基于流固耦合的过江隧道振动噪声预测研究文献综述

一、选题背景和意义：

1、交通环境振动

交通环境振动，是指由地面、地下或高架有轨或无轨交通运载车辆所产生的，传播至地表环境的具有与车辆运动状态相关的持续性小幅振动，感受这种振动的时长是365 天/年，16~18 小时/天(200~600 列次/天/线)。对于暴露于其中的建筑结构以及建筑物内的艺术作品、振动敏感设备、人或动物等可能产生不利影响。长期暴露于这种交通环境振动中，可能致使结构薄弱部位的耐久性降低、壁画或雕塑等艺术品损伤、振动敏感设备无法正常工作。振动以及诱发的建筑结构二次噪声的影响，还会使人的工作、生活质量下降，甚至影响身心健康。

这种振动的影响频率范围一般在200Hz 以内，显著频率在20~80Hz 之间，经地层衰减后，通常地表振动速度响应峰值不超过1 mm/s 或最大Z 振级不超过85dB（地面交通车辆的，距离行车道30m 以内区域除外）。这种交通环境振动的响应强度，随距行车道横向距离的增加呈“起伏式”衰减，其显著频率的振动影响范围，土质地层条件下，在行车道两侧100m 以内，而较低频率的振动影响可达200m 以上。

2、噪声对长江江豚的影响

长江江豚是窄背脊江豚的一个亚种，即扬子亚种，主要分布于从宜昌到上海的长江中下游干流及其相连的洞庭湖和鄱阳湖。大量研究表明，长江江豚的种群数量水平较低且连年下降，至2012 年底，长江江豚的种群数量仅剩约1040 头，其中鄱阳湖约为450 头，洞庭湖约为90 头，长江干流约为500头。长江江豚作为唯一的江豚淡水亚种，2013 年被世界自然保护联盟（IUCN）列为“极危级”。根据统计，在1984~1991 年间洞庭湖长江江豚的种群数量为104 头；1997~1999 年的调查数据显示洞庭湖长江江豚的种群数量为100~150头；2012年长江淡水豚考察结果估计洞庭湖现有长江江豚种群数量约90头。长江江豚的生存形势极为严峻，其不仅要面临酷捕滥捞、航运交通、水体污染、水利工程和非法渔业等威胁，还要面临各种水上作业的振动噪声污染的影响。

长江江豚具有发达的回声定位能力，它们依靠声呐来探测目标、感知外界环境等，如果它们的听力被噪声损伤，将对它们的生活有严重的影响。在哺乳动物中，听力损伤通常用在某一频率或带宽上听力阈移的变化来表示，可分为暂时性听力阈移（TTS）和永久性听力阈移（PTS）。TTS 和PTS 都会导致动物听觉能力实际的改变，通常在某个频率或带宽上比较敏感。由于各种因素的制约，到目前为止还没有引起鲸类动物PTS 的实验研究报道，但一般认为重复的TTS 会导致PTS，特别是当动物还没有从先前的TTS 恢复过来又暴露在另一噪声环境中或者是长时间待在导致其TTS 的噪声环境中。国外学者对噪声引起长江江豚的TTS 以及恢复做了研究，使长江江豚暴露在一定量噪声之后对其听觉进行测试，结果显示长江江豚在强度为140dB re 1mu;Pa 的32 kHz 单频噪声环境中暴露3min，会导致其对45kHz 的声音产生TTS 高达20dB re 1mu;Pa，并且要18min 才可恢复。

水上和水下工程所产生的水下噪声对江豚的听力和声交流能够造成干扰，轻者对其个体造成惊吓，屏蔽动物群体的声交流信号，重者将可能造成暂时甚至永久性听力丧失。随着世界各国对海洋资源不断深入的开发，海上工程的数量及规模都在增加，水下噪声已经对鱼类和海洋哺乳动物的生境产生严重威肋。以斑海豹违例，根据美国NOAA于2009年发表的物种状况评审报告指出，西北太平洋各区域的斑海豹都遭受到了不同程度的生境恶化影响;南部区域即包括我国黄渤海区域和日本海区域在内的斑海豹，遭到的主要影响因素为人为捕杀和海洋人类活动，如钻井石油工程、海上航船运输及水下噪声等。此外，持续性噪声造成的累积效应将使它们对天敌和船只危害的警觉度下降，同时长期在同一水域存在的噪声将迫使动物放弃在施工海域内的活动。

此外，相关研究表明较大。由于长江江豚的低频声信号多与个体间的交流通讯、情感表达有关，船舶航行、水上施工等低频噪声可能会干扰甚至屏蔽长江江豚个体间的联络，对母子豚的潜在影响尤为严重。母子豚一旦受惊分散，难以快速恢复联络(声信号和听觉被掩盖)，受惊的幼豚易发生意外，造成幼豚的成活率降低。实际上长江江豚本身的生殖率就很低，雌江豚怀胎11 个月，每胎只产一仔，小江豚需要在母江豚的保护、帮助下才能生存。

因此，对长江江豚的保护和重视刻不容缓。

3、工程概况

研究对象为南京市江宁区新济洲应急水源项目，输水管道从长江水下的盾构结构过江到达新济洲，截面形式见下。本次研究选取了位于长江横向水位最深处的盾构结构的一部分（12m长），计算输水管道中水体和管道经流固耦合后产生的振动效应，并预测结构振动产生的水下噪声水平，以此来评估噪声对长江江豚的影响。

二、课题关键问题及难点：

图1 供水管线廊道横断面布置图（1:50）

如图1所示，为所建盾构结构横截面，关键问题及难点如下：

1、有限元模型的尺度，划分单元的尺度大小以及划分单元的数量，根据计算划分；

2、管道与支墩之间的接触条件模拟；

3、三维人工边界的设置；

4、流固耦合振动分析及与声学模型的振动边界条件的映射关联。

三、文献综述（或调研报告）：

张云聪，张巍，孙可等人的研究^[1]表明，盾构隧道内车辆通行对隧道产生动力作用，可能导致隧道周围软土层产生较大沉降。可以对大直径越江公路隧道内衬砌与路面板在车辆荷载激励下的振动特性进行现场实测，获得时域与频谱信号，分析得到管片与箱涵底板的最大垂向加速度幅值与振动优势频率，以发现箱涵底板与隧道管片垂向振动同步的规律。本研究对象与其一致，为盾构隧道，不同点在于；隧道尺寸小（此过江隧道半径6.62m，研究对象隧道半径2.75m），水流作为激励力比车辆作为激励力产生的影响小，同时本设计不适用与现场实测。因此，本设计采用计算机软件建模并计算的研究方法，预期所得振动优势频率小于此过江隧道实测频率（50~80Hz）。

根据李艳华, 柳贡民, 张寅豹的研究结果^[2]，本设计可利用Fourier变换，把经典的横向振动经典4方程模型从时域变换到频域，实现了对流体管道横向振动的频域分析。并可利用研究所得的传递矩阵法计算变径管、不同材料组合管段等不同特性参数的组合管。

宋晓东，吴定俊，李奇的研究结果^[3]表明，2.5维无限元计算结果与三维边界元基本一致。精度很高，且由于模型简单，对计算机要求低，其计算时间大幅降低。

根据刘子豪的研究结果^[4]，地铁隧道结构的动力响应呈明显的周期性变化。隧道结构的底部动力响应幅度要明显高于边墙和顶部，加速度响应和位移响应在仰拱中心处最大，但主应力响应在边墙和仰拱交接处最大;隧道结构的动力响应随着列车速度增加有明显的增幅，列车速度改变对隧道结构加速度影响较大，而对主应力响应的影响较小;列车轴重的改变对隧道结构的主应力响应和位移响应的影响程度要明显大于加速度响应;改变轨道结构型式，对隧道结构的位移响应和应力响应的影响较小，但对加速度响应影响较大;矩形隧道的的基底和边墙交接处存在应力集中现象，其主应力响应明显大于圆形隧道和马蹄形隧道。由此可推测，本设计中流体的动力响应应呈周期性变化，动力响应应随水流速度增加有明显增幅。

苏冠龙研究了中华白海豚与斑海豹的声学特性^[5]，在研究中，苏冠龙采集了厦门海域中华白海豚的click、whistle 及burst-pulse 的声信号，对斑海豹采集了发声、受吓时的威胁声以及喂食求食时的发声信号，使用Adobe Audition 和Matlab 编程对声信号进行了分析。以此为基础，分析了打桩噪声对中华白海豚以及斑海豹听觉的影响。

张天赐等人以江苏镇江和畅州水域为对象^[6]，采集和分析了船舶噪声，并指出船舶噪声会掩蔽江豚的发声信号，从而干扰江豚之间的交流，过高的船舶噪声还会对江豚的听觉造成影响，引起暂时性阈移(TTS)或者永久性阈移(PTS)。为了减少打桩施工、交通振动对长江江豚带来影响，对施工以及运营中的桥梁、隧道等所可能产生的噪声进行预测和评估是十分有必要的。这将有助于对噪声进行控制，以及对噪声可能产生的结果进行预防，采用驱逐、设立保护区等措施来避免对江豚产生过多的影响。

信号分析表明，打桩波形类似于由多个不同频率组成的一系列短脉冲，主频能量分布在100hz～2khz之间，最大值出现200hz左右。最佳拟合的浅水声传播模型给出了在1m处的均方根声源水平为208.2db re 1mu;Pa，传输扩展系数为17.76，吸收系数为0.015db/m，这是Yang L、Xu X、Huang Z等人的研究结果^[7]。此外，研究区域靠近港珠澳大桥建设区。虽然本文对监测条件（包括桩径、锤击能量、环境背景等）缺乏详细的描述，但本文为浅水区沉桩的水下噪声监测与分析提供了一种新的方法，可供设计参考。

正如Kastelein R A , Schop J , Hoek L等人所研究的^[8]，采用标准心理声学技术，在低环境噪声条件下，对一只2岁雄性港湾江豚的听觉敏感度进行了测量。测量窄带1s扫描（中心频率：0.125-150kHz）的听觉灵敏度。听力图呈U形，最佳听力范围（最大灵敏度10db以内）为13～140kHz。最大灵敏度（阈值: 39db re 1mu;Pa）出现在125 kHz时，为港湾江豚产生的回声定位脉冲的峰值频率。32和63kHz时灵敏度降低。灵敏度在16kHz以下每倍频程下降10db，在125kHz以上急剧下降。本设计经过计算得出的振动结果可以与此研究的结果进行对比，以评价出噪声对长江江豚的影响。

如Charalampos, Mouzakis, Konstantinos等人所研究^[9]，利用淤泥列车作为线性源，可以作为估算敏感受体（邻近建筑物）正立面处从隧道反转到土壤表面传递函数的可靠激励。本研究的传递函数可用于地表噪声和振动的计算。当地面振动通过同一土壤类别传播时，观察到距离的增加会导致更高的衰减，同时低频时的衰减比高频时的衰减高得多。对于刚性土，振动衰减比具有较高衰减特性的软土要小，两种土壤在低频时比在高频时的衰减差异较大。软土层的存在导致了与土壤协调的频率的振动增加。查阅本设计盾构隧道位置处的土壤勘探资料，土壤类别大致分为两类：粉细砂与安山岩。两者的动弹性模量相差很大，参考本文献，研究结果中振动的衰减规律应与此文献相同。

根据陈涛等人的研究^[10]，本设计管道类似于其研究中所建T形有压管流模型，进行流固耦合计算时可以借鉴其经验。

参考文献

1. 张云聪,张巍,孙可, 等.大直径越江公路盾构隧道振动特性测试分析[J].南京工程学院学报（自然科学版）,2015,(2):7-11. uarr;

2. 李艳华,柳贡民,张寅豹.流体管道横向振动的频域传递矩阵法[J].振动工程学报,2009,22(6): 597-602. uarr;

3. 宋晓东,吴定俊,李奇.基于无限元的2.5维方法预测轨道交通混凝土桥梁低频噪声[J].振动工程学报,2015,28(6):929-936. uarr;

4. 刘子豪.列车荷载作用下地铁隧道结构的动力响应研究[D].北京：北京交通大学硕士学位论文，2017. uarr;

5. 苏冠龙.水下打桩噪声对我国珍稀海洋哺乳动物（中华白海豚与斑海豹）的影响研究[D].厦门：厦门大学硕士论文，2013. uarr;

6. 张天赐,居涛,李松海, 等.长江和畅洲江段大型船舶的噪声特征及其对长江江豚的潜在影响[J].兽类学报,2018,38(6):543-550. uarr;

7. Yang L , Xu X , Huang Z , et al. Recording and Analyzing Underwater Noise During Pile Driving for Bridge Construction[J]. Acoustics Australia, 2015, 43(2):159-167. uarr;

8. Kastelein Ronald A,Schop Jessica,Hoek Lean,Covi Jennifer. Hearing thresholds of a harbor porpoise (Phocoena phocoena) for narrow-band sweeps.[J]. The Journal of the Acoustical Society of America,2015,138(4). uarr;

9. Charalampos, Mouzakis, Konstantinos, et al. Assessing subway network ground borne noise and vibration using transfer function from tunnel wall to soil surface measured by muck train operation.[J]. The Science of the total environment, 2018. uarr;

10. 陈涛,王武,刘延雷, 等.压力管道典型结构的流固耦合数值仿真[J].化工装备技术,2018,39(1):35-38. uarr;