摘 要

城市轨道交通带来的振动问题，由来已久，引起了社会强烈反响，成为了轨道交通运输行业亟待解决的问题。针对地铁列车运行动载荷带来的振动对环境的影响，采用数值分析方法从隧道结构的角度探讨地铁隧道减振方法，研究内容与结果如下：

基于国内外研究现状，借助ANSYS有限元软件，根据荷载-结构法建立“围岩-初衬-减振层-二衬”有限元数值模型，并控制变量，分析比较粉煤灰泡沫混凝土、泡沫混凝土、沥青、橡胶材料作为二衬的隧道结构的振动响应情况。

利用数值分析方法，对地铁隧道数值模型进行计算，得到地铁移动载荷作用引发的振动在轨道水平、隧道铅垂向、地表水平以及隧道衬砌中的传播规律。最终发现，振动沿铅垂向往地表传播时，由于叠加效应，加速度峰值逐渐增大；振动沿水平方向传播时，均呈现整体的衰减趋势，且均出现两次振动放大区。通过“围岩-初衬-减振层-二衬”有限元模型，分别分析设置泡沫混凝土、沥青、橡胶材料减振层后的模型振动情况。结果发现三种材料均实现有效的振动衰减，但泡沫混凝土的实际效果最好，而橡胶材料更适合作为局部设施的保护层材料；粉煤灰泡沫混凝土减振效果优于泡沫混凝土，其强度有待分析验证。分析减振材料在不同控制点的Z振级衰减特性，泡沫混凝土是更为优异的隧道衬砌减振材料，橡胶材料更适宜作为隧道顶部减振材料以及特殊目标的减振保护层。

关键词： 减振层；减振效果；减振材料；

Abstract

The vibration problem caused by urban rail transit has been a long-standing problem, which has aroused strong social repercussions and has become an urgent problem in the rail transportation industry. In view of the influence of the vibration on the environment caused by the dynamic load of the subway train, the numerical analysis method is used to study the vibration damping method of the subway tunnel from the angle of the tunnel structure. The contents and results are as follows:

Based on the current research situation at home and abroad, with the help of ANSYS finite element software, the finite element model of "surrounding rock initial Lining - damping layer - two liner" is established according to the load structure method, and the control variables are controlled, and the vibration response of the tunnel structure with fly ash foam concrete, foam concrete, asphalt and rubber as the two lining is analyzed and compared.

The numerical analysis method is used to calculate the subway tunnel numerical model, and the propagation law of the vibration caused by the action of the subway's moving load on the track level, the vertical direction of the tunnel lead, the surface level and the tunnel lining are obtained. It is found that the acceleration peak gradually increases with the superposition effect when the vibration propagates along the lead longing to the surface of the earth. When the vibration propagates in the horizontal direction, it all presents the overall attenuation trend, and all of the two vibration amplification areas appear. Through the finite element model of "surrounding rock initial Lining - damping layer - two lining", the vibration of the model of foam concrete, asphalt and rubber damping layer is analyzed. The results show that the three materials all achieve effective vibration attenuation, but the actual effect of the foam concrete is the best, and the rubber material is more suitable as the protective material for the local facilities; the effect of the fly ash foam concrete is better than the foam concrete, and its strength needs to be analyzed and verified. The attenuation characteristics of Z vibration level of vibration damping materials at different control points are analyzed. Foam concrete is a more excellent damping material for tunnel lining, and rubber material is more suitable to be used as damping material at the top of tunnel and the protection layer of special target.

Key works： Vibration damping layer; vibration damping effect; damping material;

目 录

第1章 绪论 - 1 -

1.1引言 - 1 -

1.2国内外研究现状 - 3 -

1.3环境振动控制标准 - 4 -

1.3.1国际标准 - 4 -

1.3.2国内标准 - 5 -

1.4研究内容与研究思路 - 6 -

1.4.1研究内容 - 6 -

1.4.2研究思路 - 6 -

第2章 建立有限元数值模型 - 7 -

2.1隧道模型参数确定 - 7 -

2.2材料物理力学参数 - 7 -

2.3列车运动模型参数 - 9 -

2.4三维有限元数值模型参数 - 9 -

2.4.1模型范围及单元大小 - 10 -

2.4.2模型边界条件 - 10 -

第3章 分析不同材料减振层的减振效果 - 13 -

3.1地铁隧道环境振动分析 - 13 -

3.1.1隧道衬砌振动 - 13 -

3.1.2隧道铅垂向振动 - 14 -

3.1.3轨道水平振动 - 15 -

3.1.4地表水平振动分析 - 16 -

3.2三种减振材料减振效果分析 - 18 -

3.2.1泡沫混凝土减振效果分析 - 19 -

3.2.2沥青减振效果分析 - 21 -

3.2.3橡胶材料减振效果分析 - 23 -

3.3三种材料减振效果比较 - 26 -

3.4粉煤灰泡沫混凝土减振效果分析比较 - 29 -

3.4.1隧道衬砌减振效果 - 29 -

3.4.2隧道铅垂向振动减振效果比较 - 30 -

3.4.3轨道水平振动减振效果比较 - 30 -

3.4.4地表水平振动减振效果比较 - 31 -

第4章 结论与展望 - 33 -

4.1结论 - 33 -

4.2展望 - 33 -

参考文献 - 34 -

致谢 - 36 -

第1章 绪论

• 1. 引言

随着现代工业、经济的发展，城市空间利用向着更深层次发展，地铁、有轨电车等城市公共交通系统得到了快速发展。与传统的地面交通方式相比，地铁具有多方面的优势，但也带来了相应的问题。轨道交通是指在特定轨道、线路上行驶的交通工具。城市轨道交通系统是目前公认的少污染、低能耗的“绿色交通”。同时，地铁沿线用地形式极具多样性，可以引导和促进城市空间利用的发展布局，支撑城市主轴的形成发展，有利于城市向大型综合性都市发展。

（a） （b）

图1.1 （a）圣托马斯教堂顶部的裂缝；（b）重庆地铁穿过居民楼

近年来，地铁线路愈加密集，运营时间的增长和客流量的增大，导致地铁引起的振动显著增大。给地铁沿线居民的工作、生活带来了相当的困扰，对周围建筑物亦有较大影响。现阶段，由于我国交通环境振动承受限制标准体系的研究匮乏，现行方法较为陈旧，同时，相关法律法规的欠缺，导致国内地铁在运营后，屡屡遭到沿线居民关于地铁引起环境振动方面的投诉。

在地铁引起的振动长期超标的环境中，人体健康和建筑物安全都将受到重大考验。世界各国在地铁建设中，均制定了相应的规范，以达到限制地铁沿线由地铁列车运行带来的振动和噪声问题。就地铁的建设现状而言，临近和下穿居民住宅区、人口密集区域是不可避免的，而且地铁在运营过程中，线路条件恶化和载客量增大等因素都会造成地铁系统振动对环境的影响加剧，从而导致居民的不满和投诉。北京市轨道交通大兴线试运营期间、成都地铁7号线均有被投诉记录，其原因均是由于地铁振动对居民日常生活造成重大影响。

经研究发现，人长期处于振动环境中，其正常生活和工作将受到严重影响。一般情况下，环境振动不会对人体造成伤害，但它对人的日常生活造成干扰，使人烦躁不安却是证据确凿。一个日本的实验，在振动台上测试不同振动强度对人睡眠的影响，结果发现，振动环境中，人的工作效率下降，影响人们的思考和判断，影响正常的工作和生活。

表1.1振动对睡眠的影响

人长期处于振动环境中，还会带来生理、病理上的问题，呼吸系统、神经系统和听觉、视觉均会收到损害。这是由于振动频率和人体内脏器官固有频率相接近,引起共振所致，甚至可能直接造成人体骨骼、肌肉、韧带等的严重损伤。根据现有研究成果，地铁列车引起的振动主频在80 Hz左右。将之与地震相关数据作对比，地震作用的主频在10 HZ以下。可以推断，地铁振动对周边环境的影响是一个长期、反复的过程。对于建筑物来说，长期受到超过阈值的振动影响，其结构、构件将受到一定损坏。例如北京地铁2号线地铁站的壁画的脱落，其主要原因就是由于地铁运行产生的振动。

相比现代建筑较为稳固的框架结构的良好物理力学性能，古建筑物年代久远、结构较为脆弱，更容易因为地铁引起的振动形成结构上的破坏，为古建筑保存、维护、修复带来很大难度与要求。这就给城市轨道交通系统的减振措施提出了很高的要求，必须要从多方面、多角度寻求解决之道，在衬砌中设置减振层将是一个行之有效的方法。

图1.2 北京地铁2号线地铁振动导致墙面脱落

1.2国内外研究现状

国内外对地铁引起的振动的研究越来越重视。日本修订的《公害对策基本法》明确将振动列为七大环境公害之一，规定必须采取有效的限制措施。美国的G·P·Wilson等提出通过采用浮置板式道床和革新轨道车辆转向架构造，减少轮轨接触力，降低轨道车辆经过时引起的噪声和振动影响。在我国，不少学者也做出了不懈的努力。和振兴采用“车辆-轨道-地基”耦合动力学模型，分析路堤、路基、线路附近框架结构和隔振沟对环境振动控制效果的影响。李志毅建立 “运行车辆-轨道-环境”振动模型。程潜基于“列车-轨道-桥梁”耦合动力学理论和有限元方法，建立了高架桥轨道交通引起的振动理论分析模型。

轨道交通对环境以及周边建筑物的影响主要由运行列车对轨道的冲击作用引发轨道系统的振动，经过轨道的基础结构传递到周围地层中，进一步向四周传播，最终对环境造成影响。地铁引发的振动可以用“列车移动载荷-隧道结构-围岩地层-地表-建筑物”的振动体系加以描述。其原理如图1.3 。

图1.3 地铁移动载荷的振动传播规律

研究地铁移动载荷带来的环境振动影响，有四大方向可以作为研究目标。

（1）针对振源的研究；研究振动产生的机制，对车辆类型、编组方式、动力特性、运行速度、轮轨耦合关系、轨道结构、地基结构进行改良研究，减小振动产生；

（2）针对传播路径的研究；在重力场中，振动的传播规律和衰减特性的研究。在隧道结构、地层、地表等可操作的结构中，采取行之有效的减振措施，在振动传播路径中使振动得到衰减，降低对环境的影响；

（3）针对受振体的研究；建筑物、建筑物内的仪器设备等需要进行保护的设施；

（4）针对减振隔振措施的研究；在振动传播的三个阶段，研究有效的减振隔振措施，实现振动控制的目标。

1.3环境振动控制标准

地铁振动问题带来的环境问题，世界各国政府均有所关注，并出台了相应规范以实现对环境振动问题的管理，规范。同时，学界通过大量的实验测量，建立相关数学模型，实现对振动的描述、测量、统计以及预测。美国出台了《快速轨道交通噪声和振动影响评估》和《交通系统噪声和振动影响评估标准》，日本制定了《环境振动控制法》，中国修订了《城市区域环境振动标准》。

针对不同受振体，选用的振动评价指标各不相同，本文我们对隧道结构进行分析，选取加速度峰值作为评价指标，而地层纵向、轨道水平辅以Z振级作为评价指标。

1.3.1国际标准

国际标准化组织（ISO）综合学界关于振动的研究成果的基础上制定了《人体全身振动暴露的评价》（ISO2631-1985）.该标准以人的心脏为坐标原点建立直角坐标系，将人的全身表示在三个方向上，按照人体的坐标系区分振动作用的方向，同时规定了振动的评价方法，振动的量值以均方根值表示：

（1-1）

式中：a(t)表示t时刻加速度；T为积分时间。其相对于人体敏感范围的计权系数见下表：

表1.2 人体敏感频率范围的计权系数

1997年，国际标准化组织在原有标准的基础上，修改并制定了ISO2631-1997。标准中给出了基本评价方法的适用范围，当不适用与哪有基本评价方法时采用附加评价法加以评价，其中包括四次方振动计量法、运行均方根评价法。新的标准更加明确了振动对人体的健康、感知、舒适度以及运动疾病的评价标准和建议，如下表：

表1.3 全身振动舒适感觉限值

1.3.2国内标准

我国在振动问题方面，针对自身情况，结合现场测试，借鉴国际标准ISO2631，最终制定了《城市区域环境振动标准》（GB/T10070-1988），同时还有《城市区域环境振动测量方法》（GB/T10071-1988）与之配套使用。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：