一种用于交通（高铁、地铁等）荷载产生的振动减振方法与流程

本发明属于地铁、高铁等交通振动减振领域，具体涉及一种用于交通荷载产生的振动减振方法。

背景技术：

随着城市建设的迅猛发展,交通(高铁、地铁等)荷载产生的环境振动污染问题日趋强烈和频繁。交通(高铁、地铁等)荷载作用在地表常常产生强烈振动，振动波经由土体介质向周边地层表面及基础传播,不可避免地危及人类正常生产生活,尤其是邻近建筑物的结构安全,精密仪器设备的生产和使用。环境振动问题日益上升为一种不可忽视的社会公害。

现有的减振降噪方法根据振动发生的机理、传播特性和受振体的响应特征主要包括振源主动减振，切断振动传播途径和受振体被动隔振三大类。其中，振源主动减振方法包括钢轨减振、车辆减振等；切断振动传播途径方法包括隔振沟减振、排桩隔振及波阻块减振等；受振体被动隔振方法包括屏障隔振、基础隔振等。综合隔振效果、施工方法、经济效益等指标，这些传统隔振方法略有不足。如轨道交通施工中主要运用的减振道床，前期制作工序稍显繁琐，混凝土制作、养护和浇筑存在很多不确定因素，且不耐腐蚀，日常检查保养不便；传统的波阻板也采用混凝土材质，具有良好的减振降噪效果，但由于混凝土固有属性，施工稍显复杂，受客观因素影响较大。

此外，高铁、地铁等交通荷载产生的振动响应频率范围约为1-1000hz，频带较宽，频率成分复杂，包含了低频、中频和高频成分。国内外现有传统隔振方法吸收频率成分单一，多集中于对高频波的隔振，低频波和中频波阻隔效果较差，研究较少，如hwib虽然对低频隔振效果较好，但也仅限10hz以下的低频，中频和高频隔振效果较差。

duxseal作为一种工业填料，不仅具有良好阻尼性能，吸收部分振动反射能，还具有高耐火性、耐腐蚀等优点，在减振的同时还可提高使用场地的安全性与耐久性。1985年，c.j.coe引入了“吸收边界”的概念，首次在动力离心模型箱内壁使用duxseal作为边界材料来吸收由于其产生的反射能。2011年，ronaldy.s.pak在土体自由场震动的背景下，通过具有duxseal内壁的大型土工离心机模型容器和箱内振动台系统进行地震模拟，证明duxseal具有吸收振动能量的特性。目前，duxseal材料多用于工业填料或动力离心模型试验，未出现duxseal作为隔振材料进行使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种用于交通(高铁、地铁等)荷载产生的振动减振的方法,该方法减振效率高，可对整个振动频带同时进行隔振处理，且该方法具有施工简单，造价成本低等优点，能较好地减轻环境振动污染。

本发明从地铁振动减振来具体阐述，但不限于地铁方向，其他领域也适用。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于交通(高铁、地铁等)荷载产生的振动减振结构，在地基中铺设由减振降噪材料duxseal、橡胶颗粒和混凝土浇注而成的结构层ⅰ；

或在地基中回填由duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体组成的结构层ⅱ。

本申请研究发现：duxseal虽然具有良好的减震性能，但由于高铁、地铁产生的振动响应频带较宽，频率成分复杂，单独地采用duxseal作为隔振材料难以到达预期的减震效果。为此，本申请经过系统研究和大规模摸索发现：利用橡胶颗粒对低频、中频成分吸收效果较差，高频振动的衰减效果较好，频率越高，效果越好；duxseal主要吸收低频、中频和中高频成分，高频成分隔振效果相对较差的特点；将duxseal颗粒和橡胶颗粒拌合，并与土体一起作为地基的回填土层，隔振效果明显提高，低频、中频和高频成分全面吸收，对整个频带范围同时进行隔振处理。

另一方面，将duxseal颗粒和橡胶颗粒拌合与混凝土一起浇注成混凝土基底，也可以有效提升隔振效果，全面吸收低频、中频和高频成分，满足对整个频带范围同时隔振的要求。

在一些实施例中，在隧道道床标高线以上的管片内侧铺设减振降噪材料duxseal。

在一些实施例中，所述结构层ⅰ距道床表面埋深约为1.5-5m，铺设厚度约为1-4m，以振源中心为中点，铺设宽度约为5-12m。

在一些实施例中，所述结构层ⅱ距道床表面埋深约为2.5-6m，回填深度为1-4m，以振源中心为中点，铺设宽度约为5-12m。

在一些实施例中，所述管片内侧减振降噪材料duxseal的铺设厚度为3-5cm。

本申请的优势还在于可以通过改变橡胶颗粒的类型，配方组分的用量来控制硬度，满足各方向刚度和强度的要求。因此，在一些实施例中，所述duxseal颗粒、橡胶颗粒、混凝土的体积比为1～3：1～2：16～20。

在一些实施例中，所述duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体以约1～2：1～5：9～15的比例混合。

橡胶的分子结构，如主链是否饱和、侧基是否具有极性、侧基的多寡等对材料的减震性能有决定性的影响。因此，在一些实施例中，本申请的橡胶颗粒为氢化丁腈橡胶hnbr、乙丙橡胶epdm、硅橡胶。

术语解释：

氢化丁腈橡胶，具有良好的耐油性能，并且由于其高度饱和的结构，使其具有良好的耐热性能，优良的耐化学腐蚀性能，优异的耐臭氧性能，较高的抗压缩永久变形性能，同时氢化丁腈还具有高强度、高撕裂性能，耐磨性能优异等特点。密度为950～1000kg/m³。其中，高腈密度为980kg/m³；门尼粘度中心值为70；丙烯腈含量为44％。

乙丙橡胶epdm：稳定性良好，耐老化性优越，优良的耐高温，耐低温，耐水性、耐臭氧性、耐紫外线性等性能。能长期在日晒潮湿寒冷的自然环境中使用。生胶密度为860～900kg/m³，是生胶密度最轻的常用橡胶；门尼粘度范围为20-100；体积电阻率1016q·cm；击穿电压30～40mv/m、介电常数(1khz，20℃)2.27；最低使用温度-40～-60℃。

硅橡胶：耐低温性能良好，一般在-55℃下仍能工作，硅橡胶的耐热性能也很突出，在180℃下可长期工作，优异的耐候性、绝缘性能。除了在小应变范围(弹性模量为5mpa)，一般不能定义其杨氏弹性模量；密度为980kg/m³。

本发明还提供了一种用于交通(高铁、地铁等)荷载产生的振动减振方法，据不同的减振要求，duxseal的铺设位置包括以下三种状况：

a)仅在地铁等区间隧道道床标高线以上的管片内侧铺设duxseal；

b)仅在地铁等混凝土基底、地基中填埋duxseal和橡胶颗粒；

c)在隧道道床标高线以上的管片内侧铺设duxseal，且混凝土基底、地基中填埋duxseal和橡胶颗粒。

本专利发明一种振动减振方法，将duxseal材料和橡胶颗粒用于控制地震、交通(高铁、地铁等)、机器运行、爆破、打桩及其他人类活动产生的振动环境污染。

本发明还提供了一种高铁地基结构，在高铁的地基中铺设由减振降噪材料duxseal、橡胶颗粒和混凝土浇注而成的结构层ⅰ；

或在高铁的地基中回填由duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体组成的结构层ⅱ。

本发明还提供了一种地铁隧道结构，在地铁的地基中铺设由减振降噪材料duxseal、橡胶颗粒和混凝土浇注而成的结构层ⅰ；

或/和在地铁的地基中回填由duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体组成的结构层ⅱ；

或/和在隧道道床标高线以上的管片内侧铺设duxseal。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明可对整个振动频带范围同时进行隔振处理，施工简单，施工成本较低，造价便宜，且duxseal材料不易受客观因素的影响，性质稳定，对施工场地的平整度无特殊要求，通过增大管片和路基的阻尼系数，达到减振降噪的目的；此外，所选材料duxseal具有低耐火性、高耐腐蚀性和寿命长等性能，有利于提高使用场地的安全性与耐久性。

(2)本发明在管片内侧和地基中铺设duxseal，属于阻尼减振降噪技术，利用系统的阻尼损耗性能，将机械振动的能量转变为热能或其它可以消耗的能量，从而达到减振降噪效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的地铁管片内侧铺设duxseal结构示意图。

图2为本发明的地铁地基中填埋duxseal和橡胶颗粒结构示意图。

图3为本发明的地铁管片内侧铺设duxseal，且地基中填埋duxseal和橡胶颗粒结构示意图。

图4为本发明的高铁路基本体中填埋duxseal和橡胶颗粒结构示意图

图5为本发明的机械运行时基础下方地基中填埋duxseal和橡胶颗粒结构示意图。

图6为本发明的竖向激振作用下，在顶面距地表4.0m处，填埋拌合duxseal和橡胶颗粒地基，宽度为9m，厚度为1.5m，地表水平位移振幅衰减系数随距离变化曲线图。

图7为本发明的竖向激振作用下，边界元法计算，在顶面距地表4.0m处，填埋拌合duxseal和橡胶颗粒地基，宽度为9m，厚度为1.5m，地表竖向位移振幅衰减系数随距离变化曲线图。

图8为移动荷载作用下，地铁车站振动加速度时程曲线。

图9为移动荷载作用下，地铁车站振动加速度频谱曲线。

图中：1-管片衬砌，2-底漆，3-duxseal，4-道床，5-混凝土基底，6-衬砌周围土体，7-基床表层，8-基床底层，9-受力板，10-木模板，11-路基本体，12-地基，13-轨道板，14-ca砂浆层，15-混凝土支承层，16-s荷载，17-运行的机器，18-基础，19-橡胶颗粒

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对目前隔振方法吸收频率成分单一，低频波和中频波阻隔效果较差的问题。因此，本发明提出一种地铁振动减振的方法，包括以下过程：

1)盾构推进形成隧道后，进行底部衬砌以下的地基土体开挖，宽度约为5-12m，深度约为2.5-6m，将duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体以约1：1：9体积配合比拌合均匀后，回填约1-4m深，夯实至设计标高，如回填宽度超过衬砌宽度，则使用相同回填材料对道床标高线以下，隧道衬砌外围地基进行回填。

2)拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装或现浇一环衬砌，并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆，以防止隧道及地面下沉。将duxseal颗粒、橡胶颗粒、混凝土以约1：1：16体积配合比拌合均匀后，填埋至道床与衬砌的夹层—基底。

4)将地铁区间隧道道床标高线以上的管片内侧清理干净，涂刷底漆，铺设3-5cm的duxseal，铺设完成后对减振材料进行固定；

5)喷涂隔离层，进行后续正常工序。

所述的duxseal是一种橡胶混合物工业填料，硬度较差，其密度为1650kg/m³，杨氏模量为8mpa，泊松比为0.46。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与详细说明本发明的技术方案。

实施例1

参照图2-图4，本实施例具体地包括如下步骤：

1)盾构推进形成隧道后，进行底部衬砌以下的地基土体开挖，宽度约为5-12m，深度约为2.5-6m，将duxseal颗粒、橡胶颗粒(由氢化丁腈橡胶hnbr与硅橡胶按质量比1：1混合而成，粒径为18～22mm)、土体以约1：1：9体积配合比拌合均匀后，回填约1-4m深，夯实至设计标高，若回填宽度超过衬砌宽度，用相同回填材料对道床标高线以下，隧道衬砌外围地基进行回填。

2)拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装或现浇一环衬砌，并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆，以防止隧道及地面下沉。

3)将duxseal颗粒、橡胶颗粒、混凝土以约1：1：16体积配合比拌合均匀后，填埋至道床与衬砌的夹层—基底。

4)将地铁区间隧道道床标高线以上的管片内侧清理干净，涂刷底漆，采用高温高压的喷涂设备或刮涂工艺铺设3-5cm的duxseal，铺设完成后，对材料进行固定，以提高材料与管片的粘结强度，预防其脱落；

5)施工完成后，进行道床浇筑混凝土等后续工序。

实施例2

施工方法与实施例1基本相同，不同之处在于，将duxseal颗粒、土体以约2：9体积配合比拌合均匀后，回填约1.7m深后，地铁地表最大加速度由3.95×10^-2m/s降低为2.83×10^-2m/s，减振效果约为28％。

实施例3

施工方法与实施例1基本相同，不同之处在于，将橡胶颗粒、土体以约2：9体积配合比拌合均匀后，回填约1.7m深”后，其地铁地表最大加速度由3.95×10^-2m/s降低为2.65×10^-2m/s，减振效果约为33％。

实施例4

施工方法与实施例1基本相同，不同之处在于，所述橡胶颗粒全部为氢化丁腈橡胶hnbr，减振效果约为39％

实施例5

施工方法与实施例1基本相同，不同之处在于，所述橡胶颗粒全部为硅橡胶，减振效果约为41％。

本发明已经过数值模拟和现场试验测试研究，减振效果明显。基于二维半解析边界元法，编制计算程序，计算竖向激振(f＝18hz)作用下，均质弹性软土地基中无duxseal和橡胶颗粒及在顶面距地表4.0m处的均质弹性软土地基中填埋拌合duxseal和橡胶颗粒的宽度为9m，厚度为1.5m地基时地表位移振幅(如图6和7所示)，研究duxseal和橡胶颗粒材料的隔振效果。结果表明：距振源0-40m，地表水平位移平均振幅减小约34％，即水平位移减振效果约为34％；地表竖向位移振幅平均减小约41％，即竖向位移隔振效果约为41％。图8和9分别为列车运行80km/h条件下，现场测试在距道床表面约3m深的地基中有无埋置减振材料时地铁车站地表振动加速度时程曲线和频谱曲线。由图8(a)可以看出，未采取隔振措施时地表振动最大加速度约为3.95×10^-2m/s。由图8(b)可以看出，将橡胶颗粒、土体以约2：9体积配合比拌合均匀后，回填地基中约1.7m厚时地表振动最大加速度约为2.65×10^-2m/s，减振效果约为33％。由图8(c)可以看出，将duxseal、土体以约2：9体积配合比拌合均匀后，回填地基中约1.7m厚时地表振动最大加速度约为2.83×10^-2m/s，减振效果约为28％。由图8(d)可以看出，将duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体以约1：1：9体积配合比拌合均匀后，回填地基中约1.7m厚时地表振动最大加速度约为2.24×10^-2m/s，减振效果约为43％。由图9可以看出，橡胶颗粒吸收高频成分效果较好，频率越高，效果越好；duxseal吸收低频、中频和中高频成分效果较好，高频成分隔振效果较差；duxseal颗粒、橡胶颗粒、土体以约1：1：9体积配合比拌合，同时吸收低频、中频和高频成分，频率吸收范围变宽，减振效果明显提高，duxseal颗粒、橡胶颗粒在地基减震方面起到了协同增效的作用。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。