砂卵石地層盾構(gòu)施工誘發(fā)振動環(huán)境影響試驗研究

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)振動環(huán)境影響試驗研究

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)教育部重點試驗室，北京100124；2．中建三局人防與地下空間設(shè)計院，武漢 430071)

摘要：針對北京西部地區(qū)砂卵石地層埋深淺、粒徑大、分布廣，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的振動易傳至地表對環(huán)境產(chǎn)生影響等，對北京地鐵某區(qū)間進行現(xiàn)場振動測試。通過埋設(shè)地層、地面及隧道內(nèi)測點進行時間-空間同步監(jiān)測，獲取測試區(qū)間盾構(gòu)每環(huán)掘進時的振動數(shù)據(jù)，分析振動頻域特性及空間衰減規(guī)律，并對地表振動環(huán)境影響進行評價。研究表明，砂卵石地層盾構(gòu)施工振動主要為刀盤刀具切割土體產(chǎn)生的振動，機械振動及運輸車輛產(chǎn)生的振動對地表影響較小。刀盤附近振動主頻分布于30 Hz以上，而橫斷面地表遠離刀盤40 m處衰減至20 Hz以下。測點振幅大小與刀盤、測點間相對位置有關(guān)，地表振幅大小依次為刀盤前方測點、刀盤兩側(cè)測點、刀盤后方測點，刀盤處地表振級達80 dB，遠離刀盤20～30 m時衰減至60 dB以下。

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

基金項目：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:U455.43文獻標志碼：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，引起的振動易對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。已有諸多對振動產(chǎn)生原因、傳播規(guī)律、控制措施及對人體危害等因素進行研究，但主要集中于運營階段，對軌道交通建設(shè)階段誘發(fā)振動研究較少，只有針對盾構(gòu)施工誘發(fā)振動特性的研究[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，高頻振動在該地層中傳播時能量損耗較少[2-3]。砂卵石地層中盾構(gòu)施工產(chǎn)生的振動主要為掘進過程中刀具切割土體與卵石顆粒碰撞[4]、渣土運輸車輛因臨時鋪軌不平順及設(shè)備等，振動中高頻成分居多，易傳至地表對環(huán)境產(chǎn)生影響，北京地鐵曾有多個區(qū)間出現(xiàn)盾構(gòu)施工誘發(fā)振動擾民及民擾事件。本文對北京地鐵某區(qū)間隧道，通過對地表振動監(jiān)測進行時、頻域分析，總結(jié)振動在地表的振動傳播規(guī)律及特點，分析地表環(huán)境影響。可為類似工程地表環(huán)境振動影響評價及施工工藝優(yōu)化提供參考。

1現(xiàn)場測試

1.1測試條件

測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，測試地點及周邊環(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、周邊保護刀等，刀盤開口率 41%。盾構(gòu)刀盤配置見圖2。

圖1　測試地點及周邊環(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測點布置

考慮盾構(gòu)掘進施工特點，現(xiàn)場主要對地表垂直加速度、隧道中線方向水平加速度進行監(jiān)測。縱斷面布設(shè)5組測點，分地表測點、地層測點，每組測點間距8 m，地表測點監(jiān)測水平向加速度(依次記為B6、B8、B10、B12、B14)、垂直向加速度(依次記為B7、B9、B11、B13、B15)，地層測點只監(jiān)測垂直加速度。考慮振動波傳播空間規(guī)律及地層差異，深層測點埋深分別為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　縱斷面測點布置(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過程，從隧道中線向臨近建筑物方向布置2個橫斷面，分別布設(shè)5組測點，間距分別為7 m、9 m、9 m、15 m，其中第一組測點位于刀盤前方，第二組測點位于刀盤后方，前四組測點分別監(jiān)測垂直、水平向加速度，最遠處測點只設(shè)置垂直加速度傳感器，作為環(huán)境背景振動記錄點。見圖4。

圖4　橫斷面測點布置方案 Fig.4 Arrangement in cross-section

1.3測試方法

本次測試系統(tǒng)由WS-5921數(shù)據(jù)采集儀、941B超低頻加速度傳感器、信號放大器、計算機及電纜組成。測試前對監(jiān)測系統(tǒng)進行標定，測試過程及方法據(jù)國家標準[5]進行。盾構(gòu)掘進時系統(tǒng)進入采集狀態(tài)連續(xù)采集，數(shù)據(jù)采樣頻率200 Hz，記錄盾構(gòu)掘進全過程持時約25 min。測試記錄盾構(gòu)掘進穿越縱斷面全過程，橫斷面測點在盾構(gòu)距橫斷面約8 m時開始記錄。振動數(shù)據(jù)采用滑動平均法除趨勢項[6]，由于現(xiàn)場測試數(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掘進引起的振動特性及空間傳播規(guī)律。

2測試結(jié)果分析

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

2.1掘進振動信號特性

由埋設(shè)地層測點知，埋深8 m處測點與刀盤最接近，振動信號呈明顯隨機性，振動頻帶較寬，主要分布在20～90 Hz。刀盤后方地層測點D3處時程曲線與自功率譜見圖5。由圖5看出，當(dāng)測點位于刀盤正上方或前方時振動峰值加速度小于1 m/s2，刀盤穿過測點斷面后振動峰值加速度衰減較快，明顯小于刀盤上方或相同距離前方。刀盤前測點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　測點信號及其自功率譜 Fig.5 Auto-power spectrum of measuring point signal

2.2掘進所致振動衰減規(guī)律

2.2.1地表橫向振動加速度有效值衰減規(guī)律

對振動橫向傳播監(jiān)測分兩階段，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)掘進過程不斷靠近斷面1，記錄盾構(gòu)掘進4環(huán)振動數(shù)據(jù)，見圖6。盾構(gòu)向監(jiān)測斷面掘進時垂直、水平向加速度有效值衰減曲線見圖7。由圖7看出，隧道中線測點振動加速度值增大明顯，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；遠離中線處測點衰減較快，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，橫斷面振動加速度隨盾構(gòu)遠離而不斷減小，隧道中線測點垂直加速度由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　測點布置與隧道環(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)測斷面掘進時地表測點加速度衰減曲線 Fig.7 Shield the acceleration at the site of the surface monitoring advance decay curve

圖8　盾構(gòu)刀盤后方地表測點加速度衰減曲線 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)刀盤位于測點前方或后方，水平加速度均大于垂直加速度。

2.2.2縱向振動加速度有效值衰減規(guī)律

測點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)穿越測試縱斷面過程中地層測點的振動加速度有效值衰減曲線見圖9。由圖9看出，測點位于刀盤前方時地層垂直加速度較大；D1點位于刀盤前方約9 m時D3作為卵石層測點與刀盤間距大于D2，但加速度明顯大于粉質(zhì)黏土層測點D2，振動在砂卵石地層傳播時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傳播。低頻振動時砂卵石地層阻尼比基本一致，但高頻振動時阻尼比明顯減小，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，與橫斷面測點結(jié)果類似，刀盤后方地層測點振動衰減較快，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)測斷面時地層測點加速度衰減曲線 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，常用于聲學(xué)、人體振動、機械振動等測試分析。按我國現(xiàn)行標準規(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。先對測試數(shù)據(jù)進行FFT變換，計算幅值譜，再用幅值譜數(shù)據(jù)計算每個中心頻率帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)平均值，從而獲得三分之一倍頻程譜值。

采用MATLAB編程對地表橫、縱斷面測點分別加速度信號進行三分之一倍頻程譜分析，比較各測點主頻沿監(jiān)測斷面距離變化規(guī)律。盾構(gòu)刀盤位于D4、D5之間時橫、縱斷面測點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，刀盤附近測點均以中高頻為主，主要集中于60～100 Hz。地表橫斷面測點A9處振動主頻衰減至20 Hz以下，縱斷面測點頻率衰減不明顯，尤其砂卵石地層測點D1、D2在一定程度上受刀盤后方設(shè)備及運輸車輛振動影響，致中高頻部分基本未衰減，但幅值相對較小。

圖12　橫斷面測點三分之一倍頻程譜 Fig.12 One-third octave spectrum value of measurement points in cross section

圖13　縱斷面測點三分之一倍頻程譜 Fig.13 One-third octave spectrum value of measurement points in longitudinal section

2.3地表環(huán)境影響

據(jù)標準ISO2631[9-10]及GB10070-88[11]規(guī)定，鉛垂向Z振級計算式為

計算得盾構(gòu)掘進過程中刀盤附近地表鉛垂向振級見圖14。由圖14看出，刀盤上方地表最大振級在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)晝夜振動加速度級標準值分別為70 dB、67 dB。刀盤附近振動對地表影響較大，感知明顯，掘進過程對地表建筑及居民生活產(chǎn)生影響。而遠離刀盤20～30 m處地表振動加速度級則低于國家規(guī)定要求。

圖14　地表振級計算 Fig.14 Calculation of vibration level on ground

3結(jié)論

針對刀盤掘進誘發(fā)振動的時空復(fù)雜性，采用現(xiàn)場時間-空間同步方式進行測試。通過多個工點、不同粒徑、不同型式盾構(gòu)設(shè)備進行掘進振動測試試驗，獲得卵石地層刀盤掘進誘發(fā)環(huán)境振動特性及傳播規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)砂卵石地層盾構(gòu)施工振動主要為刀盤刀具切割土體產(chǎn)生的振動，機械振動及運輸車輛所致振動對地表影響較小。

(2)刀盤掘進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)掘進誘發(fā)地層振動頻率在幾赫茲到100 Hz均有分布，振動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)刀盤附近地表振動感知明顯，刀盤掘進振動影響范圍在20 m左右，刀盤附近地表最大Z振級超過80 dB，離刀盤約20～30 m振級低于60 dB。

參考文獻

[1]New B M. Vibrations caused by underground construction [M]. London:Proceedings, Tunnelling’82, 1982:217-229.

[2]王汝恒, 賈彬, 鄧安福，等. 砂卵石土動力特性的動三軸試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(S2):731-736.

WANG Ru-heng, JIA Bin,DENG An-fu, et al. Dynamic triaxial testing study on dynamic characterisistics of sandy pebble soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006(S2):731-736.

[3]郭文,李強,王汝恒. 振動頻率對飽和砂卵石土動模量和動阻尼比影響的試驗研究[J]. 四川建筑科學(xué)研究,2007, 33(6): 113-115.

GUO Wen, LI Qiang, WANG Ru-heng. Experimental study on influence of vibration frequency to dynamic modulus and damping ratio characteristics of saturate sandy pebble soil[J]. Sichuan Building Science,2007, 33(6): 113-115.

[4]黃清飛. 砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具與土相互作用及其選型設(shè)計研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[5]GB10071-1988,城市區(qū)域環(huán)境振動測試方法[S].

[6]葉茂, 任珉, 譚平,等. 城市交通誘發(fā)地面振動測試時域分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(增刊2):201-205.

YE Mao, REN Min, TAN Ping,et al. In situ measurement and analysis for environmental vibration induced by urban traffic in time domain[J].Environmental Science Technology, 2011, 34(Sup2):201-205.

[7]王濟,胡曉. MATLAB 在振動信號處理中的應(yīng)用[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2006.

[8]葛哲學(xué),沙威. 小波分析理論與MATLAB R2007實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2007.

[9]ISO Standard. ISO2631/1: Mechanical Vibration and shock-evaluation of human exposure to whole body vibration-Part1: General requirements [S]. Washington D. C.: ISO Standard, 1997.

[10]ISO Standard. ISO2631/2: Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole body vibration-Part2: continuous and shock induced vibration in buildings (1～80 Hz) [S]. Washington D. C.ISO Standard, 1989.

[11]GB10070-1988,城市區(qū)域環(huán)境振動標準[S].