盾構機穿越地下連續墻引起既有車站振動的實測與分析

周洋 肖鵬飛 馮志耀 劉奧林 楊澤斌 王樹英

摘 要：為探明盾構機穿越既有車站地下連續墻誘發的車站結構振動響應規律，通過現場實測的方法，監測盾構刀盤切削地連墻過程中引起的振動，并對振動影響進行評價。研究結果表明，停機狀態下，背景振動的主頻為30.8 Hz，磨墻過程中，刀盤產生振動主頻為89.3 Hz，相比于背景振動，磨墻產生的振動加速度峰值和有效值至少增加一個數量級；振動波傳遞至車站顯著衰減，加速度峰值最大衰減率能達到近98.35%；除了31.5 Hz，車站測點各頻段的最大振級均小于規范控制值；盾構穿墻引起車站結構振動速度為1.3 mm/s，小于國內外規范給定的標準值。

關鍵詞：盾構隧道；盾構機；振動；下穿；地下連續墻；現場實測

中圖分類號：U231.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0161-11

Abstract：To investigate the vibration response law of station structure vibration induced by shield machine passing through the underground diaphragm wall of the existing station， the vibration caused by the shield cutter head cutting the underground diaphragm wall was measured by the method of field measurement， and the impact of the vibration was evaluated. The research results showed that the main frequency of the background vibration was 30.8 Hz in the stop state， and the main frequency of the vibration generated by the cutter head was 89.3 Hz in the process of cutting the wall. Compared with the background vibration， the peak value and effective value of the vibration acceleration generated by the cutting wall increased at least one order of magnitude. The vibration wave transmitted to the station was significantly attenuated， and the maximum attenuation rate of the acceleration peak value can reach nearly 98.35%. Except for 31.5 Hz， the maximum vibration level of each frequency band of the station measurement point were all smaller than the standard control value. When the shield tunneling through the underground diaphragm wall， the maximum response value of the vibration speed was 1.3 mm/s， which was less than the standard value given by domestic and foreign specifications.

Keywords：Shield tunnel; shield machine; vibration; underpass; underground diaphragm wall; field measurement

基金項目：國家自然科學基金項目（52022112）

第一作者簡介：周洋，高級工程師。研究方向為隧道與地下工程。E-mail： 771728502@qq.com

*通信作者：王樹英，博士，教授。研究方向為隧道與地下工程。E-mail： sywang@csu.edu.cn

0 引言

隨著城市軌道交通建設需求的日益高漲，盾構法施工因其安全、高效等優勢，已經成為一種主要的施工方法。在地鐵隧道修建過程中，由于換乘等需求，新建地鐵隧道有時需要近距離下穿既有地鐵車站，且由于既有車站的地連墻結構往往深入車站底板以下一定的深度，勢必會出現盾構機刀盤切削地下連續墻的情況。而在刀盤與玻璃纖維混凝土墻體接觸并緩慢磨墻的過程中，不可避免地會產生振動，進一步地會誘發上部車站結構振動，輕則引起車站結構出現微裂痕，影響車站結構正常使用，嚴重時還會導致結構出現不均勻變形和屏蔽門脫軌等風險，危及列車運營安全。因此有必要研究盾構機刀盤磨墻引起的既有車站結構振動問題。

關于盾構機施工過程中誘發的振動問題，國內外學者開展了大量研究。王鑫等[1]通過在盾構機內布置測點獲得了盾構掘進狀態下的振動速度時程曲線，并發現掘進地層中卵石層占比越大，刀盤產生的振動越大。張波等[2]基于現場實測探究了盾構機在砂卵石層掘進過程中產生的振動規律及其傳播規律，同樣發現卵石含量是導致刀盤產生振動增大的主要原因。New[3]對卡地夫電纜隧洞施工引起的振動規律進行研究，認為盾構機直徑與地層條件是影響盾構施工振動大小的主要因素。Hiller等[4]研究了盾構掘進過程中造成的地面振動影響，并對引起的地表振動響應水平進行了探究。郭飛等[5]通過現場監測，識別出盾構施工誘發振動主要由刀盤與地層相互作用、渣土運輸車輛和盾構內部設備引起，并發現刀盤掘進誘發振動頻帶較寬，主頻主要集中于20～90 Hz。郭飛等[6]依托蘭州某砂卵石地層盾構隧道，通過隧道和地表同步采集三向振動加速度，研究盾構施工誘發振動在地表50 m×50 m范圍內的時域、頻域傳播規律。楊龍[7]利用FLAC軟件建立二維動力分析模型，分析了TBM開挖過程中的振動問題，發現低頻振動對地表的影響較大，施工振動的影響范圍在4～6倍洞徑內。黃明利等[8]采用現場測試手段監測TBM掘進時地表橋臺及圍巖巖石的振動響應，認為對振動影響最大的因素為地質條件及刀盤轉速，并得到了刀盤轉速與振動的對應關系。仇兆明[9]采用現場測試的方法評估了盾構施工誘發微電子工業廠區的振動影響。綜上所述，現有關于盾構施工振動的研究主要集中在盾構機與土層相互作用，特別是卵石地層，以及振動波在土層中的傳播規律。尚未有學者研究過盾構機下穿越既有車站過程中磨墻誘發車站結構的振動問題。

為此本研究依托南寧地鐵5號線下穿既有1號線廣西大學站工程，通過對下穿期間盾構機內部以及車站進行振動測試，揭示了盾構穿越地下連續墻誘發車站結構的振動響應規律，并依據振動控制相關規范，對地鐵車站振動風險進行了評估。以期提升對盾構機磨墻穿越既有車站圍護結構過程中車站結構振動規律及風險的認識水平，供今后類似工程參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

南寧地鐵5號線新廣區間范圍內主要揭露第四系、古近系及泥盆系地層，包括素填土層、粉質黏土層、粉土層、粉砂層、圓礫層、粉砂質泥巖和碳質泥巖層，整個區間隧道的覆土厚度為10.5～20 m。地下水類型主要包括上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水，且地下水主要賦存于砂層及圓礫層中（圖1）。由圖1可知，下穿1號線廣西大學站主要穿越地層為上部圓礫土，下部粉砂質泥巖。

1.2 隧道設計施工概況

南寧地鐵5號線新廣區間右線總長1 322.9 m，區間上覆土厚度約19 m，采用土壓平衡盾構施工。新建區間隧道以55°的水平夾角下穿既有廣西大學站，下穿過程中刀盤需磨穿地連墻，地連墻為C30玻璃纖維結構，厚度為0.8 m，如圖2所示。既有車站主體為兩層三跨矩形結構，結構頂板覆土約1.5 m，底板埋深約16.5 m，下穿段隧道拱頂與既有車站底板最小凈距僅2.6 m。

采用的是中鐵裝備的CTE6250型盾構機，整機總長約80 m，開挖直徑6 280 mm。盾構機刀盤的基本結構采用準面板結構設計，如圖3所示，刀盤整體開口率為34%，中心開口率為38%。刀具布置如下：中心可更換撕裂刀為6把，正面可更換撕裂刀為6把，單刃滾刀為16把，單刃鑲齒滾刀為12把，邊刮刀為12把，刮刀為40把，焊接撕裂刀為12把，超挖刀為1把。

1.3 工程問題

在盾構機刀盤切削地連墻過程中，刀盤會與玻璃纖維混凝土以及圓礫地層等介質接觸，刀盤與其相互作用時會產生振動，振動波再經地連墻直接向車站結構傳遞，或是通過土層向車站傳播，從而誘發車站結構振動。容易造成車站結構出現微裂痕，影響車站結構正常使用，甚至還會導致結構出現不均勻變形和屏蔽門脫軌等風險，危及車站日常運營。并且不同的介質與不同的掘進參數引起的振動是不一樣的，振動整體呈現出較大的隨機性。因此刀盤磨墻是下穿期間最重要的一個施工環節，是決定工程質量的關鍵所在。

2 現場振動測試

2.1 測點布置

2.1.1 盾構機內測點布置

盾構機掘進誘發的振動較為復雜，除了盾構刀盤磨墻引起的振動，盾構機內部多個運行裝備也會產生一定的振動，其中磨墻產生的振動為主要的振源。本研究重點考慮的是盾構刀盤磨墻引起的振動，但是由于刀盤轉動和密封艙的存在，無法對刀盤直接進行振動測試。考慮盾構機內的實際情況，最終選擇在靠近刀盤的人艙處設置測點DNZ-1，如圖4所示。測試該處的三向加速度，包括豎向加速度、橫向加速度和縱向加速度，測試儀器如圖5所示。

2.1.2 車站結構測點布置

南寧1號線廣西大學站主體為兩層三跨矩形結構形式，擬定于車站內布設5個測點，位于第一道地連墻上方的軌道區，如圖6和圖7所示。其中CZZ-1和CZZ-2布置于車站負二層結構側墻上，車站結構側墻與地連墻相接，在盾構機磨地連墻期間有發生開裂的風險，因此在側墻處的測點主要采集其垂直墻體方向的加速度信號。軌行區布置有2個測點，CZZ-3位于基礎處，CZZ-4位于鋼軌處，軌行區更多的是關注其是否會發生脫軌的風險，因此該處測點主要采集其豎向加速度信號，CZZ-5位于屏蔽門底座，采集豎向加速度信號。

2.2 測試方案

2.2.1 測試過程

振動測試采用的是由MGCplus數據采集儀和Silicon Designs Model 2220系列加速度傳感器組成的數據采集系統。測試時間選擇在1號線地鐵運行的天窗期內（0：00—3：00），測試對象為既有車站結構的側墻、軌行區和屏蔽門等關鍵構件。當盾構機即將穿越地連墻時，首先在測點DNZ-1和CZZ1-4位置布置加速度傳感器，并將上述加速度傳感器與采集系統相連接，待盾構機開始磨墻時，通過遠程控制同步采集加速度數據。整個測試流程遵循國家標準《城市區域環境振動測量方法》（GB 10071—1988）[10]，并利用MATLAB等軟件對采集到的數據進行基線校正、濾波等處理分析工作[11-12]。

2.2.2 采樣頻率的選擇

對于測試中采樣頻率的選擇，應滿足奈奎斯特采樣定理[13]，即采樣頻率必須高于信號成分中最高頻率的2倍，保證信號的準確性，通常希望采樣頻率大于信號頻率約5倍。對于盾構掘進引起的振動，由于無法確定其振動信號成分中的最高頻率。因此在測試時分別將采樣頻率設置成50、100、200、300、400、600、1 200 Hz。

對各采樣頻率下振動信號的加速度峰值及加速度有效值進行分析，加速度峰值即指整段時間內的加速度絕對值最大值，加速度有效值則是指該段時間內振動信號加速度幅值的平均值，通過式（1）計算得到

式中：arms為加速度有效值；T為測試總時間；a（t）為某一時刻的加速度值。

圖8為不同采樣頻率下振源處豎向加速度峰值及加速度有效值，由圖8可知，隨著采樣頻率的增大，二者均呈現出增大的趨勢，當采樣頻率達到600 Hz時，采樣頻率加速度有效值基本不再發生變化，因此在振動測試中可將采樣頻率選定為600 Hz，以保證信號的準確性。

3 測試結果分析

3.1 背景振動

由于所測的振動主要包含2部分，一部分是目標振源所產生的振動，這部分振動在所測到的振動中占主要部分；另一部分是背景振動，這部分振動相比于目標振源所產生的振動，雖然量值很小，但是很難避開。在盾構機穿越地下連續墻時，除了刀盤磨墻產生的振動外，盾構機內的一些后配套設備也會產生一些振動，這部分振動即為背景振動。為了測試背景振動，選擇在盾構機停機狀態進行測試。圖9為盾構停機時測點的三向加速度時程曲線，由圖9可以看，出盾構在停機狀態下也存在一定的振動，此振動是由于盾構機內后配套設備運行的影響產生的；豎向加速度峰值及振動幅度均稍大于橫向、縱向加速度峰值及振動幅度；盾構停機狀態下，豎向加速度峰值為0.014 7 m/s2，加速度有效值為0.003 8 m/s2；橫向加速度峰值為0.015 6 m/s2，有效值為0.002 9 m/s2；縱向加速度峰值為0.011 0 m/s2，有效值為0.001 9 m/s2。圖10為環境振動加速度的頻譜圖，環境振動加速度的豎向、橫向和縱向主頻基本一致，均為30.8 Hz左右。

3.2 盾構機內振動分析

3.2.1 盾構機內測點的時域分析

圖11為盾構穿越地連墻掘進狀態下測點處的三向加速度時程曲線，相比于背景振動，穿墻時加速度振動幅度提升了至少一個數量級，進一步說明了盾構下穿地連墻時，刀盤與地連墻相互作用是產生振動的主要原因。對該振動信號的加速度峰值及加速度有效值進行分析，加速度峰值即指整段時間內的加速度絕對值最大值，加速度有效值則是指該段時間內振動信號加速度幅值的平均值[14]。與停機狀態相比，掘進時豎向加速度峰值從0.014 7 m/s2增大至0.498 0 m/s2，加速度有效值從0.003 8 m/s2增大至0.077 9 m/s2；橫向加速度峰值從0.015 6 m/s2增大至0.558 0 m/s2，加速度有效值從0.002 9 m/s2增大至0.084 0 m/s2；縱向加速度峰值從0.011 0 m/s2增大至0.679 0 m/s2，加速度有效值從0.001 9 m/s2增大至0.095 6 m/s2；加速度峰值和有效值提升了一個數量級，變化如圖12所示。

3.2.2 盾構機內測點的頻域分析

圖13為盾構機內測點三向加速度的頻譜圖。

在盾構磨墻過程中，豎向振動以30～100 Hz的中高頻為振動主頻帶。橫向振動同樣以30 Hz以上的中高頻為振動主頻帶，30～100、150～230 Hz均為其主頻帶。縱向振動則出現了多個主頻帶，分別為20～40、100～120、170～200、210～240 Hz，同樣為中高頻。三者的第一主頻均為89.3 Hz。

3.3 車站結構振動分析

3.3.1 車站測點時域分析

盾構穿越地連墻時車站測點的加速度時程曲線如圖14所示。

由圖14可以看出，掘進時側墻處測點1、測點2的加速度振動幅度基本相當，均在0.005 m/s2附近。軌行區測點3及測點4的時程曲線加速度出現了很明顯的突增現象，其余時刻加速度振動幅度穩定在0.005 m/s2處。而屏蔽門測點5與其他測點相比振動更不穩定，振動幅度也遠大于其他測點，加速度峰值達0.01 m/s2以上，表明施工振動傳遞至屏蔽門時，由混凝土結構到屏蔽門過程中出現一定增大的現象。

3.3.2 車站測點頻域分析

圖15為測點加速度時程曲線對應的傅里葉頻譜圖。結構側墻2個測點的縱向振動主頻在20～100 Hz頻段。軌行區2個測點的豎向振動以中高頻為主，測點3的主頻帶為30～90 Hz，測點4的主頻帶為65～95 Hz，140 Hz也有分布。與盾構測點相比較，振源振動傳遞至車站豎向振動主頻衰減不明顯，仍以中高頻為主，而縱向振動100 Hz以上的高頻傳遞至車站后大幅衰減。

3.4 振動衰減

從上述加速度時程曲線中提取峰值加速度，對比分析從盾構機內到車站結構處加速度峰值的變化情況，峰值加速度衰減率（η）[15]定義為

式中：ac為盾構機內振源處的加速度峰值；ad為車站結構各測點的加速度峰值。

由圖16和圖17可知，從盾構機內部振源位置到既有車站的各測點，振動波均發生顯著衰減，其中側墻上2側點的峰值加速度衰減率為98.35%（CZZ-1）和98.25%（CZZ-2）；軌行區2側點的峰值加速度衰減率為93.8%（CZZ-3）和90.96%（CZZ-4）；屏蔽門底座上測點的峰值加速度衰減率為71.49%。屏蔽門相比于其他測點加速度衰減的要小，是因為屏蔽門采用不銹鋼材質布置于站臺邊緣，其自身結構穩定性差，因此在微弱的振動激勵下也能產生較大幅度的振動。

4 車站振動的環境與安全評價

4.1 環境評價

1/3倍頻程譜是一種常用的振動測試頻域分析方法[11]。1/3倍頻程濾波器是恒百分比帶寬濾波器，其定義為

式中：fu為恒百分比帶寬濾波器的上限頻率；fl為恒百分比帶寬的下限。

1/3倍頻程表示在任意2個相差1倍的頻率內正好有3個帶寬[16]。橫百分比帶寬分析下的中心頻率fc表示為

現有研究扣除背景振動的方法常采用振級修正法[17-18]。根據我國頒布的《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》[19]，加速度振級的定義為

式中：La為振動加速度級，dB；ar為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準加速度值，a0=10-6m/s2。

在評價振動對環境的影響，常常將振動加速度級轉化為振級（VLZ）。其定義為

式中：La，i為第i個中心頻率上所測得的振動加速度級，dB；Wi為該頻率上的記權因子，dB。

進一步地，可以計算扣除環境振動盾構振動，公式為

式中，VLZ、VLZ1和VLZ2分別代表包含背景振動的盾構振動、背景振動和扣除背景振動后的盾構機振動。

對車站內各測點進行1/3倍頻程計算，得到各測點的1/3倍頻程振級結果如圖18所示。結構側墻（高）和結構側墻（低）的縱向加速度低頻振級要大于中高頻振級，而道床基礎以及鋼軌的豎向加速度振級均在25 Hz處達到最大，屏蔽門處的最大豎向加速度振級位于31.5 Hz處，最大值為77.97 dB。地鐵車站附近為商業住宅混合區，根據GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》[20]規定，混合區的晝夜振動加速度振級標準值分別為75、72 dB，車站測點各頻段的最大振級均小于規定標準值。盡管車站測點多數頻段的最大振級小于規定標準值，但31.5 Hz處的振級可能會超出規定的標準值，建議磨墻期間有必要采取合適的減振措施來減小因盾構磨墻引起車站振動的影響。

4.2 結構安全評價

對振動加速度進行積分，得到各測點的振動速度，其中車站結構最大振動速度達1.3 mm/s，如圖19所示。國內外對于建筑物的安全振動控制標準，已經陸續實行了一些技術標準。我國頒布的《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[21]中則明確規定了地鐵結構的振動速度安全控制指標值需小于或等于2.5 cm/s。總的來說，盾構穿墻引起車站結構振動速度最大響應值顯著小于規范給定的標準值，說明盾構穿墻對車站結構的影響不是很大。

5 結論

依托南寧地鐵5號線下穿既有1號線廣西大學站工程，通過現場振動測試獲得盾構穿越地連墻期間盾構機內及車站結構的振動數據，探究盾構磨墻誘發的車站振動響應規律，并進行了相應的振動評價，得到了以下主要結論。

1）盾構停機狀態下，背景振動的豎向加速度峰值及振動幅度均稍大于橫向、縱向加速度峰值及振動幅度，三者的主頻基本一致，均為30.8 Hz左右。在盾構機磨墻過程中，三向加速度的峰值和有效值至少增加了一個數量級，其中豎向加速度峰值為0.498 m/s2，橫向加速度峰值為0.558 m/s2，縱向加速度峰值為0.679 m/s2，三者的主頻均為89.3 Hz左右。

2）振源振動經由地連墻以及地層的傳遞至車站產生了顯著衰減，其中側墻上兩側點的加速度峰值的衰減率為98.35%（CZZ-1）和98.25%（CZZ-2）；軌行區兩側點的加速度峰值的衰減率為93.8%（CZZ-3）和90.96%（CZZ-4）；屏蔽門底座（CZZ-5）上測點的加速度峰值的衰減率為71.49%。

3）從車站測點的1/3倍頻程振級圖可以看出，結構側墻處的縱向加速度低頻振級要大于中高頻振級，道床、鋼軌及屏蔽門處的最大豎向加速度振級位于中頻段。車站測點多數頻段的最大振級小于規范所規定的標準值，但31.5 Hz處的振級仍有可能會超出標準值。

4）盾構穿墻引起車站結構振動速度最大響應值為1.3 mm/s，小于國內外規范給定的標準值。

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[21]中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通結構安全保護技術規范：CJJ/T 202—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical code for protection structures of urban rail transit： CJJ/T 202-2013[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2014.