An efficient methodology based on two-and-a-half-dimensional finite element and boundary element methods for ground-borne vibration radiated by underground railway tunnels and the re-radiated noise emitted inside them

Abstract

This thesis presents a methodology for assessing induced ground-borne vibration due to Underground railway infrastructures in the context of an urban environment. The methodology is based on a comprehensive numerical approach for modelling track/tunnel/soil systems considering a full-space model of the ground. This approach is formulated in the wavenumber-frequency domain and it is based on coupled finite element-boundary element method. An axisymmetric formulation to deal with circular underground railway tunnels is included in the approach in order to improve the computational speed of the methodology. This formulation can also be used for other types of railway tunnels if a circular boundary of the boundary element mesh is considered. The developed approach also includes asymptotic solutions of the Green's functions for large wavenumbers which results in an improvement of the accuracy of the overall methodology. A hybrid methodology which uses semi-analytical solutions of a cavity in a full-space in conjunction with the previously described approach has been developed with the aim of computing the energy flow radiated upwards by underground railway tunnels. Since this methodology uses finite elements to model the tunnel structure, its modelling detail is higher than the previously developed methodologies based on semi-analytical modelling of the tunnel structure. This hybrid methodology has been specifically designed for the study the vibration radiation of railway tunnels, the comparison between them and for the study of the insertion loss of mitigation measures at the sources, as soft rail-pads, under-ballast or under-slab mats, dynamics vibration absorbers, etc. In this thesis, this hybrid methodology is used to perform a comparison of the energy flow radiated upwards by various types of underground railway tunnels. Finally, a modelling approach for the re-radiated noise induced by a train passage inside railway tunnels is presented. This approach is based on the weak coupling between the comprehensive numerical approach for modelling track/tunnel/soil previously described and a two-and-a-half-dimensional boundary element method model for interior acoustics. Using this modelling approach, the influence of the fastener stiffness on the noise and vibration levels inside a simple tunnel as well as the relation between the noise emitted by the rails or the tunnel structure is investigated and discussed. Esta tesis presenta una metodología para evaluar la vibración inducida a través del terreno debido a infraestructuras ferroviarias soterradas en el contexto de un entorno urbano. La metodología se basa en un enfoque numérico integral para modelar sistemas de vía/túnel/terreno considerando un modelo de espacio completo del terreno. Este enfoque está formulado en el dominio de la frecuencia del número de onda y se basa en el método de los elementos finitos y el método de los elementos de contorno acoplados. Para mejorar la velocidad de cálculo de la metodología, se incluye una formulación axisimétrica para tratar túneles ferroviarios circulares. Esta formulación también se puede utilizar para otros tipos de túneles ferroviarios si se considera un contorno circular para la malla de elementos finitos. El enfoque desarrollado también incluye soluciones asimptóticas de las funciones de Green para grandes números de onda que resultan en una mejora de la exactitud de la metodología general. Se ha desarrollado una metodología híbrida que utiliza soluciones semi-analíticas de una cavidad en un espacio completo junto con el enfoque descrito anteriormente con el objetivo de calcular el flujo de energía de vibración radiado hacia arriba por túneles ferroviarias. Dado que esta metodología utiliza elementos finitos para modelar la estructura del túnel, su detalle de modelado es más alto que las metodologías desarrolladas anteriormente basadas en el modelado semi-analítico de la estructura del túnel. Esta metodología híbrida ha sido diseñada específicamente para el estudio de la radiación de vibración de túneles ferroviarios, la comparación entre ellos y para el estudio de la pérdida de inserción de medidas de mitigación, como suelas de baja rigidez, mantas bajo balasto o bajo losa, absorbentes de vibraciones dinámicos, etc. En esta tesis, esta metodología híbrida se utiliza para realizar una comparación del flujo de energía irradiado hacia arriba por varios tipos de túneles de ferrocarril subterráneo. Finalmente, se presenta un enfoque de modelado para el ruido re-irradiado inducido por un paso de tren dentro de los túneles ferroviarios. Este enfoque se basa en un acoplamiento débil entre el enfoque numérico integral para modelar el sistem vía/túnel/terreno descrito anteriormente y un modelo basado en método de los elementos de contorno 2.5D para la acústica interior del túnel. Usando este enfoque de modelado, se investiga y se discute la influencia de la rigidez de las fijaciones de carril en los niveles de ruido y vibración dentro de un túnel simple, así como la relación entre el ruido emitido por los carriles y la estructura del túnel.