軟土地層盾構掘進對精密儀器廠房振動影響的實測研究

劉加華 蔣 通

（1.上海申通地鐵集團有限公司技術中心 ，201103，上海；2.同濟大學結構工程與防災研究所，200092，上?！蔚谝蛔髡?，高級工程師）

高科技園區或高等研究所等機構往往設置有精密加工線或精密儀器和設備。當城市軌道交通線路途徑上述區域時，其施工及運營期間引起的振動，均有可能使上述精密設備出現信噪比低、數據不準、重復性變差、準確度下降，甚至不能正常工作等問題。近年來的事例有：北京地鐵4號線近距離經過北京大學物理試驗樓，北京地鐵10號線途經中國科學院微電子所，北京地鐵16號規劃線路經過北京大學精密儀器試驗樓，上海軌道交通2號線近距離途經張江高科園區等。隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，將越來越多地面臨這類問題。目前，國內外對這類問題的研究絕大部分集中在運營期間的振動影響實測及分析［1－4］，對施工期間的振動影響研究則極為少見。本文結合上海某工程實例，通過實測分析了軟土地層條件下采用盾構法施工引起周邊環境振動的水平，以及不同掘進參數對振動的影響，通過與精密儀器設備相關標準的容許振動值進行對比研究，為工程建設和管理提供技術依據。

1 精密儀器設備的容許振動值

容許振動值是指保證精密儀器、設備能正常工作時其支撐結構處的最大振動量值。國內對精密儀器與設備的容許振動值在GB 50463—2008《隔振設計規范》［5］中規定了光刻設備在頻域為4～80Hz范圍內的容許振動值。目前《電子工業防微振工程技術規范》正在制定中，其中對精密設備、儀器的容許振動值也進行了相應規定。鑒于精密儀器和設備的用途不同、制造商眾多，且隨著納米、微電子、光電等技術的不斷發展，對設備制造與檢測的精度要求也在不斷提升。目前，國際上尚未形成統一的技術標準，引用較為廣泛的標準為VC準則和NIST－A準則。VC準則最早于1983年由Eric Ungar和Colin Gorden針對振動敏感設備而提出，原應用于半導體制造領域，后由美國環境科學與技術學會（IEST）所采納。該學會發布的指導性文件《潔凈室設計的考慮》推薦使用該準則［6］，并被世界各國相關標準所引用。VC準則采用振動速度的均方根值（RMS）作為評價量，對豎向、水平正交的兩個方向共三個軸向分別評價。NIST－A準則最早于上世紀90年代由美國國家標準與技術研究院（NIST）先進測量實驗室提出，原應用于計量科學，后在納米科學領域被普遍采用。NIST－A準則在1／3倍頻程中心頻率為20 Hz以上時，與VC準則的VC－E曲線一致，但在20 Hz以下頻段時采用0.025μm的位移作為評價指標。

2 振動測試項目概況

上海城市軌道交通線路某區間施工采用外徑6.2m的單圓盾構，覆土厚度約12m。盾構區間沿既有道路呈東西走向，與微振動敏感建筑物平行。該建筑物位于線路北側，距離線路最近側的下行線162m，地面的地勢平坦空曠（見圖1）。該振動敏感建筑物為12英寸規格硅片的主生產廠房，在鄰近線路側配置諸多精密檢測設備的失效分析實驗室。廠方根據生產要求，提出設備容許振動應滿足VC準則的VC－D曲線標準（以下簡為VC－D標準）。

圖1 某振動測試項目平面示意圖

2.1 測試目的及步驟

測試主要目的是：在盾構掘進施工經過廠區之前，對其所引起的場地振動影響做出評估，據此提出相應的措施，以保障敏感建筑物不受施工的影響。

研究工作分為兩個步驟：①在盾構掘進施工通過主廠房之前，在距離主廠房20m時對盾構掘進施工的振動影響進行現場測試分析，了解盾構掘進施工引起場地振動的分布特點，評估其對主廠房場地振動的影響；并提出相應的措施，以保障盾構掘進施工通過主廠房時不影響主廠房的正常生產。②在盾構掘進施工通過主廠房時，進行現場監測，實時了解盾構掘進施工振動對主廠房生產的影響，并研究盾構掘進不同技術參數對激發環境振動的影響規律，檢驗所提出的相關措施的有效性。

2.2 數據采集與處理

對每個測點截取振動速度樣本（不少于20條），計算每條速度樣本值，并取所有樣本速度的平均值作為該測點該時段的評價值?？傻酶鳒y點的東西方向、南北方向和豎向三個方向的速度1／3倍頻程的平均值。

3 測試結果與分析

3.1 盾構通過廠房前的測試

盾構掘進通過廠房前第一次測線距離廠房西側邊緣約20m，其布置如圖1所示。測線上1～6號各測點與盾構掘進中心線的距離分別為3.1m、7.9 m、85.1m、93.0m、113.0m 和162.0m。

3.1.1 不同測試條件下的結果

根據測試時現場的實際情況，分為三種測試環境狀態：平靜環境狀態（即盾構掘進不作業，地面道路無重載車輛行駛）、盾構掘進環境狀態（即盾構掘進正在作業，地面道路無重載車輛行駛）和重載車輛通過地面道路狀態（盾構掘進不作業）。

在這三種測試環境狀態下，各測點實測振動速度1／3倍頻程平均值分布如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可見：

1）平靜環境狀態下：在第1、2號測點處存在較大的背景振動，這是由于這兩個測點鄰近道路，背景振動為道路的一般車輛通行所引起；而在廠區內的第3、4、5、6號點處振動速度隨著離線路中心的距離增加而迅速衰減，各點振動速度平均值均不超過VC－D標準。

2）在盾構掘進環境狀態下：臨近掘進隧道的第1、2號測點處顯現出盾構掘進的主要振動頻率南北方向和豎向為單頻12.5Hz；東西方向為2.5Hz、6.3Hz和12.5Hz三個頻率；而在廠區內的第3、4、5、6號點振動速度迅速衰減，各點振動速度平均值均不超過VC－D標準。

圖2 各測點振動速度1／3倍頻程平均值（南北方向分量）

圖3 各測點振動速度1／3倍頻程平均值（東西方向分量）

圖4 各測點振動速度1／3倍頻程平均值（豎向分量）

3）重載車輛通過地面道路狀態下：臨近隧道的第1、2號測點處顯現出載重土方車激發出的主要振動頻率為4～6Hz，而且測點速度三分量的平均值都有大幅增加（與平靜環境狀態相比，增大10倍以上；與盾構掘進環境狀態相比，增大1.7倍以上），特別是豎向振動速度大大超過盾構掘進引起的振動（增大3倍以上）。盡管在廠區內的第3、4、5、6號點的振動速度依然迅速衰減，但地面重載交通使各測點速度三個方向分量的平均值都有大幅增加，特別是豎向振動速度大大超過盾構掘進引起的振動。

3.1.2 鄰近廠房的豎向振動

現對鄰近廠房的6號測點豎向振動實測結果進行進一步分析。圖5～圖7分別給出了平靜時段、盾構掘進時段和地面載重土方車通過時段所有振動速度實測樣本的1／3倍頻程。由圖7～圖9可見：

1）夜間安靜時段實測結果：圖7中的粗橫線為VC－D標準，各速度樣本的1／3倍頻程都處于VC－D標準值以下；廠區場地的環境振動沒有超過VC－D標準。

2）盾構掘進施工時段實測結果：在圖6中的樣本大多數處于VC－D標準以下，少數樣本略有超過，而平均值達標。這表明盾構掘進施工對場地的振動是有影響的，需要采取適當的控制措施，但影響有限。

3）地面載重土方車行駛時段實測結果：在圖7中的30個樣本均大大超過VC－D標準值，表明載重土方車對場地振動有很大影響。

圖5 6號測點處安靜時段測試結果（豎向分量）

圖6 6號測點處盾構掘進時段測試結果（豎向分量）

圖7 6號測點處地面載重土方車經過時段測試結果（豎向分量）

3.1.3 減小施工振動影響的措施

根據現場測試數據的分析結果，提出以下2項減振措施：

1）在盾構掘進時降低掘進速度；

2）嚴格控制載重土方車通過鄰近敏感建筑的地面道路。

3.2 盾構通過廠房時的測試

第二次實測的目的有兩個：一是檢驗不同盾構掘進參數對其激發環境振動的影響；二是驗證減振措施的有效性，并檢測盾構掘進通過時引起環境振動是否符合VC－D標準的要求。第二次測線布置在失效分析實驗室前（見圖1），測線上1～4號測點與掘進中心線的距離分別為63.0m、87.4m、111.0m和162.0m。

3.2.1 三種不同掘進工況的對比

在控制盾構掘進速度的前提下，為進一步了解盾構掘進速度對地面振動的影響，在盾構通過隧道265、266、267環時分別采用了不同的掘進速度，形成三種掘進工況（具體技術參數如表1所示）。各環掘進時各測點的振動速度1／3倍頻程如圖8～圖10所示。

表1 盾構掘進技術參數

從圖8～圖10的結果分析可得出：

1）盾構掘進參數（刀盤扭矩、土壓力、推力、推進速度等）對距掘進線路63m以外的場地環境振動影響不大，三種工況下的環境振動水準大致相同。

2）盾構掘進引發的地面環境振動中，測點速度的三個分量大小可以此排列為豎向分量＞南北向分量＞東西向分量。在距線路中心線110m以內場地上的豎向速度平均值1／3倍頻程結果略大于VCD標準，而南北向、東西向的水平速度分量滿足VCD標準。據線路中心線110m以外場地上的南北向、東西向和豎向三分量速度平均值均滿足VC－D標準要求。

3.2.2 盾構掘進通過廠區時的實時監測

圖11為盾構掘進施工通過廠區時失效分析實驗室外地面（距離盾構162m，盾構處在265環位置）的現場實時監測數據的分析結果。圖11中，水平粗虛線為VC－D振動限值標準，粗實線為40個振動樣本的平均值。圖11中的數據表明，盾構掘進時所測到的40個振動樣本絕大多數未超過VC－D的振動限值標準。

4 結論與建議

圖8 265環盾構掘進施工時的測試結果

1）盾構掘進引發的地面環境振動，在距離線路162m的精密儀器所在廠房附近場地上的豎向振動速度1／3倍頻程平均值能滿足VC－D標準，其最大值略大于VC－D標準，而水平速度滿足VC－D標準；在距離線路85m以外場地上三個分量速度的平均值均滿足VC－D標準要求。振動速度隨著與線路中心的距離增加而迅速衰減。

2）盾構掘進參數（刀盤扭矩、土壓力、推力、推進速度等）對63m以外場地環境振動影響不大，三種工況下的環境振動水準大致相同。

3）在地面道路有重載車輛行駛的情況下，特別是重載土方車通過時所引起的環境振動遠大于盾構掘進引起的振動，并遠超過VC－D標準，需嚴格予以控制。

圖9 266環盾構掘進施工時的測試結果

圖10 267環盾構掘進施工時的測試結果

圖11 盾構掘進通過廠區時實時監測數據結果

［1］楊宜謙，尹京，劉鵬輝，等.清華大學精密儀器環境振動影響評價［J］.桂林理工大學學報，2012，32（3）：360.

［2］馬蒙，劉維寧，丁德云，等.地鐵列車振動對精密儀器影響的預測研究［J］.振動與沖擊，2011，30（3）：185.

［3］張志強，雷軍.地鐵列車運行引起的振動觀測及對高精密儀器的影響［J］.儀器管理，2011，17（1）：69.

［4］栗潤德，張鴻儒，劉維寧.地鐵引起的地面振動及其對精密儀器的影響［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（1）：206.

［5］GB 50463—2008隔振設計規范［S］.

［6］Institute of Environmental Sciences（IEST）.Considerations in Clean Room Design［R］.Rolling Meadows，IL：IEST，2005.