砂卵石地層盾構(gòu)施工誘發(fā)振動(dòng)環(huán)境影響試驗(yàn)研究

第一作者陶連金男，博士,教授，博士生導(dǎo)師，1964年1月生

砂卵石地層盾構(gòu)施工誘發(fā)振動(dòng)環(huán)境影響試驗(yàn)研究

陶連金1，郭飛1，黃俊2，李積棟1，安軍海1

(1．北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100124；2．中建三局人防與地下空間設(shè)計(jì)院，武漢 430071)

摘要：針對(duì)北京西部地區(qū)砂卵石地層埋深淺、粒徑大、分布廣，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的振動(dòng)易傳至地表對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響等，對(duì)北京地鐵某區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場振動(dòng)測(cè)試。通過埋設(shè)地層、地面及隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間-空間同步監(jiān)測(cè)，獲取測(cè)試區(qū)間盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析振動(dòng)頻域特性及空間衰減規(guī)律，并對(duì)地表振動(dòng)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究表明，砂卵石地層盾構(gòu)施工振動(dòng)主要為刀盤刀具切割土體產(chǎn)生的振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)及運(yùn)輸車輛產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)地表影響較小。刀盤附近振動(dòng)主頻分布于30 Hz以上，而橫斷面地表遠(yuǎn)離刀盤40 m處衰減至20 Hz以下。測(cè)點(diǎn)振幅大小與刀盤、測(cè)點(diǎn)間相對(duì)位置有關(guān)，地表振幅大小依次為刀盤前方測(cè)點(diǎn)、刀盤兩側(cè)測(cè)點(diǎn)、刀盤后方測(cè)點(diǎn)，刀盤處地表振級(jí)達(dá)80 dB，遠(yuǎn)離刀盤20～30 m時(shí)衰減至60 dB以下。

關(guān)鍵詞：砂卵石地層；盾構(gòu)施工；振動(dòng)；現(xiàn)場試驗(yàn)；衰減規(guī)律；頻域

基金項(xiàng)目：國家自然科技

收稿日期：2014-02-28修改稿收到日期：2014-08-19

中圖分類號(hào):U455.43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Field tests for environment vibration induced by shield tunneling in sand gravel layer

TAOLian-jin1,GUOFei1,HUANGJun2,LIJi-dong1,ANJun-hai1(1.The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2. CCTEB civil defense and Underground Space Institute Wuhan 430071, China)

Abstract:The sand gravel layers in Beijing western region are of characteristics of shallow burial depth and large particle size. The influence of environment vibration induced by shield construction in sand gravel layer is significant. Field vibration tests were carried out in an interval tunnel of Beijing. Vibration data in construction process were simultaneously collected at buried strata points, ground points and measuring points in tunnel. The frequency domain characteristics of vibration and the rule of spatial attenuation were analysed and the environmental influence assessment was discussed. It is shown that the vibration is mainly due to collision between cutter tool and gravel particles. The vibration caused by machines and transport vehicles has little effect on ground environment. The main frequency of vibration near cutter head is mainly distributed at more than 30 Hz. The main frequency at measuring point away from cutter head about 40 m on the surface of cross-section decreases to below 20 Hz. The vibration amplitudes at measuring points are related to the relative position between cutter head and measuring points, whose levels are in order as follows points ahead of the cutter head, points on both sides of the cutter head, points behind the cutter head. The vibration level in vertical direction on ground near the cutter head is about 80 dB and it decays to 60 dB away from cutter head about 20 m to 30 m.

Key words:sand gravel layer; shield construction; vibration; field-test; attenuation law; frequency domain

城市軌道交通已成為緩解擁擠、改善出行方式及環(huán)境的最佳選擇。多數(shù)城市軌道均通過建筑物及人口密集區(qū)域，引起的振動(dòng)易對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。已有諸多對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生原因、傳播規(guī)律、控制措施及對(duì)人體危害等因素進(jìn)行研究，但主要集中于運(yùn)營階段，對(duì)軌道交通建設(shè)階段誘發(fā)振動(dòng)研究較少，只有針對(duì)盾構(gòu)施工誘發(fā)振動(dòng)特性的研究[1]。

北京地區(qū)處于軌道交通建設(shè)高峰期，西部地區(qū)砂卵石地層埋深淺、土顆粒徑大、級(jí)配良好、結(jié)構(gòu)緊密，砂卵石層較其它砂土、黏性土剛性大，高頻振動(dòng)在該地層中傳播時(shí)能量損耗較少[2-3]。砂卵石地層中盾構(gòu)施工產(chǎn)生的振動(dòng)主要為掘進(jìn)過程中刀具切割土體與卵石顆粒碰撞[4]、渣土運(yùn)輸車輛因臨時(shí)鋪軌不平順及設(shè)備等，振動(dòng)中高頻成分居多，易傳至地表對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，北京地鐵曾有多個(gè)區(qū)間出現(xiàn)盾構(gòu)施工誘發(fā)振動(dòng)擾民及民擾事件。本文對(duì)北京地鐵某區(qū)間隧道，通過對(duì)地表振動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行時(shí)、頻域分析，總結(jié)振動(dòng)在地表的振動(dòng)傳播規(guī)律及特點(diǎn)，分析地表環(huán)境影響。可為類似工程地表環(huán)境振動(dòng)影響評(píng)價(jià)及施工工藝優(yōu)化提供參考。

1現(xiàn)場測(cè)試

1.1測(cè)試條件

測(cè)試線路為北京地鐵某區(qū)間右線隧道，結(jié)構(gòu)外徑6.0 m，襯砌厚度0.3 m，測(cè)試地點(diǎn)及周邊環(huán)境見圖1。該區(qū)段隧道平均埋深約12 m，覆土主要分3層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石圓礫。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)大部分位于卵石、漂石④層，亞圓形，級(jí)配連續(xù)，磨圓度中等，一般粒徑2～6 cm，最大粒徑大于10 cm，細(xì)中砂充填30%～40%。隧道拱頂所處地層主要為新近沉積卵石、圓礫③層，亞圓形為主，一般粒徑2～5 cm，最大粒徑小于20 cm，細(xì)中砂充填約20%～40%，卵石層顆粒分析見表1。盾構(gòu)刀盤為六輻條六面板式，刀具含撕裂刀、刮刀、碎石刀、仿形刀、周邊保護(hù)刀等，刀盤開口率 41%。盾構(gòu)刀盤配置見圖2。

圖1　測(cè)試地點(diǎn)及周邊環(huán)境 Fig.1 Environment around test site

圖2　盾構(gòu)設(shè)備 Fig.2 Shield machine

表1　卵石層顆粒分析

1.2測(cè)點(diǎn)布置

考慮盾構(gòu)掘進(jìn)施工特點(diǎn)，現(xiàn)場主要對(duì)地表垂直加速度、隧道中線方向水平加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。縱斷面布設(shè)5組測(cè)點(diǎn)，分地表測(cè)點(diǎn)、地層測(cè)點(diǎn)，每組測(cè)點(diǎn)間距8 m，地表測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)水平向加速度(依次記為B6、B8、B10、B12、B14)、垂直向加速度(依次記為B7、B9、B11、B13、B15)，地層測(cè)點(diǎn)只監(jiān)測(cè)垂直加速度。考慮振動(dòng)波傳播空間規(guī)律及地層差異，深層測(cè)點(diǎn)埋深分別為8 m、4 m、8 m、4 m、7 m，其中D1、D3、D5位于卵石圓礫層中，D2、D4位于粉質(zhì)黏土層，見圖3。

圖3　縱斷面測(cè)點(diǎn)布置(單位：m) Fig.3 Arrangement of measuring points in tunnel

為記錄盾構(gòu)距橫斷面一定距離到穿越斷面整個(gè)過程，從隧道中線向臨近建筑物方向布置2個(gè)橫斷面，分別布設(shè)5組測(cè)點(diǎn)，間距分別為7 m、9 m、9 m、15 m，其中第一組測(cè)點(diǎn)位于刀盤前方，第二組測(cè)點(diǎn)位于刀盤后方，前四組測(cè)點(diǎn)分別監(jiān)測(cè)垂直、水平向加速度，最遠(yuǎn)處測(cè)點(diǎn)只設(shè)置垂直加速度傳感器，作為環(huán)境背景振動(dòng)記錄點(diǎn)。見圖4。

圖4　橫斷面測(cè)點(diǎn)布置方案 Fig.4 Arrangement in cross-section

1.3測(cè)試方法

本次測(cè)試系統(tǒng)由WS-5921數(shù)據(jù)采集儀、941B超低頻加速度傳感器、信號(hào)放大器、計(jì)算機(jī)及電纜組成。測(cè)試前對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試過程及方法據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入采集狀態(tài)連續(xù)采集，數(shù)據(jù)采樣頻率200 Hz，記錄盾構(gòu)掘進(jìn)全過程持時(shí)約25 min。測(cè)試記錄盾構(gòu)掘進(jìn)穿越縱斷面全過程，橫斷面測(cè)點(diǎn)在盾構(gòu)距橫斷面約8 m時(shí)開始記錄。振動(dòng)數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)平均法除趨勢(shì)項(xiàng)[6]，由于現(xiàn)場測(cè)試數(shù)據(jù)海量，限于篇幅，本文主要介紹分析盾構(gòu)刀盤位于縱斷面典型位置時(shí)掘進(jìn)引起的振動(dòng)特性及空間傳播規(guī)律。

2測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)現(xiàn)場地面調(diào)查與初步測(cè)試結(jié)合識(shí)別出盾構(gòu)施工振源為掘進(jìn)時(shí)刀盤刀具切割土體與卵石顆粒碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)、設(shè)備臺(tái)車機(jī)械振動(dòng)及臺(tái)車后部運(yùn)輸電瓶車因軌道不平順產(chǎn)生的振動(dòng)，其中地面感知最明顯的為刀盤掘進(jìn)誘發(fā)的振動(dòng)，即刀盤刀具與地層相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)。由盾構(gòu)掘進(jìn)流程，三種振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間及空間均不同，各測(cè)點(diǎn)時(shí)、頻域特性差異較大，而刀盤與地層作用產(chǎn)生的振動(dòng)衰減及地表環(huán)境影響為研究重點(diǎn)。

2.1掘進(jìn)振動(dòng)信號(hào)特性

由埋設(shè)地層測(cè)點(diǎn)知，埋深8 m處測(cè)點(diǎn)與刀盤最接近，振動(dòng)信號(hào)呈明顯隨機(jī)性，振動(dòng)頻帶較寬，主要分布在20～90 Hz。刀盤后方地層測(cè)點(diǎn)D3處時(shí)程曲線與自功率譜見圖5。由圖5看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于刀盤正上方或前方時(shí)振動(dòng)峰值加速度小于1 m/s2，刀盤穿過測(cè)點(diǎn)斷面后振動(dòng)峰值加速度衰減較快，明顯小于刀盤上方或相同距離前方。刀盤前測(cè)點(diǎn)地表水平加速度值大于垂直加速度值，刀盤兩側(cè)及后方垂直加速度與水平值相當(dāng)。

圖5　測(cè)點(diǎn)信號(hào)及其自功率譜 Fig.5 Auto-power spectrum of measuring point signal

2.2掘進(jìn)所致振動(dòng)衰減規(guī)律

2.2.1地表橫向振動(dòng)加速度有效值衰減規(guī)律

對(duì)振動(dòng)橫向傳播監(jiān)測(cè)分兩階段，第一階段在刀盤前方(位于區(qū)間隧道的738環(huán))設(shè)置橫斷面1，盾構(gòu)掘進(jìn)過程不斷靠近斷面1，記錄盾構(gòu)掘進(jìn)4環(huán)振動(dòng)數(shù)據(jù)，見圖6。盾構(gòu)向監(jiān)測(cè)斷面掘進(jìn)時(shí)垂直、水平向加速度有效值衰減曲線見圖7。由圖7看出，隧道中線測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度值增大明顯，垂直加速度有效值由0.02 m/s2增大到0.03 m/s2；水平加速度由0.03 m/s2增大至0.045 m/s2；遠(yuǎn)離中線處測(cè)點(diǎn)衰減較快，垂直加速度距中線25 m處有放大現(xiàn)象。第二階段在刀盤后方(第743環(huán))設(shè)置橫斷面2，記錄盾構(gòu)從747環(huán)向751環(huán)掘進(jìn)的過程(圖6)。盾構(gòu)刀盤后方垂直、水平向加速度衰減曲線見圖8。由圖8看出，橫斷面振動(dòng)加速度隨盾構(gòu)遠(yuǎn)離而不斷減小，隧道中線測(cè)點(diǎn)垂直加速度由0.02 m/s2減小到0.015 m/s2；水平加速度由0.03 m/s2減小至0.02 m/s2；

圖6　測(cè)點(diǎn)布置與隧道環(huán)位置關(guān)系 Fig.6 Arrangement of measuring points and the location of the tunnel ring diagram

圖7　盾構(gòu)向監(jiān)測(cè)斷面掘進(jìn)時(shí)地表測(cè)點(diǎn)加速度衰減曲線 Fig.7 Shield the acceleration at the site of the surface monitoring advance decay curve

圖8　盾構(gòu)刀盤后方地表測(cè)點(diǎn)加速度衰減曲線 Fig.8 Shield the site of the knife dish rear surface acceleration attenuation curve

垂直加速度亦有放大現(xiàn)象。隧道中線附近，無論盾構(gòu)刀盤位于測(cè)點(diǎn)前方或后方，水平加速度均大于垂直加速度。

2.2.2縱向振動(dòng)加速度有效值衰減規(guī)律

測(cè)點(diǎn)D1～D5記錄盾構(gòu)穿越縱斷面過程地層垂直加速度，D1/D3/D5處于卵石層，D2/D4位于粉質(zhì)黏土層，相對(duì)地表B7/B9/B11/B13/B15及B6/B8/B10/B12/B14記錄穿越過程隧道中線垂直、水平加速度。

盾構(gòu)穿越測(cè)試縱斷面過程中地層測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值衰減曲線見圖9。由圖9看出，測(cè)點(diǎn)位于刀盤前方時(shí)地層垂直加速度較大；D1點(diǎn)位于刀盤前方約9 m時(shí)D3作為卵石層測(cè)點(diǎn)與刀盤間距大于D2，但加速度明顯大于粉質(zhì)黏土層測(cè)點(diǎn)D2，振動(dòng)在砂卵石地層傳播時(shí)中高頻成分未被過濾，D2處因粉質(zhì)黏土層濾波作用使加速度減小，說明砂卵石地層利于中高頻振動(dòng)傳播。低頻振動(dòng)時(shí)砂卵石地層阻尼比基本一致，但高頻振動(dòng)時(shí)阻尼比明顯減小，能量耗散減少。

縱斷面地表垂向、水平加速度有效值衰減曲線見圖10、圖11。由兩圖看出，與橫斷面測(cè)點(diǎn)結(jié)果類似，刀盤后方地層測(cè)點(diǎn)振動(dòng)衰減較快，刀盤前方水平、垂直加速度均衰減較慢。

圖9　盾構(gòu)穿越監(jiān)測(cè)斷面時(shí)地層測(cè)點(diǎn)加速度衰減曲線 Fig.9 Shield through the monitoring section formation point acceleration attenuation curve

圖10　縱斷面地表垂直向加速度衰減曲線 Fig.10 Vertical acceleration attenuation curve profile surface

2.2.3三分之一倍頻程譜分析

三分之一倍頻程譜作為頻域分析方法具有譜線少頻帶寬等特點(diǎn)，常用于聲學(xué)、人體振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等測(cè)試分析。按我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，中心頻率為1 Hz、1.25 Hz、1.6 Hz、2.0 Hz、2.5 Hz、3.15 Hz、4 Hz、5 Hz、6.3 Hz、8 Hz、10 Hz，…。三分之一倍頻程譜上下限頻率與中心頻率之關(guān)系[7-8]為

圖11　縱斷面地表水平向加速度衰減曲線 Fig.11 The acceleration attenuation curve profile surface level

三分之一倍頻程譜帶寬為Δf=fu-fl，其中fl為下限頻率，fc為中心頻率，fu為上線頻率。先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，計(jì)算幅值譜，再用幅值譜數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)中心頻率帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)平均值，從而獲得三分之一倍頻程譜值。

采用MATLAB編程對(duì)地表橫、縱斷面測(cè)點(diǎn)分別加速度信號(hào)進(jìn)行三分之一倍頻程譜分析，比較各測(cè)點(diǎn)主頻沿監(jiān)測(cè)斷面距離變化規(guī)律。盾構(gòu)刀盤位于D4、D5之間時(shí)橫、縱斷面測(cè)點(diǎn)三分之一倍頻程譜見圖12、圖13。A1/A2位于隧道中線地表，A7/A8距隧道中線25 m，A9距隧道中線40 m。隧道中線地表，刀盤附近測(cè)點(diǎn)均以中高頻為主，主要集中于60～100 Hz。地表橫斷面測(cè)點(diǎn)A9處振動(dòng)主頻衰減至20 Hz以下，縱斷面測(cè)點(diǎn)頻率衰減不明顯，尤其砂卵石地層測(cè)點(diǎn)D1、D2在一定程度上受刀盤后方設(shè)備及運(yùn)輸車輛振動(dòng)影響，致中高頻部分基本未衰減，但幅值相對(duì)較小。

圖12　橫斷面測(cè)點(diǎn)三分之一倍頻程譜 Fig.12 One-third octave spectrum value of measurement points in cross section

圖13　縱斷面測(cè)點(diǎn)三分之一倍頻程譜 Fig.13 One-third octave spectrum value of measurement points in longitudinal section

2.3地表環(huán)境影響

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO2631[9-10]及GB10070-88[11]規(guī)定，鉛垂向Z振級(jí)計(jì)算式為

計(jì)算得盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤附近地表鉛垂向振級(jí)見圖14。由圖14看出，刀盤上方地表最大振級(jí)在80～90 dB之間。該區(qū)間沿線區(qū)域城市功能劃分屬于居民、文教區(qū)，據(jù)規(guī)定，居民、文教區(qū)晝夜振動(dòng)加速度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值分別為70 dB、67 dB。刀盤附近振動(dòng)對(duì)地表影響較大，感知明顯，掘進(jìn)過程對(duì)地表建筑及居民生活產(chǎn)生影響。而遠(yuǎn)離刀盤20～30 m處地表振動(dòng)加速度級(jí)則低于國家規(guī)定要求。

圖14　地表振級(jí)計(jì)算 Fig.14 Calculation of vibration level on ground

3結(jié)論

針對(duì)刀盤掘進(jìn)誘發(fā)振動(dòng)的時(shí)空復(fù)雜性，采用現(xiàn)場時(shí)間-空間同步方式進(jìn)行測(cè)試。通過多個(gè)工點(diǎn)、不同粒徑、不同型式盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，獲得卵石地層刀盤掘進(jìn)誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)特性及傳播規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)砂卵石地層盾構(gòu)施工振動(dòng)主要為刀盤刀具切割土體產(chǎn)生的振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)及運(yùn)輸車輛所致振動(dòng)對(duì)地表影響較小。

(2)刀盤掘進(jìn)振幅值在空間上具有明顯規(guī)律性，其中刀盤上方及前方幅值最大，且水平幅值大于豎向；其次為刀盤兩側(cè)振幅值，水平向與豎直向幅值相當(dāng)；后方幅值最小，水平向與豎直向幅值相當(dāng)。

(3)掘進(jìn)誘發(fā)地層振動(dòng)頻率在幾赫茲到100 Hz均有分布，振動(dòng)傳播過程中頻率有所衰減，松散地層土體中高頻衰減較快。

(4)刀盤附近地表振動(dòng)感知明顯，刀盤掘進(jìn)振動(dòng)影響范圍在20 m左右，刀盤附近地表最大Z振級(jí)超過80 dB，離刀盤約20～30 m振級(jí)低于60 dB。

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