盾構穿越復合地層機體振動影響因素研究

朱建才,鄧智寶,袁逢逢,袁宗浩,王 哲

(1.浙江大學 平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310012;2.浙江工業大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;3.中鐵隧道股份有限公司,河南 鄭州 450001;4.浙江大學 建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310000)

盾構法以工期短、安全性高和勞動強度低等優勢,已在城市地下隧道建設中得到廣泛應用,然而在盾構隧道距離既有建筑比較近的情況下,盾構施工對周圍環境的影響不可忽略。在開挖盾構隧道過程中，由于地層因素和施工因素會對地層造成不可避免的擾動并破壞原有的平衡狀態,周圍地層和地面應力狀態會發生改變,從而產生變形,嚴重時還會造成地面塌陷;此外,采用盾構法施工還會因刀盤和掌子面地層的切削作用產生振動,這種振動會對隧道周圍土體產生影響,甚至透過地基傳遞至鄰近建筑物,對建筑物內居民和高精度儀器等產生影響[1]。目前,針對地鐵盾構方面的研究主要集中在施工開挖過程中的變形問題,缺乏對盾構施工過程中機體振動及其影響因素的深入研究。研究人員采用不同的方法來探究盾構隧道施工對周圍地層應力、變形的影響規律。現階段常用的方法主要有理論分析法、數值計算法等。

在簡化的理論計算模型方面,Peck公式是研究地表沉降規律的熱點,沈培良等[2]依據上海某盾構施工地面沉降觀測數據,分析了地表沉降槽經驗公式的適用性,并提出了其參數的確定方法;韓煊等[3]在盾構引起地表沉降的基礎上,研究了隧道開挖對鄰近建筑結構的變形影響,提出了高斯分布模型并驗證了模型的有效性。然而現有研究方法對地層損失的界定尚有不足之處,因此王建秀等[4]對地層損失的概念進行了重新界定并建立對應模型。數值計算法是另一種分析盾構施工對周圍環境影響的有效方法,盾構施工環境影響主要體現在隧道開挖引起地下土層的損失并在地表處產生沉降,沉降變形與施工過程中注漿壓力、掌子面總推力和盾構收縮等施工因素有關,有限元方法能夠有效靈活地計入上述影響因素,其中地層損失是造成地層變形的主要因素[5-7]。除了施工控制參數因素,影響地表沉降的還有地質條件,李小青等[8]模擬了盾構施工造成地層損失的過程,分析了影響地表沉降的主要地質影響因素,包括隧道埋深、內摩擦角等,并在預測地表變形的基礎上提出了控制地表沉降的措施。在城市地下空間開發的新時期,城市地下隧道也將面對更加復雜的施工條件,地下交疊隧道便是其中之一,孫鈞等[9]對交疊隧道施工進行了模擬,得到了地表沉降的最大值會在盾構機掘進后產生陡增的結論。盾構施工對鄰近建筑物變形影響是另一個重要工況,劉波等[10]分析了隧道工程下穿已有建筑基礎引發變形的空間效應規律,并提出了應提高注漿體強度的建議;丁祖德等[11]結合深圳某地鐵下穿住宅小區工程,分析了不同隧道與建筑基礎交匯角度對建筑物結構變形的影響,得出了不同交匯角度對建筑結構變形影響明顯,但對結構內力影響較小的結論。盾構施工的環境影響研究問題還包括:當盾構機在城市地下地層中掘進時,由于刀盤和掌子面地層的切削作用,會造成盾構機體振動上升,這種振動影響不僅作用在掌子面上,而且會對隧道周圍土體產生影響,甚至透過地基對鄰近建筑結構和人群產生不良影響,目前針對該方面的研究相對較少。隨著盾構隧道施工離城市振動敏感區域越來越近,關于隧道振動對周圍環境影響的研究也愈顯重要,隧道振動主要分為運營階段振動和施工階段振動。目前針對盾構振動對環境影響的研究主要集中在地鐵運營階段產生振動環境影響，劉維寧等[12]研究表明：軌道交通列車輪軌間相互作用是列車產生振動的主要原因,振動通過軌道基礎、襯砌結構和地層傳播到周圍土體和地表是列車振動影響周圍環境的主要方式[13-15];丁智等[16-18]通過數值模擬、室內試驗和現場測試等方法對列車運營振動進行了深入研究,得出了隔振的有效措施。在隧道的施工階段也會產生振動響應,不同于運營階段因為輪軌作用而產生的交通振源振動,盾構隧道在施工過程中的振源振動主要來源于刀盤切削巖層時產生的不均勻接觸壓力導致的盾構機體振動。目前,針對盾構施工階段振動影響的研究較少,起步也較晚,王鑫等[19-21]用數理統計和現場實測相結合的方式,分析了施工階段地層條件和盾構機主要施工參數對振源振動的影響,該研究針對單一軟土或者硬質地層。城市地層分布中上軟下硬復合地層較為常見,上軟下硬復合地層中上部為強度和剛度較小的軟土地層,下部為強度及剛度較大的硬質地層或者巖石,目前尚缺乏針對上軟下硬復合地層的盾構機體振動影響因素研究。當盾構穿越上軟下硬復合地層時,開挖面上下部分巖土體力學特性差異較大,刀盤切入硬巖破碎時產生較大的機體振動,因此筆者采用現場測試的方法,通過對比盾構隧道在軟土地層和上軟下硬復合地層掘進時的振動差異,分析盾構機體振動的主要影響因素,同時通過灰關聯熵分析法及多元線性回歸分析法獲得了盾構機體振動的主要影響因素,研究成果可為優化盾構施工參數,減小隧道開挖對地層的振動提供工程參考。

1 工程概況

擬建杭州市某城市道路改建工程是杭州市快速路系統中的一段,是杭州市內連接多個中心市區的東西向重要地下城市道路,地下隧道包括明挖段和盾構段,其中盾構段自東向西穿越多條市區中心重要路段及地鐵2號線。盾構開挖直徑為13 m,縱斷面呈“V”形,隧道長度約1.7 km。該隧道掘進起點埋深為6 m,終點埋深為13 m,最大埋深為24 m,隧道主要穿越地層為砂質粉土、中等風化凝灰巖、全風化凝灰巖和軟土層,盾構施工掘進時掌子面不僅通過全斷面軟土地層,還通過上部為軟土地層、下部為堅硬巖層的上軟下硬復合地層,兩種地層強度差異明顯。南北線地質剖面圖如圖1所示,盾構施工范圍內的主要地層分布如表1所示。

圖1 盾構隧道地質剖面圖Fig.1 Strata profile along the tunnel longitudinal direction

表1 施工范圍內地層分布Table 1 The soil layers within the tunnel construction scope

2 現場測量儀器和方案

2.1 測量儀器

現場測量儀器采用高精度振動測試系統(包括數據采集儀及傳感器等),其中硬件包括941B(新)型速度傳感器、INV3062C 24位網絡分布式采集分析儀以及高性能筆記本電腦。數據采集和分析軟件為DASP-V11工程版。

2.2 測量方案

為了研究不同地層條件和施工參數下盾構機體的振動規律,現場振動測試時依據施工縱斷面中各個區域不同的地質情況,選取若干個上軟下硬復合地層以及一般軟土地層作為測試斷面,同時為了分析不同地質條件的影響,在考慮上軟下硬復合地層時著重討論了硬巖在隧道開挖掌子面的占比對隧道機體振動的影響。在選定測試斷面之后,根據盾構機體的實際情況,選取能夠全面反映盾構機體振動響應水平的監測點,以獲得較可靠的振源監測數據。振動測試結果中,測點X方向為盾構機掘進方向,Y方向為豎直方向,Z方向為與盾構機掘進方向正交的水平橫向。測點布置如圖2所示,測點儀器安裝圖如圖3所示。

圖2 測點布置示意圖Fig.2 The measuring point layout

圖3 儀器安裝圖Fig.3 Installation of instruments for the vibration test

2.3 測試工況

為了分析軟土和上軟下硬復合地層中盾構機體振動的主要影響因素,選取地層條件和盾構施工參數作為參考變量。考慮盾構機體振動主要受地層剛度影響,在分析地層條件影響時選取隧道埋深和掌子面平均動彈性模量為主要地層條件參數,盾構掘進參數有:掘進總推力、推進扭矩、推進速度和刀盤轉速。依據地質勘探信息獲取壓縮模量,并通過模量轉化和加權平均計算得到掌子面平均動彈性模量,具體計算步驟如下:首先,通過地勘報告和施工圖獲取各監測斷面地層分布、層厚、泊松比和壓縮模量;然后,通過公式計算各地層的彈性模量,并通過經驗公式[22]計算動彈性模量;最后,以掌子面各地層的厚度為權重,通過加權平均計算各監測斷面平均動彈性模量。依據各個施工斷面實際掘進參數獲得盾構施工參數。掌子面巖石占比是地層條件的主要影響參數之一,定義為掌子面中硬巖層厚與掌子面直徑的比值。依據圖1確定各測試斷面地層分布,搜集施工參數,具體如圖4和表2所示。彈性模量與壓縮模量關系式為

表2 不同斷面隧道施工參數Table 2 The tunnel construction parameters for different cross section

圖4 作業面地層分布圖Fig.4 The soil/rock components for the composite ground

(1)

式中:ES為壓縮模量;μ為泊松比;E為彈性模量。

3 盾構機在不同地層掘進時機體振動分析

表3,4為盾構機在軟土地層和上軟下硬復合地層中掘進時機體三向振速峰值。從表3可以看出:在軟土地層中,各測點Y方向(豎向)振速峰值為三向振速中的最高值,X方向與Z方向振速峰值相當。以豎向振速峰值為例,對比不同測點Y方向振速峰值可知:2號測點的豎向振速峰值普遍為3個測點中的最大值,1號測點次之,3號測點最小,而振速峰值在上軟下硬地層中比在軟土地層中升高顯著。與軟土地層相比,盾構機在上軟下硬復合地層中掘進時,上部軟土地層在刀盤切削作用下較容易發生破壞,土屑流動形態為流動型或斷裂型[23],而下部硬巖由于強度和剛度較大、土層整體性較好,導致刀盤與硬土層的接觸壓力不均,巖石發生脆性破壞,進而使刀刃底部受到較大的激振力,從而引起刀盤和盾構機體整體振動水平的大幅升高。造成不同測點振動差異的原因如下:1) 測點與盾構機刀盤之間的距離,相較于1,2號測點,3號測點與盾構機刀盤的距離較遠,1,2號測點與盾構機刀盤距離相當;2) 2號測點附近受到電子轉機的影響,而1,3號測點周圍環境比較簡單,盾構機體振動的主要因素是盾構機刀盤轉機的轉動及刀盤、掌子面巖石的切削,2號測點周圍的機械情況比較復雜,該測點附近有較多的轉子機械,這會造成盾構機體振動的局部增大,這種局部增大是由于機械發動機高速轉動引發的,不過對盾構機體的整體振動影響不大。以上是造成盾構機體各個測點振動數據差異的原因,總體上看，雖然現場復雜的因素造成了不同測點振動響應的局部差異,但盾構機各測點的振動影響處于同一水平。

表3 軟土地層盾構機體三向振速峰值Table 3 The peak value of three-direction vibration velocity of shield machine in soft soil

表4 上軟下硬復合地層盾構機體三向振速峰值Table 4 The peak vibration velocity of shield machine in upper soft and lower hard strata

為對比軟土地層和上軟下硬復合地層的盾構機體振動差異,選取1號測點為典型分析測點,在時域和頻域內對比軟土地層和上軟下硬復合地層盾構機體振動響應的差異,結果見圖5。由圖5可知:機體振動中豎向(圖5b)振動響應大于軸向(圖5a)和橫向(圖5c)振動響應;盾構機在軟土地基中掘進時機體豎向振動的振速峰值為0.1～1.0 mm/s,在上軟下硬地基中掘進時機體振動的峰值振速為0.4～2.0 mm/s。在上軟下硬復合地層中,由于巖層等剛度較大材料的存在導致機體振動顯著升高,這是因為相較于軟土這種強度和剛度較小的材料,巖石這種硬質材料剛度大,盾構掌子面切削時與巖石的動力相互作用大,同時硬質材料相較于軟質材料阻尼更小,從而導致復合地層的機體振動顯著升高。從頻譜分析來看,不論在軟土地層還是上軟下硬復合地層,盾構機體的振速峰值主要分布在0～30 Hz,這部分頻率主要對應于盾構機體刀盤旋轉等引起的低頻振動,在60～100 Hz時還可以觀察到高頻振動,這部分頻率主要對應于盾構機體發動機轉子。從頻域中也可以觀察到上軟下硬復合地層三向速度響應均大于軟土地層,這與時域中的結果一致。

圖5 1號測點軟土地層和上軟下硬地層測試結果分析圖Fig.5 Analysis of the test results of the soft ground and the upper soft and lower hard ground at the No.1 measuring point

4 盾構機體振動影響因素分析

為了分析盾構機體振源振動的影響因素,考慮地層條件和施工參數對盾構機體振源振動的影響。地層條件包括掌子面平均動彈性模量和隧道埋深,盾構掘進參數有推進速度、扭矩、總推力和轉速。為分析以上參數對盾構機體振動的影響,需要引入數理統計方法,因為現場測試條件的多變性,不同測試斷面不僅隧道埋深、掌子面地層情況有所差別,而且盾構機的掘進速度、扭矩、總推力和轉速,甚至現場作業環境等也不盡相同,所以采用控制變量法來分析盾構機體振動的影響因素有一定的困難。因此參照王鑫等[19-21]采用的灰聯熵分析法和多元線性回歸分析法來分析本研究工程案例中盾構機體振源振動的影響因素。

4.1 灰關聯熵分析法

選取典型測點的振動響應峰值,采取灰關聯熵分析法分析盾構機體振速的關鍵影響因素并對其進行排序[19-21]。灰關聯熵分析法是分析復雜的多變量系統影響因素的有效方法,在控制變量法所需信息不足時可以采用這種方法進行分析。

灰關聯熵分析法的分析步驟如下:確定映射量,并將映射量依據原始值進行無量綱化,映射量的無量綱化采用均值處理法實現,即將數列中的每個值都除以數列均值,得到一組新的無量綱化數列。

計算灰關聯系數[19-21],即

(2)

式中:Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|(k=1,2,…,n;i=1,2,…,m);ρ為分辨系數,取值為[0,1],可取0.5;min(minΔi(k))為極差最小值;max(maxΔi(k))為極差最大值。

關聯系數反映的是兩點間的距離,關聯系數位于區間[0,1]。

計算灰關聯密度[19-21],即

(3)

式中:Pk為灰關聯系數分布映射,是分布的密度值,Pk>0,且∑Pk=1。

計算灰關聯熵和灰熵關聯度,即

(4)

E(xi)=H(Ri)/Hmax

(5)

式中:H(Ri)為灰關聯熵;E(xi)為灰熵關聯度;Hmax=lnn,n為數值列的最大元素數量值。

由灰關聯熵定理可知:熵關聯度值較大者,與參考列的聯系程度更密切。利用灰關聯熵分析法分析施工參數及地層條件與機體振速的關系,設自變量為掌子面平均動彈性模量、掘進速度、盾構機扭矩、盾構機總推力、轉速和埋深,因變量為盾構機機體的三向振動,并假設因變量的變化都是源自自變量的改變,選取已有測試斷面開展灰關聯熵分析法分析,斷面圖如圖4所示,測點位置選取典型測點1。由灰關聯熵分析法可知:灰熵關聯度越接近于1,說明該自變量(地層條件、施工參數)對因變量(機體振速峰值)的影響越大。振源影響因素分析結果見圖6,從圖6可以看出:作業面測點Y向振速對不同施工參數和地層條件的關聯性排序自大到小依次是:掌子面平均動彈性模量、盾構機扭矩、盾構總推力、盾構轉速、埋深和掘進速度。因此對機體振動影響最大的地層條件是掌子面平均動彈性模量,對盾構機體振動影響較大的施工參數主要包括盾構機扭矩和總推力,而影響較小的是盾構轉速埋深與掘進速度。

圖6 振源影響因素分析Fig.6 Analysis of the main influencing factors

4.2 多元線性回歸分析法

采用多元線性回歸分析法進一步驗證灰關聯熵分析法的正確性。多元線性回歸分析法被廣泛用于分析社會經濟領域變量之間的影響關系。多元線性回歸分析的基本原理是:在一個客觀系統中,一件事物的產生往往由多個因素引發,客觀事物的聯系錯綜復雜,雖然可以了解到結果與影響因素之間的因果關系,但是現象的變化往往是兩個或多個因素共同作用的結果,此時就無法直觀地感受到影響因素之間的主次關系。為了全面地了解這種由多因素引發的事物之間的客觀聯系,科學準確地評價現象之間的數量變動,并提高預測和控制變量的精確度,需要運用多元線性回歸分析模型進行系統性分析。

通過回歸分析可以建立不同變量之間關聯性的數學表達式,在盾構機因掘進而產生的機體振動分析中,可用回歸分析建立因變量(機體振速峰值)與自變量(影響因素包括地層條件和主要施工參數)間的數學表達式,即數學回歸方程,并利用該數學回歸方程評價影響因素對因變量的貢獻度。

利用多元線性回歸分析法分析盾構機體振動的影響因素,首先要建立機體振動幅值與影響因素之間關系的數學模型[19-21],即

Y=b0+b1X1+b2X2+b3X3+
b4X4+b5X5+b6X6

(6)

式中:Y為因變量(典型測點豎向振速),X1～X6分別為影響因素中的掌子面平均動彈性模量、盾構機掘進速度、扭矩、總推力、轉速和埋深。

通過線性回歸編程計算程序可以得到盾構施工掘進時振動振源的多元線性回歸分析結果,相關系數R計算結果見表5,偏回歸系數計算結果見表6。由表5可知:多元線性回歸方程的相關系數R為0.95,接近于1,說明線性回歸方程的擬合效果良好[19-21]。

表5 盾構掘進施工影響因素多元線性回歸分析Table 5 The multiple regression analysis of influencingfactors for the shield tunneling vibration

表6 豎向振動速度回歸方程系數Table 6 The vertical vibration velocity regression equation coefficient

偏回歸系數b體現了不同比較量和參考量的關聯度高低,然而在通常情況下其本身的大小并不能反映其相對重要性,這是因為不同的自變量具有不同的量綱,所以必須要對偏回歸系數進行標準化處理。回歸系數的標準化公式為

(7)

式中:P為標準化的偏回歸系數;X為自變量;Y為因變量。P越大表示對應自變量的相對重要度越高。偏回歸系數標準化后結果如表7所示。以1號測點豎向振速峰值為例,針對影響盾構機體振動的地層條件和施工參數開展多元線性回歸分析,由表7可知:掌子面地層條件及施工參數所對應的標準化偏回歸系數P1>P3>P4>P5>P6>P2,這說明掌子面加權動彈性模量對機體振動貢獻最高,其余排序自大到小依次是:盾構機扭矩、總推力、轉速、埋深和掘進速度。這與灰關聯熵分析法得出的結論一致,兩種方法可相互印證。

表7 豎向振動速度回歸方程標準化回歸系數Table 7 The vertical vibration velocity regression equation standardized regression coefficient

4.3 主要地層因素對盾構機振動水平的影響

為了分析地層條件對盾構機體振動水平的影響,以掌子面加權平均動彈性模量為主要影響因素,以1號測點豎向振源振動峰值為因變量繪制如圖7所示的關系曲線。從圖7可以看出:當掌子面的動彈性模量小于350 MPa時,掌子面地層為軟土地層,盾構機體的振源振動并未隨著掌子面地層動彈性模量的增長而明顯提高,而是處于上下波動的狀態;當掌子面的加權動彈性模量大于350 MPa時,盾構機體振源振動將隨著加權動彈性模量的增加顯著升高,此時掌子面地層為上軟下硬地層,這表明上軟下硬地層中盾構機體的振動水平顯著增大。

圖7 加權動彈性模量與盾構機體振動峰值關系曲線Fig.7 The vertical velocity of shield tunneling machine versusthe modulus of the ground

為了更直觀地展現掌子面地層構造對盾構機體振動水平的影響,以掌子面硬巖比例為橫坐標,豎向振動峰值為縱坐標繪制如圖8所示的關系曲線。從圖8可以看出:隨著掌子面硬巖占比的增加,機體振速也隨之上升。當地層為軟土地層時,機體振速增幅變化較小,當巖層占比進一步上升到30%～40%時,機體振速快速上升,這說明當硬巖占比大于30%時對盾構機體的振動影響非常顯著。

圖8 掌子面硬巖占比與盾構機體振速關系曲線Fig.8 The vertical velocity of shield tunneling machine versusthe ratio of the hard rock at the tunnel face

5 結 論

以浙江省杭州市某城市道路改建工程為背景,選取盾構機在軟土地層和上軟下硬復合地層中掘進時的典型斷面,分析了地層條件(掌子面平均動彈性模量、埋深)和施工參數(盾構機扭矩、盾構總推力、盾構轉速和掘進速度)對盾構機體的振動影響,并采用灰關聯熵分析法和多元線性回歸分析法篩選出了影響盾構機體振動的主要參數,分析了盾構機體穿越軟土地層和上軟下硬復合地層振動響應的差異,得出以下結論:1) 軟土斷面和上軟下硬斷面盾構機體振動時程曲線和幅頻特性近似,對比各個測點3個方向振速可知,豎向振速普遍比縱向、水平向振速要大;2) 軟土地層盾構機的機體振速為0.1～1.0 mm/s,上軟下硬復合地層的機體振速為0.4～2.5 mm/s,各測點頻域峰值低頻段為0～30 Hz,高頻段為60～100 Hz;3) 盾構機在上軟下硬復合地層掘進時,由于掌子面動彈性模量的增大,三向振速峰值有顯著增加趨勢;4) 盾構機振動響應對不同因素的關聯性排序自大到小依次是:掌子面平均動彈性模量、盾構機扭矩、盾構總推力、盾構轉速、埋深和掘進速度;5) 在上軟下硬復合地層中減小盾構機扭矩是控制機體振動的最有效措施,其次是控制盾構掘進時的總推力,盾構轉速、埋深對盾構機體振動影響有限。