度上减轻列车运行过程中产生的振动，但减振效果非常有限，难以达到理想效果。而切断振动传播途径的被动减振方式则需额外的工程量，且通常会破坏盾壳的完整性、致使产生局部强度降低的情况。

现有的地铁降噪方式通常采用在隧道管片上喷涂或粘贴阻尼材料层(或吸声材料层)的方式(被动降噪)，该被动降噪方式虽然可以在一定程度上减轻列车运行过程中产生的噪声，但降噪效果同样非常有限，难以达到理想效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种地铁隧道振动和噪声控制方法，能够在地铁运行过程中根据列车与轨道接触实时产生的振动和噪声的大小实施主动减振和降噪，特别适用于地铁轨道交通。

为实现上述目的，所使用的地铁隧道监控防护系统包括防冲减振层Ⅰ、防冲减振层Ⅱ、信号采集收发装置和集中电控装置；

所述的防冲减振层Ⅰ固定设置在盾构壳体的内表面上，包括高阻尼减振环和可调阻尼减振器Ⅰ，高阻尼减振环的外径尺寸与盾构壳体的内径尺寸配合、且高阻尼减振环与盾构壳体固定安装连接，高阻尼减振环沿其轴向和周向方向上均布设有多个可调阻尼减振器安装孔，可调阻尼减振器Ⅰ固定设置在可调阻尼减振器安装孔内、且可调阻尼减振器Ⅰ的伸缩方向沿高阻尼减振环的径向方向设置；

所述的防冲减振层Ⅱ设置在防冲减振层Ⅰ的内表面上，包括多个与高阻尼减振环同心配合设置的弧形管片，弧形管片的弧形内表面上设有减振降噪材料覆层，多个弧形管片沿高阻尼减振环的周向方向均布设置呈圆环形、且弧形管片对应可调阻尼减振器Ⅰ的位置固定安装在可调阻尼减振器Ⅰ的伸缩端上，沿高阻尼减振环的周向方向上相邻的两个弧形管片之间还连接设有可调阻尼减振器Ⅱ、且可调阻尼减振器Ⅱ的伸缩方向沿弧形管片的周向方向设置；

所述的信号采集收发装置包括振动传感器、噪声传感器、信号采集收发控制器、信号采集模块和声波发射模块，振动传感器和噪声传感器均分别沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个，信号采集收发控制器分别与信号采集模块和声波发射模块电连接，信号采集模块分别与振动传感器、噪声传感器电连接；

所述的集中电控装置包括中央控制计算机、信号采集收发控制回路、数据分析计算回路、阻尼调节控制回路，中央控制计算机分别与信号采集收发控制器、可调阻尼减振器Ⅰ、可调阻尼减振器Ⅱ电连接；

地铁隧道监控防护系统在工作状态时，振动传感器、噪声传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机首先根据反馈的隧道内振动数据和隧道内噪声数据分析计算并输出能够吸收振动的最佳阻尼数据和能够抵消噪声波的最佳反相声波数据，然后中央控制计算机根据计算的最佳阻尼数据控制位于列车运行前方的可调阻尼减振器Ⅰ和可调阻尼减振器Ⅱ进行预调整伸缩动作、使防冲减振层Ⅱ的内径尺寸减小或增大至与最佳阻尼数据对应的尺寸，同时中央控制计算机根据计算的最佳反相声波数据控制位于列车运行前方的信号采集收发装置使声波发射模块发射最佳反相声波数据对应的反相声波，列车经过已调整好尺寸的防冲减振层Ⅱ管段时噪声声波被反相声波抵消，同时可调阻尼减振器Ⅰ被压缩进行阻尼动作吸收振动波的动能、可调阻尼减振器Ⅱ被拉伸进行阻尼动作吸收振动波的动能，当防冲减振层Ⅱ贴合在防冲减振层Ⅰ上后，高阻尼减振环被压缩进行阻尼动作吸收振动波的动能。

作为本发明的进一步改进方案，中央控制计算机预置有根据不同列车速度、不同列车重量构建的列车模拟振动模型组；信号采集收发装置还包括分别与信号采集模块电连接的车速传感器、车重传感器，车重传感器沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个；

地铁隧道监控防护系统在工作状态时，车速传感器、车重传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的列车速度数据、列车重量数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的列车速度数据、列车重量数据以及内置的列车轨道接缝间隔长度数据、列车轮对数据构建实时列车预测振动模型，并将该实时列车预测振动模型与预置的列车模拟振动模型组进行比对，在列车模拟振动模型组中选择最接近实时列车预测振动模型的列车模拟振动模型作为标准列车模拟振动模型，然后将标准列车模拟振动模型的振动和噪声的幅度、频率数据与振动传感器、噪声传感器反馈的隧道内振动数据、隧道内噪声数据进行优化计算，然后输出振动和噪声的幅度、频率优化数据作为最佳阻尼数据和最佳反相声波数据计算的基础，最终计算并输出最佳阻尼数据和最佳反相声波数据。

作为本发明的进一步改进方案，信号采集收发装置还包括与信号采集模块电连接的列车位置传感器；

预先向中央控制器输入列车车体长度数据和针对列车车体长度数据设定的列车运行区间长度数据，列车运行区间长度数据大于列车车体长度数据，列车运行区间长度数据将整个隧道划分为多个列车运行区间；地铁隧道监控防护系统在工作状态时，列车位置传感器始终工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的列车实时位置数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的列车实时位置数据控制列车所在的列车运行区间内的振动传感器、噪声传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机分析计算后控制位于列车运行前方的下一列车运行区间内的可调阻尼减振器Ⅰ、可调阻尼减振器Ⅱ、信号采集收发装置的声波发射模块工作，待列车进入下一列车运行区间内时，中央控制计算机控制上一列车运行区间内的可调阻尼减振器Ⅰ、可调阻尼减振器Ⅱ、振动传感器、噪声传感器、信号采集收发装置的声波发射模块停止工作，中央控制计算机同时控制列车所在的列车运行区间内的振动传感器、噪声传感器工作。

作为本发明的进一步改进方案，盾构壳体的内表面和外表面上、以及可调阻尼减振器Ⅰ和可调阻尼减振器Ⅱ上均设有与信号采集模块电连接的压力传感器；

地铁隧道监控防护系统在工作状态时，压力传感器始终工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的来自盾构壳体外部和内部的压力数据、以及可调阻尼减振器Ⅰ和可调阻尼减振器Ⅱ承受的压力数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的压力数据构件隧道模型、并将实时隧道模型与内置的标准隧道模型进行比较，当盾构壳体外部或内部的压力数据、或者可调阻尼减振器Ⅰ承受的压力数据、或者可调阻尼减振器Ⅱ承受的压力数据超出设定范围时，中央控制计算机发出报警信号。

作为本发明的进一步改进方案，弧形管片上均布设置有多个沿径向方向贯穿弧形管片的消音孔，且沿高阻尼减振环的周向方向上相邻的两个弧形管片之间密闭连接；盾构壳体的内表面上设有沿其轴向方向贯通设置的壳体通风凹槽，高阻尼减振环上设有沿径向方向贯通高阻尼减振环的减振环通风孔、且减振环通风孔与壳体通风凹槽连通设置；

列车运行过程活塞风冲击弧形管片的部分气流依次流经消音孔、高阻尼减振环的减振环通风孔进入壳体通风凹槽，并向列车运行方向的后方流动、经位于列车后方的消音孔重新进入隧道内实现辅助调节隧道内气压场，气流进入消音孔实现消音的同时，气流在防冲减振层Ⅰ与防冲减振层Ⅱ之间产生气垫作用实现辅助阻尼。

作为本发明的进一步改进方案，弧形管片上设有沿径向方向贯穿弧形管片的管片通风孔；

列车运行过程中活塞风冲击弧形管片的部分气流经管片通风孔和相邻的两个弧形管片之间的间隙进入防冲减振层Ⅰ与防冲减振层Ⅱ之间的间隙，并向列车运行方向的后方流动、经位于列车后方的管片通风孔和相邻的两个弧形管片之间的间隙重新进入隧道内实现辅助调节隧道内气压场，气流在防冲减振层Ⅰ与防冲减振层Ⅱ之间产生气垫作用实现辅助阻尼。

与现有技术相比，地铁隧道监控防护系统在工作时，振动传感器、噪声传感器同时向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机首先根据反馈的隧道内振动数据和隧道内噪声数据分析计算并输出能够吸收振动的最佳阻尼数据和能够抵消噪声波的最佳反相声波数据，然后中央控制计算机根据计算的最佳阻尼数据控制位于列车运行前方的可调阻尼减振器Ⅰ和可调阻尼减振器Ⅱ进行预调整伸缩动作、使防冲减振层Ⅱ的内径尺寸在小范围内减小或增大至与最佳阻尼数据对应的尺寸，同时中央控制计算机根据计算的最佳反相声波数据控制位于列车运行前方的信号采集收发装置使声波发射模块发射最佳反相声波数据对应的反相声波，列车经过已调整好尺寸的防冲减振层Ⅱ管段时，振动波和活塞风冲击弧形管片并挤压防冲减振层Ⅱ，可调阻尼减振器Ⅰ被压缩进行阻尼动作吸收振动波的动能、可调阻尼减振器Ⅱ被拉伸进行阻尼动作吸收振动波的动能，当防冲减振层Ⅱ在振动波和活塞风压力作用下贴合在防冲减振层Ⅰ上后，高阻尼减振环被压缩进行阻尼动作进一步吸收振动波的动能，如此振动横波和纵波被防冲减振层Ⅱ和防冲减振层Ⅰ逐级吸收实现减振，同时噪声声波被声波发射模块发射的反相声波抵消实现降噪，通过设置适合长度的列车运行区间以及车重传感器、车速传感器，可以实现不同的车重、车速情况下实时产生的振动对应不同的阻尼模式及反相声波，进而实现削弱隧道整体直接性的振动和噪声，从而实现实时主动减振和降噪，而且可以实时监控隧道的力学状态、实现隧道实时健康监测，特别适用于地铁轨道交通。

附图说明

图1是地铁隧道监控防护系统的结构示意图；

图2是地铁隧道监控防护系统弧形管片的结构示意图；

图3是地铁隧道监控防护系统盾构壳体的部分结构示意图。

图中：1-盾构壳体，11-壳体通风凹槽，2-防冲减振层Ⅰ，21-高阻尼减振环，22-可调阻尼减振器Ⅰ，3-防冲减振层Ⅱ，31-弧形管片，32-可调阻尼减振器Ⅱ，33-消音孔，4-信号采集收发装置，5-集中电控装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，地铁隧道监控防护系统包括防冲减振层Ⅰ2、防冲减振层Ⅱ3、信号采集收发装置4和集中电控装置5。

所述的防冲减振层Ⅰ2固定设置在盾构壳体1的内表面上，包括高阻尼减振环21和可调阻尼减振器Ⅰ22，高阻尼减振环21的外径尺寸与盾构壳体1的内径尺寸配合、且高阻尼减振环21与盾构壳体1固定安装连接，高阻尼减振环21可以采用橡胶混凝土、聚合物基阻尼复合材料、智能型阻尼材料等材质，高阻尼减振环21沿其轴向和周向方向上均布设有多个可调阻尼减振器安装孔，可调阻尼减振器Ⅰ22固定设置在可调阻尼减振器安装孔内、且可调阻尼减振器Ⅰ22的伸缩方向沿高阻尼减振环21的径向方向设置。

所述的防冲减振层Ⅱ3设置在防冲减振层Ⅰ2的内表面上，包括多个与高阻尼减振环21同心配合设置的弧形管片31，弧形管片31的弧形内表面上设有减振降噪材料覆层，减振降噪材料可以采用橡胶混凝土、聚合物基阻尼复合材料、智能型阻尼材料等材料，多个弧形管片31沿高阻尼减振环21的周向方向均布设置呈圆环形、且弧形管片31对应可调阻尼减振器Ⅰ22的位置固定安装在可调阻尼减振器Ⅰ22的伸缩端上，沿高阻尼减振环21的周向方向上相邻的两个弧形管片31之间还连接设有可调阻尼减振器Ⅱ32、且可调阻尼减振器Ⅱ32的伸缩方向沿弧形管片31的周向方向设置。

所述的信号采集收发装置4包括振动传感器、噪声传感器、信号采集收发控制器、信号采集模块和声波发射模块，振动传感器和噪声传感器均分别沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个，振动传感器可设置在轨道或轨道地基上，噪声传感器可设置在弧形管片31上，信号采集收发控制器分别与信号采集模块和声波发射模块电连接，信号采集模块分别与振动传感器、噪声传感器电连接。

所述的集中电控装置5包括中央控制计算机、信号采集收发控制回路、数据分析计算回路、阻尼调节控制回路，中央控制计算机分别与信号采集收发控制器、可调阻尼减振器Ⅰ22、可调阻尼减振器Ⅱ32电连接。

地铁隧道监控防护系统在工作状态时，振动传感器、噪声传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机首先根据反馈的隧道内振动数据和隧道内噪声数据分析计算并输出能够吸收振动的最佳阻尼数据和能够抵消噪声波的最佳反相声波数据，然后中央控制计算机根据计算的最佳阻尼数据控制位于列车运行前方的可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32进行预调整伸缩动作、使防冲减振层Ⅱ3的内径尺寸在小范围内减小或增大至与最佳阻尼数据对应的尺寸，同时中央控制计算机根据计算的最佳反相声波数据控制位于列车运行前方的信号采集收发装置4使声波发射模块发射最佳反相声波数据对应的反相声波，列车经过已调整好尺寸的防冲减振层Ⅱ3管段时，活塞风冲击弧形管片31并挤压防冲减振层Ⅱ3，可调阻尼减振器Ⅰ22被压缩进行阻尼动作吸收振动波的动能、可调阻尼减振器Ⅱ32被拉伸进行阻尼动作吸收振动波的动能，当防冲减振层Ⅱ3在活塞风压力作用下贴合在防冲减振层Ⅰ2上后，高阻尼减振环21被压缩进行阻尼动作进一步吸收振动波的动能，防冲减振层Ⅰ2与防冲减振层Ⅱ3相互配合实现隧道的可控卸压变形以削弱外部冲击，振动横波和纵波被逐级吸收实现减振，同时噪声声波被反相声波抵消实现降噪。

为了实现更好的实时减振降噪效果，作为本发明的进一步改进方案，中央控制计算机预置有根据不同列车速度、不同列车重量构建的列车模拟振动模型组；信号采集收发装置4还包括分别与信号采集模块电连接的车速传感器、车重传感器，车速传感器、车重传感器均分别沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个，车重传感器可设置在轨道或轨道地基上，车速传感器可设置在弧形管片31上。本地铁隧道监控防护系统在工作状态时，车速传感器、车重传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的列车速度数据、列车重量数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的列车速度数据、列车重量数据以及内置的列车轨道接缝间隔长度数据、列车轮对数据构建实时列车预测振动模型，并将该实时列车预测振动模型与预置的列车模拟振动模型组进行比对，在列车模拟振动模型组中选择最接近实时列车预测振动模型的列车模拟振动模型作为标准列车模拟振动模型，然后将标准列车模拟振动模型的振动和噪声的幅度、频率数据与振动传感器、噪声传感器反馈的隧道内振动数据、隧道内噪声数据进行优化计算，优化计算可采用卷积神经网络模型、DBN模型、堆栈自编码网络模型等深度学习模型算法对数据进行模式识别、特征提取、最优值计算输出，然后输出振动和噪声的幅度、频率优化数据作为最佳阻尼数据和最佳反相声波数据计算的基础，最终计算并输出最佳阻尼数据和最佳反相声波数据。

为了实现节能降耗，作为本发明的进一步改进方案，信号采集收发装置4还包括与信号采集模块电连接的列车位置传感器，列车位置传感器可设置在弧形管片31上、并沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个。预先向中央控制器输入列车车体长度数据和针对列车车体长度数据设定的列车运行区间长度数据，列车运行区间长度数据大于列车车体长度数据，列车运行区间长度数据可以至少是列车车体长度数据的2倍，列车运行区间长度数据将整个隧道划分为多个列车运行区间；本地铁隧道监控防护系统在工作状态时，列车位置传感器始终工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的列车实时位置数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的列车实时位置数据控制列车所在的列车运行区间内的振动传感器、噪声传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机分析计算后控制位于列车运行前方的下一列车运行区间内的可调阻尼减振器Ⅰ22、可调阻尼减振器Ⅱ32、信号采集收发装置4的声波发射模块工作，待列车进入下一列车运行区间内时，中央控制计算机控制上一列车运行区间内的可调阻尼减振器Ⅰ22、可调阻尼减振器Ⅱ32、振动传感器、噪声传感器、信号采集收发装置4的声波发射模块停止工作，中央控制计算机同时控制列车所在的列车运行区间内的振动传感器、噪声传感器工作，依次类推，实现节能降耗。

为了实现实时监控隧道的力学状态、实现隧道健康监测，作为本发明的进一步改进方案，盾构壳体1的内表面和外表面上、以及可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32上均设有与信号采集模块电连接的压力传感器。地铁隧道监控防护系统在工作状态时，压力传感器始终工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的来自盾构壳体1外部和内部的压力数据、以及可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32承受的压力数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的压力数据构件隧道模型、并将实时隧道模型与内置的标准隧道模型进行比较，当盾构壳体1外部或内部的压力数据、或者可调阻尼减振器Ⅰ22承受的压力数据、或者可调阻尼减振器Ⅱ32承受的压力数据超出设定范围时，中央控制计算机发出报警信号，实现隧道的实时健康监测。

为了实现更好的降噪效果，作为本发明的进一步改进方案，如图2所示，弧形管片31上均布设置有多个沿径向方向贯穿弧形管片31的消音孔33，且沿高阻尼减振环21的周向方向上相邻的两个弧形管片31之间密闭连接。相邻的两个弧形管片31之间密闭连接可以使噪声波只能经消音孔33流通、而无法通过相邻的两个弧形管片31之间的间隙流通，而通过在弧形管片31上设置特定排列的消音孔33，可以使噪声声波传播过程中在消音孔33内经多次反射消耗能量实现衰减，进而实现消音降噪。

为了能够降低活塞风压力、减小列车经过时气流场扰动，并实现更好的阻尼减振效果，作为本发明的进一步改进方案，如图3所示，盾构壳体1的内表面上设有沿其轴向方向贯通设置的壳体通风凹槽11，高阻尼减振环21上设有沿径向方向贯通高阻尼减振环21的减振环通风孔、且减振环通风孔与壳体通风凹槽11连通设置。列车运行过程中活塞风冲击弧形管片31，由于列车运行方向的后方是负气压环境，因此在负压作用下，活塞风冲击弧形管片31的部分气流依次流经消音孔33、高阻尼减振环21的减振环通风孔进入壳体通风凹槽11，并向列车运行方向的后方流动、经位于列车后方的消音孔33重新进入隧道内，气流进入消音孔33实现消音的同时，气流经防冲减振层Ⅰ2与防冲减振层Ⅱ3之间的间隙流通进入高阻尼减振环21的减振环通风孔的过程中，在防冲减振层Ⅰ2与防冲减振层Ⅱ3之间产生气垫作用，进而实现辅助阻尼，从而可实现更好的阻尼减振效果，另外，气流通过消音孔33排放的方式可以起到辅助调节隧道内气压场的作用。

为了能够降低活塞风压力、减小列车经过时气流场扰动，并实现更好的阻尼减振效果，作为本发明的进一步改进方案，弧形管片31上设有沿径向方向贯穿弧形管片31的管片通风孔。列车运行过程中活塞风冲击弧形管片31，由于列车运行方向的后方是负气压环境，因此在负压作用下，活塞风冲击弧形管片31的部分气流经管片通风孔和相邻的两个弧形管片31之间的间隙进入防冲减振层Ⅰ2与防冲减振层Ⅱ3之间的间隙，并向列车运行方向的后方流动、经位于列车后方的管片通风孔和相邻的两个弧形管片31之间的间隙重新进入隧道内，气流在防冲减振层Ⅰ2与防冲减振层Ⅱ3之间的间隙流通的过程中，在防冲减振层Ⅰ2与防冲减振层Ⅱ3之间产生气垫作用，进而实现辅助阻尼，从而可实现更好的阻尼减振效果，另外，气流通过消音孔33排放的方式可以起到辅助调节隧道内气压场的作用。

作为本发明可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32的一种实施方式，可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32是磁流变减振器结构。通过控制磁流变减振器结构中输入的电流大小实现控制阻尼的大小。

作为本发明可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32的一种实施方式，可调阻尼减振器Ⅰ22和可调阻尼减振器Ⅱ32是液压或空气阻尼减振器结构。

本地铁隧道振动和噪声控制方法能够在地铁运行过程中根据列车与轨道接触实时产生的振动和噪声的大小实施主动减振和降噪，而且可以实时监控隧道的力学状态、实现隧道实时健康监测，特别适用于地铁轨道交通。

Claims (6)

1.一种地铁隧道振动和噪声控制方法，所使用的地铁隧道监控防护系统包括防冲减振层Ⅰ（2）、防冲减振层Ⅱ（3）、信号采集收发装置（4）和集中电控装置（5）；

所述的防冲减振层Ⅰ（2）固定设置在盾构壳体（1）的内表面上，包括高阻尼减振环（21）和可调阻尼减振器Ⅰ（22），高阻尼减振环（21）的外径尺寸与盾构壳体（1）的内径尺寸配合、且高阻尼减振环（21）与盾构壳体（1）固定安装连接，高阻尼减振环（21）沿其轴向和周向方向上均布设有多个可调阻尼减振器安装孔，可调阻尼减振器Ⅰ（22）固定设置在可调阻尼减振器安装孔内、且可调阻尼减振器Ⅰ（22）的伸缩方向沿高阻尼减振环（21）的径向方向设置；

所述的防冲减振层Ⅱ（3）设置在防冲减振层Ⅰ（2）的内表面上，包括多个与高阻尼减振环（21）同心配合设置的弧形管片（31），弧形管片（31）的弧形内表面上设有减振降噪材料覆层，多个弧形管片（31）沿高阻尼减振环（21）的周向方向均布设置呈圆环形、且弧形管片（31）对应可调阻尼减振器Ⅰ（22）的位置固定安装在可调阻尼减振器Ⅰ（22）的伸缩端上，沿高阻尼减振环（21）的周向方向上相邻的两个弧形管片（31）之间还连接设有可调阻尼减振器Ⅱ（32）、且可调阻尼减振器Ⅱ（32）的伸缩方向沿弧形管片（31）的周向方向设置；

所述的信号采集收发装置（4）包括振动传感器、噪声传感器、信号采集收发控制器、信号采集模块和声波发射模块，振动传感器和噪声传感器均分别沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个，信号采集收发控制器分别与信号采集模块和声波发射模块电连接，信号采集模块分别与振动传感器、噪声传感器电连接；

所述的集中电控装置（5）包括中央控制计算机、信号采集收发控制回路、数据分析计算回路、阻尼调节控制回路，中央控制计算机分别与信号采集收发控制器、可调阻尼减振器Ⅰ（22）、可调阻尼减振器Ⅱ（32）电连接；

其特征在于，地铁隧道监控防护系统在工作状态时，振动传感器、噪声传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机首先根据反馈的隧道内振动数据和隧道内噪声数据分析计算并输出能够吸收振动的最佳阻尼数据和能够抵消噪声波的最佳反相声波数据，然后中央控制计算机根据计算的最佳阻尼数据控制位于列车运行前方的可调阻尼减振器Ⅰ（22）和可调阻尼减振器Ⅱ（32）进行预调整伸缩动作、使防冲减振层Ⅱ（3）的内径尺寸减小或增大至与最佳阻尼数据对应的尺寸，同时中央控制计算机根据计算的最佳反相声波数据控制位于列车运行前方的信号采集收发装置（4）使声波发射模块发射最佳反相声波数据对应的反相声波，列车经过已调整好尺寸的防冲减振层Ⅱ（3）管段时噪声声波被反相声波抵消，同时可调阻尼减振器Ⅰ（22）被压缩进行阻尼动作吸收振动波的动能、可调阻尼减振器Ⅱ（32）被拉伸进行阻尼动作吸收振动波的动能，当防冲减振层Ⅱ（3）贴合在防冲减振层Ⅰ（2）上后，高阻尼减振环（21）被压缩进行阻尼动作吸收振动波的动能。

2.根据权利要求1所述的地铁隧道振动和噪声控制方法，其特征在于，中央控制计算机预置有根据不同列车速度、不同列车重量构建的列车模拟振动模型组；信号采集收发装置（4）还包括分别与信号采集模块电连接的车速传感器、车重传感器，车速传感器、车重传感器均分别沿地铁隧道的走向长度方向均布设置为多个；

地铁隧道监控防护系统在工作状态时，车速传感器、车重传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的列车速度数据、列车重量数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的列车速度数据、列车重量数据以及内置的列车轨道接缝间隔长度数据、列车轮对数据构建实时列车预测振动模型，并将该实时列车预测振动模型与预置的列车模拟振动模型组进行比对，在列车模拟振动模型组中选择最接近实时列车预测振动模型的列车模拟振动模型作为标准列车模拟振动模型，然后将标准列车模拟振动模型的振动和噪声的幅度、频率数据与振动传感器、噪声传感器反馈的隧道内振动数据、隧道内噪声数据进行优化计算，然后输出振动和噪声的幅度、频率优化数据作为最佳阻尼数据和最佳反相声波数据计算的基础，最终计算并输出最佳阻尼数据和最佳反相声波数据。

3.根据权利要求1所述的地铁隧道振动和噪声控制方法，其特征在于，信号采集收发装置（4）还包括与信号采集模块电连接的列车位置传感器；

预先向中央控制器输入列车车体长度数据和针对列车车体长度数据设定的列车运行区间长度数据，列车运行区间长度数据大于列车车体长度数据，列车运行区间长度数据将整个隧道划分为多个列车运行区间；地铁隧道监控防护系统在工作状态时，列车位置传感器始终工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的列车实时位置数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的列车实时位置数据控制列车所在的列车运行区间内的振动传感器、噪声传感器同时工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的隧道内振动数据、隧道内噪声数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机分析计算后控制位于列车运行前方的下一列车运行区间内的可调阻尼减振器Ⅰ（22）、可调阻尼减振器Ⅱ（32）、信号采集收发装置（4）的声波发射模块工作，待列车进入下一列车运行区间内时，中央控制计算机控制上一列车运行区间内的可调阻尼减振器Ⅰ（22）、可调阻尼减振器Ⅱ（32）、振动传感器、噪声传感器、信号采集收发装置（4）的声波发射模块停止工作，中央控制计算机同时控制列车所在的列车运行区间内的振动传感器、噪声传感器工作。

4.根据权利要求1或2或3所述的地铁隧道振动和噪声控制方法，其特征在于，盾构壳体（1）的内表面和外表面上、以及可调阻尼减振器Ⅰ（22）和可调阻尼减振器Ⅱ（32）上均设有与信号采集模块电连接的压力传感器；

地铁隧道监控防护系统在工作状态时，压力传感器始终工作并向信号采集收发控制器实时反馈监测数据，信号采集收发控制器实时将采集到的来自盾构壳体（1）外部和内部的压力数据、以及可调阻尼减振器Ⅰ（22）和可调阻尼减振器Ⅱ（32）承受的压力数据传输至中央控制计算机，中央控制计算机根据反馈的压力数据构建隧道模型、并将实时隧道模型与内置的标准隧道模型进行比较，当盾构壳体（1）外部或内部的压力数据、或者可调阻尼减振器Ⅰ（22）承受的压力数据、或者可调阻尼减振器Ⅱ（32）承受的压力数据超出设定范围时，中央控制计算机发出报警信号。

5.根据权利要求1或2或3所述的地铁隧道振动和噪声控制方法，其特征在于，弧形管片（31）上均布设置有多个沿径向方向贯穿弧形管片（31）的消音孔（33），且沿高阻尼减振环（21）的周向方向上相邻的两个弧形管片（31）之间密闭连接；盾构壳体（1）的内表面上设有沿其轴向方向贯通设置的壳体通风凹槽（11），高阻尼减振环（21）上设有沿径向方向贯通高阻尼减振环（21）的减振环通风孔、且减振环通风孔与壳体通风凹槽（11）连通设置；

列车运行过程活塞风冲击弧形管片（31）的部分气流依次流经消音孔（33）、高阻尼减振环（21）的减振环通风孔进入壳体通风凹槽（11），并向列车运行方向的后方流动、经位于列车后方的消音孔（33）重新进入隧道内实现辅助调节隧道内气压场，气流进入消音孔（33）实现消音的同时，气流在防冲减振层Ⅰ（2）与防冲减振层Ⅱ（3）之间产生气垫作用实现辅助阻尼。

6.根据权利要求1或2或3所述的地铁隧道振动和噪声控制方法，其特征在于，弧形管片（31）上设有沿径向方向贯穿弧形管片（31）的管片通风孔；

列车运行过程中活塞风冲击弧形管片（31）的部分气流经管片通风孔和相邻的两个弧形管片（31）之间的间隙进入防冲减振层Ⅰ（2）与防冲减振层Ⅱ（3）之间的间隙，并向列车运行方向的后方流动、经位于列车后方的管片通风孔和相邻的两个弧形管片（31）之间的间隙重新进入隧道内实现辅助调节隧道内气压场，气流在防冲减振层Ⅰ（2）与防冲减振层Ⅱ（3）之间产生气垫作用实现辅助阻尼。

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