1.本发明涉及轨道交通振动控制领域，是一种盾构隧道及其预制减振型封底管片。
背景技术：
2.城市轨道交通的大规模建设，可以有效提升居民通行的便捷性，但也可能引起一定的结构和环境问题。例如城市轨道交通环境振动不仅会影响居民的日常生活，还可能导致古建筑结构的破坏。随着人们关注度的提高，城市轨道交通环境振动的控制已成为城市轨道交通领域的热门科学问题之一。
3.目前轨道交通领域所采用的减振措施有：(1)钢轨阻尼器，如中国专利202011069737.0 所公开的钢轨阻尼器；(2)减振扣件，如中国专利申请201510606515.0所述的钢轨减振扣件；(3)减振轨枕，如中国专利申请202110256896.x所公开的减振轨枕；(4)浮置板轨道，如中国专利申请202010067266.3所公开的浮置板轨道。其中，点支撑浮置板轨道被认为具有最好的减振效果，如橡胶浮置板轨道和钢弹簧浮置板轨道。目前还没有针对盾构隧道的主体——管片结构来进行设计，使其具有减振功能。
技术实现要素：
4.本发明针对现有技术的不足，提供一种预制减振型封底管片，以将预制道床直接通过减振垫安装在盾构隧道处于底部位置处的弧状管片(封底管片)上方，即预制道床的支撑仅依赖于布置在封底管片内弧面上的减振垫，则列车运行所产生的振动会随着预制道床传递，进而通过位于道床与封底管片之间的减振垫减振，导致上部振动在向下传递的传播途径中受到阻隔效果，由此可知，本发明可以衰减隧道内列车运行产生的振动，有效地减少列车运行对沿线居民生活和古建筑的影响。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种预制减振型封底管片，位于圆环状隧道的底部，用于支撑道床，包括圆弧状封底管片本体，封底管片本体的内弧面在两侧对称地设置有拼缝安装部，道床沿着封底管片本体的弦线布置，所述封底管片本体在与道床正对的内弧面设有减振槽，减振槽内部设有减振垫，减振垫的厚度大于减振槽的槽深；所述道床为预制结构，且道床的下表面通过减振垫直接支撑在封底管片本体的上部，同时道床处于横向的两端与封底管片本体的内弧面之间存在满足工程需要的间隙。
7.优选地，所述减振垫呈散点状、条状或者片状布置在减振槽内部，且减振垫的厚度为 40～70mm，材料为聚氨酯，弹性模量为1-10*106pa，密度为1000～2000kg﹒m-3
。
8.优选地，当减振垫呈散点状布置在减振槽内部时，各散点状减振垫呈矩形阵列的方式布置在封底管片本体的内弧面，处于环向的相邻两个散点状减振垫之间的间距与所述散点状减振垫处于环向的下弧长l
下
一致，处于纵向的相邻两个散点状减振垫之间的间距与所述散点状减振垫的纵向长度一致。
9.优选地，每一个散点状减振垫的纵向长度为200mm，而处于环向的上弧长l
上
、下弧
长l
下
分别由下式计算：
[0010][0011][0012]
其中，r
道床
为道床下底面的半径、r
槽
为减振槽弧面的半径。
[0013]
优选地，当减振垫呈条状布置在减振槽内部时，每一条状减振垫的纵向长度与减振槽的纵向长度匹配，而处于环向的上弧长l
上
、下弧长l
下
分别由下式计算：
[0014][0015][0016]
其中，r
道床
为道床下底面的半径、r
槽
为减振槽弧面的半径。
[0017]
优选地，当减振垫呈片状布置在减振槽内部时，所述片状减振垫的纵向长度与减振槽的纵向长度匹配，且片状减振垫处于环向的下弧长与减振槽处于环向的弧长匹配。
[0018]
优选地，所述道床为预制结构，材料为c35钢筋混凝土，弹性模量在3.15*10
10
pa，泊松比为0.2，密度为2400kg﹒m-3
[0019]
优选地，所述的减振槽内嵌在封底管片本体的内弧面上，且减振槽的两端与隧道拼装产生的环缝贯通，减振槽的深度为20～50mm；所述封底管片本体的厚度为400～450mm，纵向宽度为1200～1500mm；封底管片本体在减振槽下方的内部钢筋进行加密处理。
[0020]
优选地，所述的拼缝安装部包括环缝手孔、纵缝手孔，且环缝手孔中设置有环缝螺栓孔，而纵缝手孔中则设置有纵缝螺栓孔。
[0021]
本发明的另一个技术目的是提供一种盾构隧道，为拼装式结构，包括若干片沿纵向布置的环管片，每一片环管片，均通过两块以上的弧状管片沿着环向拼接形成，且每一片环管片中，处于底部的弧状管片，为上述的预制减振型封底管片。
[0022]
有益效果：
[0023]
与现有技术相比，本发明在管片的内弧面道床范围部分设有减振槽，减振槽内部有减振垫，上部列车产生的振动传递至减振垫时，可依据减振垫材料的阻尼效果和减振垫-道床形成的支撑特性实现减振目的。因此，本发明的有益效果有：
[0024]
(1)使得管片具有减振功能；
[0025]
(2)与浮置板轨道减振相比，不用增加轨道基础结构的高度，有利于对隧道内有限空间的利用。
附图说明
[0026]
图1是本发明所述第一种预制减振型封底管片(减振垫呈散点状)的结构示意图；
[0027]
图2是本发明所述第二种预制减振型封底管片(减振垫呈条状)的结构示意图；
[0028]
图3是本发明所述第三种预制减振型封底管片(减振垫呈片状)的结构示意图；
[0029]
图1至3中：减振槽1；减振垫2；道床3；环缝手孔4；环缝螺栓孔5；纵缝手孔6；纵缝螺栓孔；
[0030]
图4a为减振垫呈散点状分布时的有限元模型动力学分析示意图；
[0031]
图4b为减振垫呈条状分布时的有限元模型动力学分析示意图；
[0032]
图4c为减振垫呈片状分布时的有限元模型动力学分析示意图；
[0033]
图5a为减振垫呈散点状分布时，提取管片和减振垫的振动加速度云图；
[0034]
图5b为减振垫呈条状分布时，提取管片和减振垫的振动加速度云图；
[0035]
图5c为减振垫呈片状分布时，提取管片和减振垫的振动加速度云图；
[0036]
图6为三种减振垫分布(散点、条状、片状)情况下的减振效果对比图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0038]
如图1至3所示，本发明所述的预制减振型封底管片，为盾构隧道的主体结构的一部分，位于圆环状盾构隧道的底部，用于支撑道床，包括圆弧状封底管片本体，封底管片本体的内弧面在两侧对称地设置有拼缝安装部，道床沿着封底管片本体的弦线布置，所述封底管片本体在与道床正对的内弧面设有减振槽，减振槽内部设有减振垫，减振垫的厚度大于减振槽的槽深；所述道床为预制结构，且道床的下表面直接通过减振垫支撑在封底管片本体的上部，且道床处于横向的两端与封底管片本体的内弧面之间存在满足工程需要的间隙。由此可知，本发明所述的预制道床的支撑仅依赖于布置在封底管片内弧面上的减振垫，则列车运行所产生的振动传递过程为：
[0039][0040]
简而言之，本发明列车运行所产生的振动会随着预制道床传递，进而通过位于道床与封底管片之间的减振垫减振，导致上部振动在向下传递的传播途径中受到阻隔效果。
[0041]
基于上述的预制减振型封底管片，本发明可以提供一种新构型的盾构隧道，该盾构隧道为拼装式结构，包括若干片沿纵向布置的环管片，每一片环管片，均通过两块以上的弧状管片沿着环向拼接形成，且每一片环管片中，处于底部的弧状管片的构造，均与上述的预制减振型封底管片的结构一致。具体地，为实现各弧状管片在纵向、环向的拼接，本发明所述的每一块弧状管片，均在内弧面的两侧对称地设置有拼缝安装部，拼缝安装部均包括环缝手孔、纵缝手孔，且环缝手孔中设置有环缝螺栓孔，而纵缝手孔中则设置有纵缝螺栓孔。环向拼装时，一一采用螺栓将相邻两块弧状管片之间所对应设置的环缝螺栓孔拼接成一体，从而构成所述的环管片；纵向拼装时，一一采用螺栓将相邻两片环管片之间所对应设置的纵缝螺栓孔拼接成一体，从而获得所述的盾构隧道。
[0042]
以下将结合附图详细地说明本发明的3个实施例。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1所示，本实施例所述的预制减振型封底管片，为盾构隧道的主体结构的一部分，位于圆环状隧道的底部。包括圆弧状封底管片本体，所述封底管片本体的内弧面开设有减振槽1，减振槽1内部有减振垫2，减振垫2上部为道床3。封底管片本体的内弧面两侧对称地设置有环缝手孔4、纵缝手孔6，环缝手孔4中有环缝螺栓孔5，纵缝手孔6中有纵缝螺栓孔。
[0045]
所述的减振槽1内嵌在封底管片本体的内弧面上，其两端与隧道拼装产生的环缝贯通，减振槽1深度为20～50mm。所述封底管片厚度为400～450mm，纵向宽度为 1200～
1500mm。减振槽1下方对应的封底管片本体内部的钢筋进行加密处理。减振垫2 厚度为40～70mm。减振垫的材料为聚氨酯等高分子弹性材料，弹性模量选值为1～10
×
10
6 pa，优选值为3
×
106pa，密度选值为1000～2000kg﹒m-3
，优选值为1300kg﹒m-3
。
[0046]
本发明之所以将减振垫的材料选定为聚氨酯，原因在于，聚氨酯与管片本身的材料橡胶混凝土相比，具有更小的弹性模量和更大的阻尼比，更有利于对振动波的衰减。
[0047]
减振垫2呈散点状布置在封底管片本体内弧面的中部位置处，并与上部的道床3正对，各散点状减振垫呈矩形阵列的方式布置在封底管片本体的内弧面，处于环向的相邻两个散点状减振垫之间的间距与所述散点状减振垫处于环向的下弧长l
下
一致，处于纵向的相邻两个散点状减振垫之间的间距与所述散点状减振垫的纵向长度一致。
[0048]
具体地，散点状减振垫的纵向长度为200mm，环向的上、下两条弧长l
上
、l
下
由下式计算：
[0049][0050][0051]
其中，r
道床
为道床下底面的半径、r
槽
为减振槽1弧面的半径。
[0052]
散点状减振垫2纵向布置间距为200mm，距环缝垂直距离为100mm。
[0053]
散点状减振垫2环向布置间距与其下弧长保持一致。
[0054]
振动传递过程：列车运行—产生列车激振力—激励道床结构3振动—振动加速度传递至减振垫2—减振垫阻尼消振—振动加速度衰减—实现减振功能。
[0055]
实施例2
[0056]
本实施例与实施例1的不同，仅在于减振垫在封底管片本体内弧面的布置方式，具体地，如图2所示，本实施例中，减振垫呈条状布置在减振槽内部，且每一条状减振垫的纵向长度与减振槽的纵向长度匹配，本实例中条状减振垫的纵向长度为3600mm，沿管片纵向贯穿，而处于环向的上弧长l
上
、下弧长l
下
分别由下式计算：
[0057][0058][0059]
其中，r
道床
为道床下底面的半径、r
槽
为减振槽弧面的半径。
[0060]
本实施例的其它部分与实施例1大致相同，在此不再赘述。
[0061]
实施例3
[0062]
本实施例与实施例1的不同，仅在于减振垫在封底管片本体内弧面的布置方式，具体地，如图3所示，本实施例中，减振垫呈片状布置在减振槽内部，片状减振垫的纵向沿管片纵向贯穿，环向长度与减振槽1的弧长一致。
[0063]
本实施例的其它部分与实施例1大致相同，在此不再赘述。
[0064]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0065]
针对不同减振需求，应采用不同的减振垫构造，具体如下：
[0066]
(1)需衰减振动10db以上的场景，建议采用片状减振垫。
[0067]
(2)需衰减振动15db以上的场景，建议采用条状减振垫。
[0068]
(3)需衰减振动20db以上的场景，建议采用散点状减振垫。
[0069]
为对比三种减振垫在实际列车运行情况下的减振效果，建立有限元模型进行动力学分析，三种减振垫的计算模型如图4a、4b、4c所示。
[0070]
提取管片和减振垫的振动加速度云图，可以得到振动加速度在模型中的分布情况。如图5a、5b、5c所示，可以看到减振垫层可有效隔离上部道床传递下来的振动，因此管片部分的振动加速度得到衰减，实现了较好的减振功能。
[0071]
为了进一步对比三种减振垫的减振效果，提取管片上特定点不同频率下的振动加速度如图6所示。可知其振动加速度峰值大小：片状＞条状＞散点状。故减振效果：散点状＞条状＞片状。