TBM 施工對(duì)地面建筑物振動(dòng)影響分析

田皓文

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和綜合國(guó)力的提高，TBM的施工設(shè)備和施工技術(shù)越來(lái)越成熟，TBM在山嶺隧道的施工中已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，但是在城市硬巖中，利用TBM施工地鐵隧道在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有先例。重慶軌道交通6號(hào)線TBM試驗(yàn)段工程為國(guó)內(nèi)首次將TBM應(yīng)用于城市地鐵隧道的掘進(jìn)施工項(xiàng)目。城市地鐵建設(shè)受城市特殊環(huán)境的限制，要求對(duì)環(huán)境的影響降低到最小，但是，TBM掘進(jìn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)地面建(構(gòu))筑物的影響程度以前還沒(méi)有具體的研究。

本文通過(guò)對(duì)重慶軌道交通6號(hào)線TBM施工段沿線重點(diǎn)建(構(gòu))筑物的振動(dòng)的測(cè)試分析，尋找TBM掘進(jìn)對(duì)地面建(構(gòu))筑物的影響規(guī)律、影響程度，為重慶軌道交通施工過(guò)程中的建筑物保護(hù)提供理論基礎(chǔ)，也為T(mén)BM在城市環(huán)境中的應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)和資料。

1 工程概況

重慶市軌道交通6號(hào)線五里店—紅土地區(qū)間(K17+300～K172+600)TBM試驗(yàn)段為雙線雙洞隧道，洞跨6 m，洞高6 m，左線與右線相距13．0 m～17．0 m。本段地貌上屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地面高程262 m～294 m，地形坡度一般5°～10°，局部坡度達(dá)40°。地質(zhì)構(gòu)造上屬于龍王洞背斜東翼，線路走向與地質(zhì)構(gòu)造線走向呈大角度相交。沿線上覆土層厚度0 m～8．6 m，主要為素填土及粉質(zhì)粘土。下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組厚層狀泥質(zhì)砂巖夾砂巖。

洞頂以上中等風(fēng)化砂巖厚18 m～39 m，為3．0倍～6．5倍洞跨，深埋隧道。巖體呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，巖體較完整。隧道圍巖基本級(jí)別為Ⅳ級(jí)，成洞條件好。

重慶市軌道交通6號(hào)線TBM試驗(yàn)段隧道在里程K17+418～K17+443穿過(guò)五童路接五里店立交橋臺(tái)，左線橋臺(tái)基底標(biāo)高265．0 m ～266．2 m，右線橋臺(tái)基底標(biāo)高 263．7 m ～264．5 m，橋臺(tái)基底距隧道頂中等風(fēng)化巖石厚度18．5 m～18．9 m，大于3倍隧道洞跨。

2 監(jiān)測(cè)振動(dòng)影響的目的

通過(guò)對(duì)重慶市軌道交通6號(hào)線TBM試驗(yàn)段振動(dòng)頻譜的分析，得到重慶市軌道交通6號(hào)線TBM試驗(yàn)段沿線橋臺(tái)振動(dòng)的基本規(guī)律，并且對(duì)其頻譜特性進(jìn)行分析，可以為分析重慶市軌道交通6號(hào)線TBM開(kāi)挖段的振源特性提供依據(jù)，同時(shí)，可對(duì)6號(hào)線TBM施工引起的沿線工業(yè)民用建筑物及橋梁等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)危害預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

3 測(cè)試方案制定

3．1 測(cè)試儀器

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行微振動(dòng)的通用測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)選擇了用于超低頻、低頻及高頻振動(dòng)測(cè)量的多功能儀器941B型測(cè)振儀，上述型號(hào)的測(cè)振儀采用無(wú)源閉環(huán)伺服技術(shù)，以獲得良好的超低頻特性。技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3．2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)試前對(duì)TBM施工沿線的地面環(huán)境的調(diào)查分析，測(cè)試時(shí)選擇了五里店立交至五童路段道路主1線20號(hào)右橋臺(tái)作為主要的振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4．1 測(cè)試結(jié)果

在TBM掘進(jìn)狀態(tài)下，五里店立交至五童路段主1線20號(hào)右橋臺(tái)左側(cè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的頻譜分析圖如圖2～圖5所示。

表1 941B型拾振器主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 TBM掘進(jìn)狀態(tài)下，橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)頻譜分析圖

橋臺(tái)振動(dòng)規(guī)律小結(jié):TBM施工對(duì)橋臺(tái)的振動(dòng)影響直接與掌子面距離橋臺(tái)的距離相關(guān)。TBM掌子面距離橋臺(tái)距離越近，橋臺(tái)所受振動(dòng)影響越大。TBM在通過(guò)橋臺(tái)60 m左右時(shí)，其對(duì)建筑物振動(dòng)影響開(kāi)始明顯減弱。

圖3 TBM掘進(jìn)狀態(tài)下，橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)與距離關(guān)系圖

4．2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

1)TBM掘進(jìn)參數(shù)與橋臺(tái)振動(dòng)關(guān)系。TBM掘進(jìn)施工參數(shù)與振動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

2)刀盤(pán)不同轉(zhuǎn)速下橋臺(tái)振動(dòng)情況。2010年1月2日進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下橋臺(tái)振動(dòng)情況測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與分析見(jiàn)表3，圖6。

表2 TBM掘進(jìn)時(shí)橋臺(tái)振動(dòng)測(cè)試情況表

通過(guò)TBM刀盤(pán)不同轉(zhuǎn)速橋臺(tái)振動(dòng)情況分析得知，當(dāng)TBM的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在3 r/min～4 r/min時(shí)，其振動(dòng)速度達(dá)到峰值，隨著轉(zhuǎn)速的增加，橋臺(tái)的振動(dòng)速率會(huì)趨于減小，在TBM施工過(guò)程中，為減小施工引起的振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的影響，轉(zhuǎn)速盡量控制在4 r/min以上。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)分析，得出如下結(jié)論:

1)一般情況下，TBM施工引起的橋臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，垂直振動(dòng)速度峰值最大在4 mm/s以下，主頻14．4 Hz～48 Hz;一般振動(dòng)速度峰值均在1 mm/s以下。水平振動(dòng)速度峰值最大在3 mm/s以下，一般振動(dòng)速度峰值均在1 mm/s以下，主頻4．4 Hz～48 Hz。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，TBM掘進(jìn)引起的橋臺(tái)振動(dòng)屬于“若結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度峰值位于3．5 mm/s～5 mm/s之間，則對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性和正常使用有一定影響，但影響較小，視結(jié)構(gòu)的重要性決定是否采取減振措施”。

圖4 TBM掘進(jìn)狀態(tài)下，橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)頻譜分析圖

2)TBM在砂巖中掘進(jìn)時(shí)，振動(dòng)峰值曾短暫出現(xiàn)過(guò)20 mm/s，但是持續(xù)時(shí)間比較短暫，因此對(duì)橋臺(tái)影響的時(shí)間比較短暫，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響比較小，故不需要采取減振措施。

3)掌子面距離對(duì)振動(dòng)速度的影響:從TBM施工對(duì)橋臺(tái)的振動(dòng)影響分析得知，TBM對(duì)建(構(gòu))筑物振動(dòng)速度的影響直接與TBM掌子面距離建(構(gòu))筑物的距離相關(guān)，距離越近，對(duì)建(構(gòu))筑物的影響越大，距離越遠(yuǎn)對(duì)建(構(gòu))筑物的影響越小。

圖5 TBM掘進(jìn)狀態(tài)下，橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)與距離關(guān)系圖

表3 TBM掘進(jìn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速下橋臺(tái)振動(dòng)情況測(cè)試表

圖6 不同轉(zhuǎn)速橋臺(tái)振動(dòng)情況曲線圖

4)TBM刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)的影響:當(dāng)TBM的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在3 r/min～4 r/min時(shí)，其振動(dòng)速度達(dá)到峰值，隨著轉(zhuǎn)速的增加，橋臺(tái)的振動(dòng)速率會(huì)趨于減小，在TBM施工過(guò)程中，為減小施工引起的振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的影響，轉(zhuǎn)速盡量控制在4 r/min以上。

綜上所述，TBM在城市環(huán)境中掘進(jìn)，只要隧道的埋深滿足TBM掘進(jìn)的要求，振動(dòng)對(duì)地面建筑物的影響基本在可控范圍內(nèi)，對(duì)地面建筑物產(chǎn)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)比較小。但是，由于振動(dòng)波在地層中傳播受到干擾的因素比較多，TBM掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)反應(yīng)到建筑物上時(shí)，其特征變化比較頻繁，振動(dòng)對(duì)建筑物影響的機(jī)理還不明確，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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