CN113216279B - 一种水平空心管填埋隔振屏障及其施工工艺 - Google Patents
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Abstract
一种水平空心管填埋隔振屏障及其施工工艺,所述水平空心管填埋隔振屏障由混凝土空心管(1)及其周围回填压实的黏土(2)组成。所述施工工艺在用于环境隔振工程时,先在钢板桩围护结构下进行沟槽的开挖,开挖结束后在沟槽内分层吊放混凝土空心管节,每层管节吊放完成后在其上方回填土体并压实成与管身弧度相适应的管座再安防上一层管节,直至整个沟槽被混凝土空心管节和黏土填满为止;上下层混凝土空心管中心线连线构成的平面与水平面之间成一定角度。本发明通过调整上下层空心管的埋设倾角α以及上下空心管之间的径向间距,能够进一步优化该隔振屏障的隔振效果,在不增加成本的前提下实现更好的隔振性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平空心管填埋隔振屏障及其施工工艺,属隔振屏障技术领域。
背景技术
近年来,随着我国列车速度的飞速提升,列车通行引起的地面振动对临近的建筑物及地下管线、精密仪器和设备、人们的生活环境和工作环境产生了不可忽略的危害。空沟、填充沟、排桩和波阻板是目前最常采用的隔振措施,已在土木工程领域得到了广泛使用。然而,当前这些常见的隔振措施仍然存在着一些亟待解决的问题。
问题包括:(1)深度是影响隔振屏障隔振效果的最重要因素之一,空沟由于其沟壁缺乏支撑,导致沟壁的稳定性较差,修建大深度的沟屏障可能由于沟壁失稳而造成坍塌,而深度较小的空沟只在一定范围内能够取得较满意的隔振效果,深度受限这一缺陷大大制约了空沟的适用范围;(2)通过在空沟内部填充水、混凝土、土工泡沫等材料而形成的填充沟,虽在稳定性上较空沟有较大提升,但在沟槽尺寸相同的情况下,填充沟的隔振效果较空沟差,且其建造成本和建造难度也较大;(3)竖向安置的排桩其隔振效果介于空沟与填充沟之间,建造难度与建设成本也处于空沟与填充沟之间。
水平埋设的混凝土空心管隔振屏障与同样使用混凝土作为建造材料的排桩(竖向埋设)隔振屏障相比,在相同条件下,水平埋设混凝土空心管隔振屏障具有更好的隔振效果,且建造成本更低。同时因混凝土空心管具有较大的抗压能力,将其埋设在土体内时能为土体提供较好的支承以保证土壁的稳定性,提高隔振屏障的建造深度,增强了该隔振屏障的适用范围;又由于混凝土空心管的内部是空气,在相同的几何尺寸下其隔振效果与空沟相接近,其具有很好的隔振效果。
发明内容
本发明的目的是,针对空沟、填充沟、排桩、波阻板等常用隔振措施的缺点,从振动波的传播原理出发,提供一种水平空心管填埋隔振屏障及其施工工艺,以解决旨在确保减振效果同时解决现有隔振措施在建造深度、建造成本和建造难度无法同时兼顾的问题。
本发明实现的技术方案如下,一种水平空心管填埋隔振屏障,由若干层混凝土空心管和黏土构成;所述隔振屏障采用填埋混凝土空心管的方式制作隔振屏障;所述混凝土空心管为水平放置在与水平面成一定角度的沟槽中,上下层混凝土空心管管间径向相隔一定距离;上下层混凝土空心管中心线连线构成的平面与水平面之间成一定角度;每层管节吊放完成后在其上方回填土体,直至整个沟槽被混凝土空心管节和黏土填满为止。
所述混凝土空心管的直径应不小于达到预期隔振效果的最小值;所述混凝土空心管的长度应比相邻内支撑之间的间距小20cm以上。
一种水平空心管填埋隔振屏障的施工方法,所述方法在用于环境隔振工程时,先在钢板桩围护结构下进行沟槽的开挖,开挖结束后在沟槽内分层吊放混凝土空心管节,每层管节吊放完成后在其上方回填土体并压实成与管身弧度相适应的管座再安防上一层管节,直至整个沟槽被混凝土空心管节和黏土填满为止。
所述钢板桩围护结构包括钢板桩、顶部内支撑、压顶梁、中部横梁、中部内支撑;压顶梁标高处每间隔3~5米设一道沿隔振沟宽度方向延伸的顶部内支撑;中部横梁标高处设有沿隔振沟宽度方向延伸的中部内支撑,相邻的两中部内支撑的间隔也是3~5米;顶部内支撑与中部内支撑设置在同一横截面上,沟槽的开挖宽度按照管道外径加上1m确定;钢板桩与水平面之间夹角为α。
同一层的混凝土管节采用承插式接缝,承口端应先做一下硬性水泥砂浆,在管节套管以后再在承口端空隙内塞以砂浆,以使接头部位紧密贴合,并将内壁表面抹平。
一种水平空心管填埋隔振屏障的施工方法,步骤如下
(1)沿着拟沟槽的轮廓,采用钢板桩,压顶梁,中部横梁、中部内支撑组成围护体系;所述钢板桩与水平面的倾角为α;
(2)开挖沟槽至设计标高出处,将管底土层夯击密实,并做成与管身弧度密贴的弧形管座,采用起重机分段吊放混凝土空心管,并在承插式接缝进行管节连接;
(3)重复步骤(2)的施工过程,吊放上一层的混凝土空心管,直至整个隔振沟被填满为止;
(4)在管层回填到合适位置处拆除中部内支撑、顶部内支撑,隔振屏障施工完毕后,钢板桩可以进行回收再利用。
本发明的工作原理如下,隔振屏障的原理是建立在波能的反射、散射的基础上,其实质是非匀质弹性半空间内波的传播问题,即弹性波与土介质中屏障的相互作用问题,由于屏障存在而引起波反射、散射和透射等传递变化规律。当传播中的波遇到两种不同弹性介质的分界面时,一部分入射波反射回第一种介质,另一部分波传递到第二种介质中,这就是弹性波的反射和透射现象。波分可以为横波、纵波、瑞利波等,其中纵波(P波)的发射与透射如图1所示,横波(SV波)的反射与透射如图2所示,入射角为α1,纵波的反射角、透射角分别α2、α3,横波的反射角、透射角分别为α4、α5,根据斯涅尔定律可得式中c1和c2为第一种介质中纵波和横波的传播速度,c3和c4是第二种介质中纵波和横波的传播速度。令纵波入射波的振幅为A1,反射和透射波振幅分别为A2和A4,相应横波振幅为A3和A5,ρ为介质的波阻抗。由边界条件可得:
(A1-A2)cosα1+A3 sinα4-A4 cosα3-A5 sinα5=0
(A1+A2)sinα1+A3 cosα4-A4 sinα3+A5 cosα5=0
由这组方程可求得反射波及透射波的振幅。在垂直入射情况下(α1=0),由上式可得反射及透射波的振幅分别同理可得横波的反射及透射波的振幅其中B1为入射横波的振幅。通过上面分析可知,反射波和透射波的振幅依赖于两种介质的波阻抗比和入射角的大小。在隔振设计中,隔振屏障通常有一定厚度,这样必然存在两个界面,两种界面的波阻抗差异越大,则透射的总能量越小,而隔振的效果恰恰是用透射能量的多少来衡量,透射能量小,则隔振效果好,选用混凝土空心管进行隔振时,由于存在混凝土和空气两种介质,介质之间的波阻抗差异都较大,其隔振效果好于单一介质作为填充料的隔振,另一方面波在相邻介质的表面上都将产生的波的反射,从而进一步减少最终透射的能量。
本发明水平埋设空心管隔振屏障与现有隔振技术相比,具有以下优点:
本发明隔振屏障埋设的混凝土空心管能为周围土体提供足够的支承力,有利于周围土体的稳定性,有效解决了空沟屏障由于稳定性差无法满足隔振屏障对深度要求的问题;本发明通过调整上下层空心管的埋设倾角α(在一定深度条件下,倾角越小,隔振效果越好)以及上下空心管之间的径向间距,能够进一步优化该隔振屏障的隔振效果,在不增加成本的前提下实现更好的隔振性能。
波在通过该隔振屏障时需经过混凝土和空气两种介质,本发明由于采用的混凝土、土体与空气三种材料相互之间具有较大的阻抗比,能够较大的减少波能量透过屏障,从而提高了隔振效果。
本发明混凝土空心管内部是空心的,与填充沟和排桩相比,其材料用量更少,建造成本更为低廉;本发明隔振屏障所采用的混凝土管节可以在施工前按照设计图纸在工厂预制制作,施工时只需将管节吊装拼接在一起即可,与以往的填充沟相比,施工更加便捷、工期更短;当隔振屏障施工完毕后,开挖沟槽所采用的钢板桩支撑系统可以再次回收利用,有利于进一步减少工程的成本。
附图说明
图1为P波反射透射原理图;
图2为SV波的反射透射原理图;
图3为本发明水平埋设空心管隔振屏障构造图;
图4是本发明混凝土空心管隔振屏障的平面示意图;
图5是本发明空心管填埋隔振屏障三维示意图;
图6是常用隔振措施构造及隔振效果对比示意图;
图7是承插管节连接示意图;
图8是本发明水平埋设空心管隔振屏障横截面图;
图中,1为混凝土空心管;2为黏土;3为钢板桩;4为压顶梁;5为顶部内支撑;6为中部横梁;7为中部内支撑;8为管节接缝。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如附图所示。
如图3所示,本实施例的水平空心管填埋隔振屏障由混凝土空心管及其周围回填压实的黏土组成,所使用的混凝土空心管的直径和长度应针对实际工程进行设计,管道的直径应不小于达到预期隔振效果的最小值,长度应比相邻内支撑之间的间距小20cm以上,影响该隔振屏障效果的重要参数包括空心管直径d、隔振屏障深度H、埋设倾角α、管间径向间距l;各参数的取值范围为:空心管直径d:1~3m;隔振屏障深度H:≥0.6倍瑞利波长;埋设倾角α:30~90度;管间径向间距l:0~0.3d。
如图4和5所示,为本实施例隔振屏障的平面与三维空间布置示意图;
如图6所示为空沟、排桩、填充沟以及水平埋设空心管隔振屏障的构造和隔振效果示意图,所使用的水平埋设空心管隔振屏障其隔振效果非常显著,且与其他隔振方案相比,其建设成本和建造难度都较低。
如图7所示为承插管节连接示意图,沟槽开挖完毕后,混凝土管节采用吊车进行安装,吊车从一端向另一端缓慢移动,直至把整段管节拼装完成,管节直接采用承插式接缝,在承口端应先做一下硬性水泥砂浆,在管节套管以后再在承口端空隙内塞以砂浆,以使接头部位紧密贴合,并将内壁表面抹平。
图8是本发明水平埋设空心管隔振屏障示意图。当本实施例隔振屏障需开挖较深的沟槽时,为保证槽壁的稳定性,需采用钢板桩3、压顶梁4、顶部内支撑5、中部横梁6和中部内支撑7组成支撑体系,确保整个挖槽工作的顺利进行,且管节在分层埋设时,应先把底部土体夯击密实,并做成与管身弧度密贴的弧形管座后再放置管节。
下面结合附图对本实施例一种水平空心管填埋隔振屏障的施工工艺作进一步说明:
(1)沿着拟沟槽的轮廓施工一圈钢板桩3,再在钢板桩3的桩顶内侧施工一圈压顶梁4,然后在压顶梁4标高处经螺丝连接顶部内支撑5;
(2)下挖到沟槽深度的一半处,在钢板桩3的内侧施工一圈中部横梁6,然后在中部横梁6标高处经螺丝连接中部内支撑7;
(3)继续开挖至沟槽的设计标高处;
(4)将管底土层夯击密实,并做成与管身弧度密贴的弧形管座;
(5)使用吊车分段安放底层混凝土空心管节,各管节之间采用承插式接缝形式;
(6)底层管节全部安装完毕后,在管节上部回填黏土2,夯实做成与管身弧度密贴的弧形地基;
(7)重复步骤(5)安放第二层管节;
(8)重复步骤(6)和(5)直至全部管层安放完成,并注意在管层回填到合适位置处拆除中部内支撑7和中部横梁6;
(9)最后拆除压顶梁4和顶部内支撑5,回填土体并压实,拆除和回收钢板桩3。
Claims (6)
1.一种水平空心管填埋隔振屏障,由若干层混凝土空心管和黏土构成,其特征于,所述隔振屏障采用填埋混凝土空心管的方式制作隔振屏障;所述混凝土空心管为水平放置在沟槽中,上下层混凝土空心管管间径向相隔一定距离;上下层混凝土空心管中心线连线构成的平面与水平面之间成一定角度;每层管节吊放完成后在其上方回填土体,直至整个沟槽被混凝土空心管节和黏土填满为止。
2.根据权利要求1所述的一种水平空心管填埋隔振屏障,其特征在于,所述混凝土空心管的直径应不小于达到预期隔振效果的最小值;所述混凝土空心管的长度应比相邻内支撑之间的间距小20cm以上。
3.根据权利要求1所述的一种水平空心管填埋隔振屏障的施工方法,其特征在于,所述方法在用于环境隔振工程时,先在钢板桩围护结构下进行沟槽的开挖,开挖结束后在沟槽内分层吊放混凝土空心管节,每层管节吊放完成后在其上方回填土体并压实成与管身弧度相适应的管座再安防上一层管节,直至整个沟槽被混凝土空心管节和黏土填满为止。
5.根据权利要求3所述的一种水平空心管填埋隔振屏障的施工方法,其特征在于,同一层的混凝土管节采用承插式接缝,承口端应先做一下硬性水泥砂浆,在管节套管以后再在承口端空隙内塞以砂浆,以使接头部位紧密贴合,并将内壁表面抹平。
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