隧道振动控制研究现状综述

夏进

受地形、地物、水文、地质以及平面规划等因素的影响，近年来，高速公路、双线铁路、城市地铁等越来越多地采用隧道方案。而隧道会由于车轮磨耗程度、轨道平顺、隧道围岩等方面的因素产生振动，对隧道结构、环境等产生不良的影响。本文从隧道结构振动响应、隧道地基土振动响应、环境振动响应等方面，综述了目前铁路隧道振动研究的进展，并发现了目前振动控制研究存在的问题。

一、 隧道结构振动响应研究

1.现场测试

英国对伦敦地铁35辆试验列车以20～50km/h的速度运行测试结果表明，仰拱以及隧道边墙的动力响应随着车速的提高而增大。

国内对金家岩隧道和京广线朱亭隧道列车以50～80：km/h速度运行进行测试，根据采集的加速度信号，利用数字信号处理技术推得列车振动荷载谱，并将其用于隧道振动响应的数值计算中。

在现场爆破震动安全监测结果的基础上，同时基于波与能量的相互关系，利用单位药量与距离条件下的质点振速波形面积(单位等效面积)分析评估单位药量与距离条件下的爆破震动对结构与围岩介质的影响，通过比较质点振动速度波形面积的变化可分析评估围岩介质体中的爆破震动能的分布与药量和距离的关系，以及围岩介质体物理力学性质的改变与爆破震动能衰减的关系。

2.模型试验

国内外关于隧道振动响应的模型试验研究较少。国内采用室内模型试验从动应变角度观测分析了列车动载作用下隧道基底结构的动力学性能，初步得到了基底充填状态与基底强度间的定性关系。针对既有铁路隧道铺底结构，进行了低速条件下的隧道底部结构动力模型试验，提出了合理的防振型隧道铺底结构形式。

目前的研究成果与工程要求还有很大的差距。今后的研究方向应该是进行小比例尺模型的室内试验以及大比例尺模型试验，直至原型的试验研究，分析振动传播机理，为理论分析方法提供重要的验证手段。

对南京长江水底隧道沉管段穿经地层的模型进行地震反应分析。得出了管段联结方式以半柔半刚(即弹性联结)较为合理，地震时隧道中的弯矩和轴力均相应地小于管段刚性联结的情况，初步设计采用的是半柔半刚接头。

国外在对地铁列车引起的地层振动分析中，也采用薄壳理论建立隧道结构的振动控制方程，忽略了隧道结构的横向剪切变形，认为隧道(壳)表面的位移与中位面相等。考虑到隧道结构厚径比一般大于1/12，此方法显然是不合适的。而采用考虑横向剪切变形的中厚圆柱壳理论，建立隧道结构的振动方程，对土介质中的隧道结构的振动特性进行了分析研究。

3.数值模拟

由于铁路隧道振动数值模拟往往是实际情况的极度简化，而且相关动力参数在缺少实测值情况下，大多是按经验取值，因此发展完善的数值模型和开发以试验为基础的动力本构关系是今后隧道振动数值模拟的重要任务。

国内采用沉埋隧道地震响应分析的数学模型，对南京长江越江隧道(沉管段)方案进行了地震响应的纵向受力分析。分析中采用了隧址处100年超越概率为2%的人工合成地震加速度，考虑了不同管段的联结方式和不同的计算参数，对初步设计中沉管段结构的安全性进行了论证，所提供的数据曾为设计单位所采纳。

通过大量二维和三维数值模拟计算，同时，结合紫坪铺隧道小净距段现场实测爆破振动数据，分析了小净距隧道爆破施工中后行隧道爆破对先行隧道的影响因素。研究了不同岩墙加固措施、不同施工方案及不同支护体系等情况下，小净距隧道中后行隧道爆破开挖对先行隧道的影响。得出先行隧道迎爆侧及开挖掌子面前后1B范围是影响较大部位，应加强监控量测的结论。提出了岩墙加固宜采用注浆加固、先行隧道初期支护宜及时封闭、掏槽眼宜远离中岩墙以及开挖进尺不宜大于净距的1/3等小净距隧道爆破施工的控爆措施。

二、隧道其他方面的振动响应研究

1.：隧道地基土振动响应

隧道地基液化和振陷是列车振动所带来的最为严重的问题之一，因此隧道地基土振动响应研究主要集中在这2个方面。液化问题主要针对饱和砂土等地层，振陷主要针对软土地层，这2种典型地层在我国南京、上海一带比较常见，相关研究基本上是围绕南京地铁、上海地铁展开的。

地基土动力响应研究按照是否考虑孔隙水压变化对土体动力特性的影响可分为总应力法和有效应力法。与总应力法相比，有效应力法可直接求得孔隙水压力和预测土体是否液化，更加合理地反映了振动过程中土层动力性质的变化。

此外，对高速列车荷载作用下沉管隧道地基的振动响应进行了数值模拟，得到地基最大剪应力分布情况，并基于现场地质资料的回归分析得到沉管隧道3个典型断面的地基抗液化剪应力，据此分析了沉管地基的液化可能性。

在隧道地基土液化和软化研究中，有的将动力渗流分析和动力反应分析分时段交替计算，有的将两者耦合计算，但不管是哪种分析方法，其关键技术在于正确描述列车荷载作用下土体内孔隙水压力的产生、扩散与消散过程。建立与实际相符、完善的孔压增长、消散机理，并将其应用于动力有效应力计算中，也是当前隧道地基土振动响应的研究内容之一。

2.环境振动响应

环境振动响应主要是指地铁列车运行时引起的地表或地表建筑物的动力响应。我国现场测试结果表明，当列车以13～20：km：/h的速度行驶时，地铁正上方居民住宅振级高达85dB，如列车以正常速度70：km/h：行驶，振级还会更大。

地铁振动的影响范围和影响程度与车速、轨道结构、地质条件以及隧道埋深等均有关。此外，衬砌厚度和结构类型对于地铁列车引起的振动也有很大的影响。当隧道衬砌的厚度增加1倍，其振动级可降低5～18dB。矩型隧道结构对地面环境振动的影响一般要比马蹄型及圆形隧道结构的大，当地质条件相同时，2种情况下的振动级差值约2～4dB。

由于以现场测试为基础建立起来的环境振动预测模型，其准确性很大程度上依赖于测试对象与被预测对象之间的相似性，这往往限制了已有振动预测模型的应用；另一方面，较完备的环境振动响应数值分析的耗时性和复杂性又往往令人“望而却步”，至今尚未出现大家公认的、可靠、快速的振动预测方法。因此，寻求满足工程需要的环境振动预测或分析的简化计算方法应是环境振动响应影响的一个重要研究方向。

三、目前振动控制研究存在的问题

1.计算模型有待完善

已有计算模型均对实际情况进行了不同程度的简化，有的只细化轨道系统，有的只细化隧道-围岩系统，有的甚至将列车荷载直接用谐变点激励代替，作用于仰拱上，忽略轨道结构的作用。事实上，隧道结构动力响应除与自身材料性质有关以外，还与轮轨间相互作用力、轨道结构形式、围岩条件以及地下水条件等因素有关，详细、全面的隧道动力响应分析应综合考虑这些影响因素。

2.缺少对隧道结构长期动力特性的研究

以往研究重点主要集中于隧道结构的瞬态响应，即单次列车动载作用下结构应力场或应变场的变化情况，对隧道结构在列车荷载作用下的长期动力特性的研究，特别是对软弱基岩条件下隧道结构的动力累积效应的研究几乎处于空白。然而在列车荷载长期、反复冲击作用下，隧道衬砌和基岩自身存在的裂隙不断发展，结构变形和疲劳损伤也将不断累积，当损伤或变形累积到一定程度时，就有可能产生在短期内所没有出现的安全问题。

3.减振措施研究方面

对于同等水平的地铁列车振动，当地层条件和结构埋深不一样时，由地层传播到地表或地表建筑上的振动水平也是不一样的，因此相应采取的减震措施也应有所不同。然而在实际工程中往往对全线采用同一减振措施，没有考虑地层和埋深的变化，减振措施缺乏针对性。