專(zhuān)利名稱(chēng)：約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道以及隧道的施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下鐵路隧道結(jié)構(gòu)，具體地說(shuō)是噴涂阻尼約束結(jié)構(gòu)減振降噪防護(hù)隧道以及該隧道的施工方法。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市人口增多，機(jī)動(dòng)車(chē)急劇增長(zhǎng)和城市布局的變化，交通問(wèn)題日益突出，發(fā)展城市軌道是解決這一問(wèn)題的一個(gè)重要舉措。但是，軌道交通同時(shí)帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，日益成為污染城市環(huán)境的突出因素。 特別是由于地鐵作為后建基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)要滿足解決城市人流密集區(qū)的交通問(wèn)題，地上修建受到多方面因素的影響而逐漸向地下發(fā)展。一般認(rèn)為，地下軌道由于增加了埋深，在同等減振條件下產(chǎn)生的振動(dòng)噪音較地上軌道小，但是由于在已有建筑設(shè)施下方修建軌道難度大、施工復(fù)雜，同時(shí)，通過(guò)增加埋置深度來(lái)減少振動(dòng)對(duì)已有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)升高。由此可見(jiàn)，地下鐵路隧道結(jié)構(gòu)的減振降噪問(wèn)題亟待解決。目前，常用的減振降噪措施均是集中在對(duì)軌道結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行減振處理，對(duì)于地下鐵路隧道結(jié)構(gòu)這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，并沒(méi)有針對(duì)性減振設(shè)計(jì)。車(chē)輛振動(dòng)控制、軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是最主要的兩個(gè)方面。設(shè)置彈性車(chē)輪主要對(duì)嘯叫噪聲進(jìn)行控制，針對(duì)性較強(qiáng)；采用無(wú)縫鋼軌、增加鋼軌質(zhì)量可提高結(jié)構(gòu)的整體減振降噪效果，但改善幅度不大；在鋼軌上安裝軌道減振器可獲取一定的減振效果，但過(guò)于依賴(lài)鋪設(shè)密度，施工性差，造價(jià)高；扣件控制也是常用的減振方法，Cologne-Egg彈性構(gòu)件是目前新型的扣件形式，可達(dá)10-15dB的減振效果，但通過(guò)扣件減振達(dá)到較高的減振降噪效果成本較高，并且扣件設(shè)計(jì)難度大，扣件的剛度匹配等問(wèn)題難以協(xié)調(diào)，施工性差；浮置板軌道結(jié)構(gòu)是目前最先進(jìn)的軌道結(jié)構(gòu)，減振要求高的區(qū)段一般要求設(shè)計(jì)成該結(jié)構(gòu)，但此結(jié)構(gòu)主要吸收中低頻沖擊振動(dòng)，另施工技術(shù)復(fù)雜、安裝質(zhì)量控制環(huán)節(jié)多，進(jìn)度慢、造價(jià)高、難維護(hù)。另一方面，隧道的防水、防護(hù)情況也不容樂(lè)觀。隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用復(fù)合式襯砌，即在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置隔離層(防水板)。從理論角度來(lái)說(shuō)，這種復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式可以有效地將圍巖中的水阻止在防水板以外，保證隧道襯砌不漏水、不滲水。然而，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，很難保證隧道初支斷面規(guī)則、平順，往往由于凹凸不平的面層導(dǎo)致防水板破損和背部產(chǎn)生脫空。防水板一旦出現(xiàn)破損，就會(huì)喪失防水功能，而防水板背部的脫空又會(huì)形成天然的儲(chǔ)水空間。這些都會(huì)成為隧道襯砌滲漏水的直接原因，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，并且給隧道運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道，其方便地應(yīng)用于地下鐵路隧道結(jié)構(gòu)中，能夠迅速有效地吸收結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量和輻射噪聲，減輕對(duì)自身及上層建筑的不利影響，同時(shí)保證隧道襯砌不漏水、不滲水，改善耐久性。以一種構(gòu)造實(shí)現(xiàn)兩種用途，增強(qiáng)施工性、提高性價(jià)比。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案其包括隧道初期支護(hù)混凝土層，隧道初期支護(hù)混凝土層上敷設(shè)粘彈性阻尼層，粘彈性阻尼層表面設(shè)有二次襯砌混凝土層。其中阻尼層(已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，一種噴涂聚氨酯-脲阻尼減振降噪材料，申請(qǐng)?zhí)枮?00910017943)，阻尼材料的粘彈性特質(zhì)完美地解決了與初期支護(hù)混凝土粘結(jié)不緊密的脫空問(wèn)題；在阻尼層表面直接噴射或者澆注二次襯砌混凝土作為約束層。將阻尼材料與隧道本身土建基體構(gòu)成約束阻尼減振系統(tǒng)，借助阻尼材料的粘彈特性，實(shí)現(xiàn)剪切耗能。該減振系統(tǒng)一方面能夠從根源上，迅速有效地將軌道振動(dòng)沖擊能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，減少通過(guò)巖石土體傳給上層建筑的振動(dòng)；另一方面，由于粘彈性阻尼材料的存在，整個(gè)隧道形成一個(gè)彈性封閉聲腔，大大減少了聲輻射噪聲的向外輻射傳播，降低噪音污染。從另一個(gè)角度看該構(gòu)造也是一個(gè)完整的防護(hù)系統(tǒng)，借助阻尼材料本身的高強(qiáng)度、防腐蝕、抗?jié)B漏特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道襯砌的全面防護(hù)和封閉。本發(fā)明的作用概括地講就是能夠改善軌道運(yùn)營(yíng)環(huán)境、降低振動(dòng)噪聲污染，減少開(kāi)挖深度、降低施工難度，提高耐久性、兼顧防水性、節(jié)約工程成本。本發(fā)明中，綜合考慮地鐵服役環(huán)境中溫度、振動(dòng)頻率等的影響，阻尼層材料選取一種噴涂聚氨酯-脲阻尼減振材料(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?00910017943)，材料剛度模量在2_20MPa之間，與混凝土近似30-40GPa的模量相匹配；材料屬于寬溫域、寬頻域的粘彈性阻尼材料， 在溫度條件_10°C -50°C，頻率條件0-300HZ下，能夠保證不低于O. 5的損耗因子值；材料具有優(yōu)異的抗?jié)B性，良好的耐酸、堿、鹽、油、水等腐蝕介質(zhì)的侵蝕性能，可為隧道結(jié)構(gòu)提供優(yōu)異的防護(hù)效果；與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度大于I. 5MPa，加上材料本身的粘彈性特質(zhì)，可與上下兩層混凝土緊密結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生空鼓脫空。同時(shí)，阻尼層粘彈性材料雖為高分子有機(jī)物，但并不含溶劑，對(duì)環(huán)境友好，在地下封閉區(qū)域施工不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體危害施工人員健康；采用機(jī)械噴涂工藝，易操作、效率高，可以形成厚度均勻、連續(xù)的阻尼層，適用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，使用后減振降噪及防護(hù)效果明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述隧道的施工方法，其包括如下步驟(I)在隧道完成初期支護(hù)后，對(duì)初期支護(hù)混凝土層進(jìn)行表面處理，將混凝土表面的浮漿打掉，使用高壓水槍沖洗掉基材表面的所有殘留物，使得基材完全呈現(xiàn)出混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)；(2)在經(jīng)過(guò)底材處理的混凝土表面噴涂粘彈性阻尼層，其表干時(shí)間為10_30min ；(3)在粘彈性阻尼層表面噴射或者澆注二次襯砌混凝土層，進(jìn)行后續(xù)施工，從而形成隧道約束阻尼結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，減振降噪構(gòu)造能夠發(fā)揮巨大作用，一方面來(lái)自于阻尼材料本身的優(yōu)良性能；另一方面則依靠該構(gòu)造所形成的減振系統(tǒng)。地鐵隧道內(nèi)是聲場(chǎng)輻射和結(jié)構(gòu)振動(dòng)同時(shí)存在的聲固耦合場(chǎng)。振動(dòng)和噪音主要由列車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)輪與軌道的沖擊作用產(chǎn)生，振動(dòng)能量將通過(guò)軌道板等傳至地基及周?chē)馏w巖層，同時(shí)噪音通過(guò)固體介質(zhì)和空氣快速傳播。將阻尼層設(shè)置于兩層隧道混凝土之間形成約束阻尼結(jié)構(gòu)，一方面，約束阻尼結(jié)構(gòu)使得阻尼材料實(shí)現(xiàn)剪切耗能，吸收振動(dòng)噪聲的能力較常規(guī)的拉壓耗能(即橡膠墊板)大得多，阻尼效果優(yōu)異；另一方面將大大降低整個(gè)隧道空腔的剛度，形成彈性封閉聲腔，使結(jié)構(gòu)固有頻率下降，相應(yīng)移動(dòng)荷載的臨界速度下降，有利于減少土體共振現(xiàn)象的發(fā)生；第三方面，隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)所受到的激勵(lì)頻率范圍很大，也很復(fù)雜，借助阻尼層的寬頻域特性可在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)起到抑制振動(dòng)和噪聲的作用；第四方面，所構(gòu)成約束阻尼結(jié)構(gòu)的整體密度較小，聲音傳播速率降低，更有利于減少噪音傳播。
本發(fā)明中，阻尼層(防護(hù)層)的實(shí)現(xiàn)形式是直接噴涂涂層；阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置可以是連續(xù)的，也可以是間隔的。綜合考慮減振降噪效果、工程造價(jià)，為尋找性價(jià)比最高的阻尼層厚度，應(yīng)根據(jù)具體工程通過(guò)數(shù)學(xué)建模計(jì)算，擬定約束阻尼結(jié)構(gòu)的厚度比，一般來(lái)說(shuō)，阻尼層與與二次襯砌混凝土層的厚度比在I : 5-20之間較為合適；隧道初期支護(hù)、阻尼層、二次襯砌所構(gòu)成的約束阻尼結(jié)構(gòu)，最好選用對(duì)稱(chēng)形式。本發(fā)明中，減振及防護(hù)結(jié)構(gòu)為多功能一體化，以阻尼減振降噪功能為主，與此同時(shí)，還提供防水、防腐、絕緣等功能，解決隧道防水和滲漏問(wèn)題，提高整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的耐久性，隔絕地鐵中的雜散電流，保障行車(chē)和人員安全。


圖I為本發(fā)明構(gòu)造的應(yīng)用示意圖。 圖2為圖I中A部放大圖。圖中1.隧道初期支護(hù)混凝土層；2. 二次襯砌混凝土層；3.粘彈性阻尼層。
具體實(shí)施例方式如圖I、圖2所示，包括隧道初期支護(hù)混凝土層1，隧道初期支護(hù)混凝土層I上敷設(shè)粘彈性阻尼層3，粘彈性阻尼層3表面設(shè)有二次襯砌混凝土層2。粘彈性阻尼層3與二次襯砌混凝土層2的厚度之比為I : 15。所述的粘彈性阻尼層3采用的粘彈性阻尼材料，其剛度模量在2-20MPa之間，損耗因子在O. 5以上的溫域范圍為-10°C _50°C，頻域范圍為 0-300HZ。本發(fā)明的方法步驟如下(I)首先，在隧道完成初期支護(hù)后，對(duì)隧道初期支護(hù)混凝土層I進(jìn)行表面處理，具體做法為首先采用機(jī)械處理混凝土表面，打掉浮漿，然后使用高壓水槍沖洗掉基材表面的所有殘留物，使得基材完全呈現(xiàn)出混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)；(2)然后，在經(jīng)過(guò)底材處理的混凝土表面噴涂粘彈性阻尼層3，其表干時(shí)間為20分鐘；(3)最后，在粘彈性阻尼層3表面噴射或者澆注二次襯砌混凝土 2，進(jìn)行后續(xù)施工，形成約束阻尼結(jié)構(gòu)。當(dāng)列車(chē)在軌道上運(yùn)行通過(guò)軌道本體產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)迅速通過(guò)剛性材質(zhì)的二次襯砌混凝土層2傳至粘彈性阻尼層3 ;粘彈性阻尼層產(chǎn)生以剪切為主、拉壓為輔的變形。由于約束阻尼的耗能特性，混凝土層I和混凝土層2使得粘彈性阻尼層3產(chǎn)生與形變方向相反的阻力，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簟１景l(fā)明主要針對(duì)地鐵地下部分的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制，對(duì)隧道采用全包阻尼層，一方面，整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)形成封閉聲腔，不僅能夠減少軌道傳遞的振動(dòng)，而且還能減少空氣傳播的噪聲；另一方面，由于粘彈性材料的存在，避免了空腔內(nèi)空氣產(chǎn)生共鳴放大某些頻率，最大程度地降低地鐵運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音，可降低噪音10-15db。另外，阻尼材料具有極好的防腐防水性能，在保證自身使用年限的同時(shí)，也對(duì)位于潮濕地下環(huán)境的土建結(jié)構(gòu)起到了防腐和防水的效果，一材多用。本發(fā)明結(jié)構(gòu)既可應(yīng)用于隧道全線，也可單獨(dú)應(yīng)用于減振要求較高的地段，既可獨(dú)立實(shí)施，也可根據(jù)設(shè)計(jì)要求與其他軌道減振措施聯(lián)合使用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，粘彈性阻尼層3隨土建結(jié)構(gòu)施工進(jìn)程流水施工，采用機(jī)械噴涂工藝，相對(duì)于混凝土長(zhǎng)達(dá)28天的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，阻尼材料養(yǎng)護(hù)時(shí)間在Id之內(nèi)，為施工進(jìn)度提
供保障。本發(fā)明減振防護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，極易實(shí)施，減振降噪效果顯著，使用壽命長(zhǎng)，安全可靠，經(jīng)濟(jì)與環(huán)保性俱佳，特別適合應(yīng)用于地下鐵路隧道結(jié)構(gòu)，尤其是噪聲水平較高的曲線段、制動(dòng)段、高速段，以及上部建筑結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)噪聲要求 高的區(qū)段。
權(quán)利要求
1.一種約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道，包括隧道初期支護(hù)混凝土層，其特征在于，隧道初期支護(hù)混凝土層上敷設(shè)粘彈性阻尼層，粘弾性阻尼層表面設(shè)有二次襯砌混凝土層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道，其特征在于，粘弾性阻尼層與二次襯砌混凝土層的厚度之比為I : 5-20。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道，其特征在于，所述的粘弾性阻尼層采用的粘弾性阻尼材料，其剛度模量在2-20MPa之間，損耗因子在O. 5以上的溫域范圍為-10°C _50°C，頻域范圍為0-300HZ。
4.根據(jù)上述任ー權(quán)利要求所述的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道的施工方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)在隧道完成初期支護(hù)后，對(duì)初期支護(hù)混凝土層進(jìn)行表面處理，將混凝土表面的浮漿打掉，使用高壓水槍沖洗掉基材表面的所有殘留物，使得基材完全呈現(xiàn)出混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)； (2)在經(jīng)過(guò)底材處理的混凝土表面噴涂粘弾性阻尼層，其表干時(shí)間為10-30min； (3)在粘弾性阻尼層表面噴射或者澆注二次襯砌混凝土層，進(jìn)行后續(xù)施工，從而形成隧道約束阻尼結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地下鐵路隧道結(jié)構(gòu)，具體地說(shuō)是噴涂阻尼約束結(jié)構(gòu)減振降噪防護(hù)隧道以及該隧道的施工方法。本發(fā)明的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振防護(hù)隧道，包括隧道初期支護(hù)混凝土層，隧道初期支護(hù)混凝土層上敷設(shè)粘彈性阻尼層，粘彈性阻尼層表面設(shè)有二次襯砌混凝土層。本發(fā)明中，減振及防護(hù)結(jié)構(gòu)為多功能一體化，以阻尼減振降噪功能為主，與此同時(shí)，還提供防水、防腐、絕緣等功能，解決隧道防水和滲漏問(wèn)題，提高整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的耐久性，隔絕地鐵中的雜散電流，保障行車(chē)和人員安全。
文檔編號(hào)E21D11/10GK102678135SQ20121001356
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者呂平, 吳學(xué)鋒, 楊林, 蓋盼盼, 黃微波, 黃艦 申請(qǐng)人:青島市地下鐵道公司, 青島理工大學(xué)