專利名稱：約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道以及隧道的施工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種地下鐵路隧道結(jié)構，具體地說是噴涂阻尼約束結(jié)構減振降噪防護隧道以及該隧道的施工方法。
背景技術：
隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，城市人口增多，機動車急劇增長和城市布局的變化，交通問題日益突出，發(fā)展城市軌道是解決這一問題的一個重要舉措。但是，軌道交通同時帶來的振動和噪聲問題，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設施，同時要滿足解決城市人流密集區(qū)的交通問題，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)生的振動噪音較地上軌道小，但是由于在已有建筑設施下方修建軌道難度大、施工復雜，同時，通過增加埋置深度來減少振動對已有結(jié)構的穩(wěn)定性影響，會導致工程造價升高。由此可見，地下鐵路隧道結(jié)構的減振降噪問題亟待解決。目前，常用的減振降噪措施均是集中在對軌道結(jié)構本身進行減振處理，對于地下鐵路隧道結(jié)構這種特殊的結(jié)構形式，并沒有針對性減振設計。車輛振動控制、軌道結(jié)構振動控制是最主要的兩個方面。設置彈性車輪主要對嘯叫噪聲進行控制，針對性較強；采用無縫鋼軌、增加鋼軌質(zhì)量可提高結(jié)構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，但過于依賴鋪設密度，施工性差，造價高；扣件控制也是常用的減振方法，Cologne-Egg彈性構件是目前新型的扣件形式，可達10-15dB的減振效果，但通過扣件減振達到較高的減振降噪效果成本較高，并且扣件設計難度大，扣件的剛度匹配等問題難以協(xié)調(diào)，施工性差；浮置板軌道結(jié)構是目前最先進的軌道結(jié)構，減振要求高的區(qū)段一般要求設計成該結(jié)構，但此結(jié)構主要吸收中低頻沖擊振動，另施工技術復雜、安裝質(zhì)量控制環(huán)節(jié)多，進度慢、造價高、難維護。另一方面，隧道的防水、防護情況也不容樂觀。隧道的支護結(jié)構通常采用復合式襯砌，即在初期支護與二次襯砌之間設置隔離層(防水板)。從理論角度來說，這種復合式襯砌結(jié)構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)場施工過程中，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，就會喪失防水功能，而防水板背部的脫空又會形成天然的儲水空間。這些都會成為隧道襯砌滲漏水的直接原因，嚴重影響工程質(zhì)量，并且給隧道運營帶來安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道，其方便地應用于地下鐵路隧道結(jié)構中，能夠迅速有效地吸收結(jié)構振動能量和輻射噪聲，減輕對自身及上層建筑的不利影響，同時保證隧道襯砌不漏水、不滲水，改善耐久性。以一種構造實現(xiàn)兩種用途，增強施工性、提高性價比。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案其包括隧道初期支護混凝土層，隧道初期支護混凝土層上敷設粘彈性阻尼層，粘彈性阻尼層表面設有二次襯砌混凝土層。其中阻尼層(已申請中國發(fā)明專利，一種噴涂聚氨酯-脲阻尼減振降噪材料，申請?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混凝土粘結(jié)不緊密的脫空問題；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成約束阻尼減振系統(tǒng)，借助阻尼材料的粘彈特性，實現(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沖擊能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，減少通過巖石土體傳給上層建筑的振動；另一方面，由于粘彈性阻尼材料的存在，整個隧道形成一個彈性封閉聲腔，大大減少了聲輻射噪聲的向外輻射傳播，降低噪音污染。從另一個角度看該構造也是一個完整的防護系統(tǒng)，借助阻尼材料本身的高強度、防腐蝕、抗?jié)B漏特性，實現(xiàn)對隧道襯砌的全面防護和封閉。本發(fā)明的作用概括地講就是能夠改善軌道運營環(huán)境、降低振動噪聲污染，減少開挖深度、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(專利申請?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)構提供優(yōu)異的防護效果；與混凝土粘結(jié)強度大于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，不會產(chǎn)生空鼓脫空。同時，阻尼層粘彈性材料雖為高分子有機物，但并不含溶劑，對環(huán)境友好，在地下封閉區(qū)域施工不會產(chǎn)生有毒氣體危害施工人員健康；采用機械噴涂工藝，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，應用廣泛，使用后減振降噪及防護效果明顯，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。本發(fā)明的另一個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后，對初期支護混凝土層進行表面處理，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)出混凝土實體結(jié)構；(2)在經(jīng)過底材處理的混凝土表面噴涂粘彈性阻尼層，其表干時間為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，進行后續(xù)施工，從而形成隧道約束阻尼結(jié)構。本發(fā)明中，減振降噪構造能夠發(fā)揮巨大作用，一方面來自于阻尼材料本身的優(yōu)良性能；另一方面則依靠該構造所形成的減振系統(tǒng)。地鐵隧道內(nèi)是聲場輻射和結(jié)構振動同時存在的聲固耦合場。振動和噪音主要由列車行駛過程中車輪與軌道的沖擊作用產(chǎn)生，振動能量將通過軌道板等傳至地基及周圍土體巖層，同時噪音通過固體介質(zhì)和空氣快速傳播。將阻尼層設置于兩層隧道混凝土之間形成約束阻尼結(jié)構，一方面，約束阻尼結(jié)構使得阻尼材料實現(xiàn)剪切耗能，吸收振動噪聲的能力較常規(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隧道空腔的剛度，形成彈性封閉聲腔，使結(jié)構固有頻率下降，相應移動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)構所受到的激勵頻率范圍很大，也很復雜，借助阻尼層的寬頻域特性可在相當寬的頻帶內(nèi)起到抑制振動和噪聲的作用；第四方面，所構成約束阻尼結(jié)構的整體密度較小，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(防護層)的實現(xiàn)形式是直接噴涂涂層；阻尼防護結(jié)構的設置可以是連續(xù)的，也可以是間隔的。綜合考慮減振降噪效果、工程造價，為尋找性價比最高的阻尼層厚度，應根據(jù)具體工程通過數(shù)學建模計算，擬定約束阻尼結(jié)構的厚度比，一般來說，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、阻尼層、二次襯砌所構成的約束阻尼結(jié)構，最好選用對稱形式。本發(fā)明中，減振及防護結(jié)構為多功能一體化，以阻尼減振降噪功能為主，與此同時，還提供防水、防腐、絕緣等功能，解決隧道防水和滲漏問題，提高整個地下結(jié)構的耐久性，隔絕地鐵中的雜散電流，保障行車和人員安全。


圖I為本發(fā)明構造的應用示意圖。 圖2為圖I中A部放大圖。圖中1.隧道初期支護混凝土層；2. 二次襯砌混凝土層；3.粘彈性阻尼層。
具體實施例方式如圖I、圖2所示，包括隧道初期支護混凝土層1，隧道初期支護混凝土層I上敷設粘彈性阻尼層3，粘彈性阻尼層3表面設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后，對隧道初期支護混凝土層I進行表面處理，具體做法為首先采用機械處理混凝土表面，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)出混凝土實體結(jié)構；(2)然后，在經(jīng)過底材處理的混凝土表面噴涂粘彈性阻尼層3，其表干時間為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，進行后續(xù)施工，形成約束阻尼結(jié)構。當列車在軌道上運行通過軌道本體產(chǎn)生振動，振動會迅速通過剛性材質(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，將振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?。本發(fā)明主要針對地鐵地下部分的隧道結(jié)構進行振動控制，對隧道采用全包阻尼層，一方面，整個振動系統(tǒng)形成封閉聲腔，不僅能夠減少軌道傳遞的振動，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行中產(chǎn)生的振動和噪音，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，也對位于潮濕地下環(huán)境的土建結(jié)構起到了防腐和防水的效果，一材多用。本發(fā)明結(jié)構既可應用于隧道全線，也可單獨應用于減振要求較高的地段，既可獨立實施，也可根據(jù)設計要求與其他軌道減振措施聯(lián)合使用。在實際應用過程中，粘彈性阻尼層3隨土建結(jié)構施工進程流水施工，采用機械噴涂工藝，相對于混凝土長達28天的養(yǎng)護時間，阻尼材料養(yǎng)護時間在Id之內(nèi)，為施工進度提
供保障。本發(fā)明減振防護結(jié)構構造簡單，極易實施，減振降噪效果顯著，使用壽命長，安全可靠，經(jīng)濟與環(huán)保性俱佳，特別適合應用于地下鐵路隧道結(jié)構，尤其是噪聲水平較高的曲線段、制動段、高速段，以及上部建筑結(jié)構對振動噪聲要求 高的區(qū)段。
權利要求
1.一種約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道，包括隧道初期支護混凝土層，其特征在于，隧道初期支護混凝土層上敷設粘彈性阻尼層，粘弾性阻尼層表面設有二次襯砌混凝土層。
2.根據(jù)權利要求I所述的約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道，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)權利要求2所述的約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道，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)上述任ー權利要求所述的約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道的施工方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)在隧道完成初期支護后，對初期支護混凝土層進行表面處理，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)出混凝土實體結(jié)構； (2)在經(jīng)過底材處理的混凝土表面噴涂粘弾性阻尼層，其表干時間為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，進行后續(xù)施工，從而形成隧道約束阻尼結(jié)構。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地下鐵路隧道結(jié)構，具體地說是噴涂阻尼約束結(jié)構減振降噪防護隧道以及該隧道的施工方法。本發(fā)明的約束阻尼結(jié)構的減振防護隧道，包括隧道初期支護混凝土層，隧道初期支護混凝土層上敷設粘彈性阻尼層，粘彈性阻尼層表面設有二次襯砌混凝土層。本發(fā)明中，減振及防護結(jié)構為多功能一體化，以阻尼減振降噪功能為主，與此同時，還提供防水、防腐、絕緣等功能，解決隧道防水和滲漏問題，提高整個地下結(jié)構的耐久性，隔絕地鐵中的雜散電流，保障行車和人員安全。
文檔編號E21D11/10GK102678135SQ20121001356
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權日2012年1月17日
發(fā)明者呂平, 吳學鋒, 楊林, 蓋盼盼, 黃微波, 黃艦 申請人:青島市地下鐵道公司, 青島理工大學