TBM 施工對地表及臨近建筑物的振動響應研究

胡紅星

（中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300）

隨著我國城市建設的發(fā)展，城區(qū)密度不斷加大，城市地鐵成為了城區(qū)建設不可或缺的一部分。地鐵的修建在給人們帶來便利的同時，也帶來了諸多環(huán)境問題。TBM 地鐵隧道開挖方式雖然具有開挖擾動小、開挖效率高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，但隧道開挖對周邊環(huán)境造成的影響仍然不能忽略。TBM 掘進振動通過圍巖傳播，誘發(fā)地表及鄰近建筑物的振動及噪音，極易影響周邊老舊建筑物的安全和精密儀器的使用，對人們的生產(chǎn)、生活造成困擾。TBM 施工振動對鄰近建筑物和居民的影響已經(jīng)成為當前亟待解決的問題。

目前，有關地鐵隧道施工對周邊環(huán)境及建筑物影響的研究主要集中在TMB 和盾構開挖造成的沉降問題，而TMB 和盾構施工振動誘發(fā)地表及建筑物的動力響應研究還處于探索階段[1-4]。郭飛等[5]通過對蘭州地鐵1 號線盾構施工進行現(xiàn)場實測，分析了盾構施工振動傳播及衰減特性，指出盾構施工誘發(fā)振動將對敏感建筑產(chǎn)生不利影響。王鑫等[6]以實際工程為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析，提出了一種盾構施工振動誘發(fā)環(huán)境振動的計算方法。李紅巖等[7]以實際工程為依托，研究了盾構掘進振動對鄰近隧道結構的時頻響應。黃明利等[8]對TBM 施工沿線重點建（構）筑物進行振動監(jiān)測，表明TBM 掘進誘發(fā)的環(huán)境振動效應不能忽略。Muhammad 等[9]采用有限元模擬，通過動態(tài)加載系統(tǒng)模擬TBM 施工掘進振動，分析了不同土層性質(zhì)對TBM 誘發(fā)地表振動的影響。李獻[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值仿真相結合的方式研究了TBM 掘進系統(tǒng)的振動情況，為TBM 掘進的動力學建模方法提供了理論依據(jù)。徐日慶等[11]總結了國內(nèi)外相關學者對盾構施工振動誘發(fā)鄰近建筑物響應方面的相關成果，指出施工振動對鄰近建筑物有著重要影響。

四肢骨折患者雖然通過手術治療可實現(xiàn)骨折處的解剖復位,然而術后極易因諸多因素發(fā)生關節(jié)僵硬,影響肩關節(jié)、肘關節(jié)及膝關節(jié)的運動能力,從而導致患者生活質(zhì)量大大下降[3]。四肢骨折后關節(jié)僵硬患者的常規(guī)護理中,護士對患者心理狀態(tài)缺少關注,而這不利于患者治療依從性的提高。

本文依托青島地鐵某線路典型標段，研究了TBM掘進過程中振動波的傳播以及對鄰近建筑物的影響。通過開展多因素、多變量的數(shù)值模擬，研究了距作業(yè)面不同距離、不同掘進速度、不同刀盤推力的情況下，地表三向振動的變化規(guī)律以及框架結構不同樓層的振動強度特征。該研究可以為今后類似工程提供參考。

和才讓相識的那一天，我們依舊在茶館里歇腳，畫速寫和拍照片。一個二十來歲的藏族青年走近我們，他灰頭土臉，戴一頂黑紅相間的“公?！泵弊樱g別一根打狗棒，消瘦的臉仿佛只能用直線來畫，布滿血絲的眼睛里，淺咖啡色的眼珠透亮。他遞過來一張很破的紙條說：“你們認識這個人嗎？”紙上模糊的字跡：“張偉，廣州美術學院工藝系……”后面幾個字讓人眼前一亮：好親切！我抬頭說：“不認識，但可以幫你找，我們也是廣州美術學院的！”

1 工程概況

青島地鐵某線路一期工程某區(qū)間全長3.9 km，沿線多處近距離下穿密集老舊敏感居民樓和內(nèi)置有精密儀器的軍工廠。擬建隧道采用兩臺雙護盾TBM 硬巖掘進機施工，隧道埋深為15～24 m，隧道開挖直徑為6.3 m，襯砌管片為外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m 的C50 混凝土預制管片。選取該區(qū)間某處典型老舊建筑物為研究對象，分析TBM 掘進振動在地表及建筑物中的動力響應規(guī)律。該建筑為8 層框架結構建筑，基礎形式為樁基礎，所在地層為典型的上軟下硬復合地層，自上而下依次是素填土、中風化花崗巖、微風化花崗巖。擬建隧道位于中風化花崗巖地層，距建筑物基礎底部約為3～23 m，隧道拱頂距建筑物約為22 m。隧道與建筑物剖面位置關系如圖1 所示。

圖1 隧道與建筑物剖面位置關系圖

擬建隧道所采用的雙護盾TBM 硬巖掘進機主機長度13 m、新刀開挖直徑為6.3 m、刀盤類型為面板式刀盤、滾刀數(shù)量41 把、鏟斗數(shù)量6 個、最大總推力為24 000 kN、刀盤驅動功率為2 205 kW、轉速為0～9 rpm、最大掘進速度為120 mm/min。

2 數(shù)值計算模型

實際施工過程中，TBM 掘進振動的主要振源包括刀盤掘進破巖振動、TBM 內(nèi)部機械設備振動、后配套車輛運行振動、開挖完成后圍巖卸荷振動。采用ABAQUS 有限元軟件對TBM 掘進行動力學建模時，完整模擬TBM 掘進過程十分困難，并且動力分析用時過長、需要耗費大量計算資源。因此，模擬中只考慮刀盤掘進破巖振動和開挖完成后圍巖卸荷振動的影響。

2.1 三維模型建立

根據(jù)本段工程特點，選取Z 方向為隧道開挖方向，水平和豎直方向分別為X 方向和Y 方向。為減少模型尺寸效應對計算結果的影響，建筑物距模型邊界、隧道距模型底部邊界均應大于3～5 倍隧道直徑，隧道直徑為6.3 m，隧道埋深為22 m，取模型土體尺寸為68 m×50 m×63 m。建筑物為4 榀4 跨8 層框架結構建筑物，層高均為3.6 m，沿隧道橫向長為20 m，沿隧道縱向長為15 m。基礎形式為柱下獨立樁基礎，樁徑為0.5 m，樁長為5 m，柱截面尺寸為600 mm×600 mm，梁截面尺寸為350 mm×600 mm。將墻體樓板等恒荷載和相應活荷載組合值等效為均布荷載施加到主次梁上，墻體密度取2 000 kg/m3，活荷載大小為2.5 kN/m2。

由于TBM 振動荷載為小能量荷載，引起的土體與結構的變形量較小，建筑物基礎與土體的接觸面不易產(chǎn)生相對滑移。因此，考慮結構-土體為協(xié)同變形，將建筑物基礎與土體的接觸形式設置為綁定約束。利用三維有限元軟件對半無限空間進行動力分析時，為處理邊界處能量的反射吸收問題，采用人工黏彈性邊界模擬遠場地基對散射波能量的吸收。三維有限元動力分析模型示意圖如圖2 所示。

在掘進速度為2.30 m/h，刀盤推力為340 kN/m2的條件下，以地表振動響應加速度為研究對象，得到各測點的加速度時程，為分析振動信號的頻率特征，通過快速傅里葉變換（FFT）得到振動加速度頻域曲線（傅里葉譜）。

圖2 有限元計算模型示意圖

2.2 加載方案及計算參數(shù)選取

2.2.1 加載方案

為簡化計算，TBM 掘進振動只考慮刀盤掘進破巖振動和開挖后圍巖卸荷振動?；趯W者們對TBM 刀盤掘進荷載特性[12]、盾構刀盤振動激勵[13]、TBM 掘進振動振源特性的研究成果[14]，確定模擬TBM 刀盤破巖振動的實現(xiàn)方式，具體為：在對刀盤前方作業(yè)面上推力y1添加正弦激勵的同時添加正弦激勵的轉速y2，形成復合激振，模擬刀盤破巖時刀具荷載的階躍變化特征。刀盤推力y1和轉速y2的激勵函數(shù)如式（1）[15]所示

式中：A1、A2為振幅，f1、f2為激振頻率，t1、t2為時間。

2.巴基斯坦政府做出了巨大的努力，尤其在路線選擇上。巴基斯坦政府在規(guī)劃經(jīng)濟走廊路線時充分考慮了各方的利益訴求，推出了多路線方案，滿足各方的利益訴求，從根源上減少某些“變相恐怖主義”的襲擊。

2.2.2 阻尼特征

模型采用瑞利阻尼，利用ABAQUS 自帶的Frequency 分析步，不設置其他荷載，使模型僅在重力作用下求解，得出前兩階振型所對應的頻率ω1=0.493 3、ω2=0.500 4?；诖耍|(zhì)量相關比例系數(shù)α 和剛度相關比例系數(shù)β 可以表達為

三向地表振動波頻譜曲線主導頻率均在15 Hz 以下，呈現(xiàn)出明顯的低頻特性，頻譜成分較復雜，主振頻率分布較為分散，橫向振動信號頻率分布范圍為0～20 Hz，豎向振動信號頻率分布范圍為0～25 Hz，縱向振動信號頻率分布范圍為0～15 Hz。在沿隧道縱向與橫向剖面，隨距離的增加，橫向與豎向振動信息高頻部分均逐漸衰減，而縱向振動信號衰減不明顯，0～10 Hz 振動仍保持較高能量幅值。由于振動波傳播過程的能量耗散，在距作業(yè)面一定距離后，三向振動信號頻率分布范圍均為0～10 Hz。

地表測點以作業(yè)面正上方中心點為起點，沿隧道縱向，分別對作業(yè)面前后隧道正上方地表布置，每隔2.5 m 布置一個測點；沿隧道橫向，分別對作業(yè)面兩側地表布置，每隔3 m 布置一個測點?？蚣芙Y構建筑物測點的選擇為第二榀框架各樓層主梁正中央處，地表與建筑物測點布置位置如圖4 所示。

我們不是為了單純的教語法而教語法，語法教學只是一種手段，而非目的。語法規(guī)則的傳授只是語言的輸入，輸入的目的是為了輸出，也就是使學生能夠正確、準確地運用這門語言。語法教學的最高境界是學生把語法規(guī)則內(nèi)化成自己的東西，在用語言表達自己的時候能忘記母語的存在，也感覺不到英語語法規(guī)則的束縛，直接用英語來思維。為了達到這一目的，我們要根據(jù)不同語法項目的特點，結合教學實際，積極探索與創(chuàng)造靈活有效的教學方法。在這里，我介紹一下自己在英語語法教學方面所采取的幾種方法。

2.2.3 土體及建筑物力學參數(shù)

假設各層土體為均質(zhì)，土體自上而下分為3 層，分別為素填土，中風化花崗巖和微風化花崗巖。素填土和中風化花崗巖厚度分別為4.5 m 和26.5 m，各層土體均采用Mohr-Coulomb 理想彈塑性本構模型，建筑物結構采用線彈性本構模型。土體及建筑物結構力學參數(shù)見表1。

表1 各部件物理力學參數(shù)

2.3 模擬工況

為分析不同掘進速度和刀盤推力下TBM 掘進誘發(fā)地表及結構的振動強度和頻率特性，建立多種工況下的計算模型?；谖墨I[17]的研究結果，TBM 在花崗巖中的平均掘進速度為2.30 m/h，本次分析中對應1 mm 長度的圍巖卸荷時間分別選取1、1.5、2 s，對應實際掘進速度分別為3.60、2.30、1.80 m/h。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果，刀盤推力分別選取120、230、340 和450 kN/m2。

3 模型有效性驗證

其中，振動響應的振級換算公式可以表達為

圖3 數(shù)值計算結果與文獻[18]的對比結果

盾構與TBM 掘進振動主要影響因素均為盤掘進破巖振動和開挖完成后圍巖卸荷振動。王鑫等[18]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測得出了地鐵盾構施工誘發(fā)地表振動響應規(guī)律。因此，為驗證本文建模方法的準確性和有效性，采用與文獻[18]地鐵盾構施工相同的掘進參數(shù)和地層條件，建立相應地的數(shù)值模型，得到地表縱斷面振動響應特性，結果如圖3 所示。

式中：a 為加速度有效值；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。由圖3 可知，本文所得出的地表縱斷面響應曲線與文獻[18]的現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結果基本吻合。

4 計算結果分析

（2）腌制：原料提前加工腌制，生時味由外而入內(nèi)，熟食味由內(nèi)而溢到外，豐富原料內(nèi)涵，主要適合于煎、炸、烙、烹、蒸等原料。

圖4 測點布置圖

4.1 距作業(yè)面不同距離地表振動響應變化規(guī)律

你說天底下竟有這么好玩的東西，無須自個兒露面（王爺小時候雖淘氣，人前卻是那樣的羞澀），只幕后把那些個花花綠綠的木偶肘在手上，張飛李逵關云長，想怎樣就怎樣，稀里嘩啦猛打一氣，實在是太合小時候王爺那顆心了，恨不能直接跟著那戲班子就上臺去。

4.1.1 地表振動強度響應規(guī)律

當作業(yè)面位于第二榀框架正下方時，地表沿隧道縱向和橫向50 m 范圍內(nèi)加速度峰值曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，橫向與豎向加速度峰值均呈現(xiàn)出在作業(yè)面正上方最大，隨著與作業(yè)面距離的增大，加速度峰值急劇衰減。在距離作業(yè)面5 m 范圍內(nèi)加速度峰值衰減梯度最大，在距作業(yè)面正上方地表5 m 范圍內(nèi)，地表豎向振動強度明顯高于橫向與縱向振動強度，超過5 m 后，縱向振動強度高于其他2 個方向。因此，在TBM 掘進施工時，地表5 m 范圍內(nèi)應該著重注意豎向振動的控制，超過5 m 應該重視縱向振動?？v向振動在地表作業(yè)面兩側及前后方向上的15 m 范圍內(nèi)，出現(xiàn)反彈增大而后快速衰減的現(xiàn)象，對比橫向與豎向振動，縱向振動強度不易衰減，距作業(yè)面前后及兩側地表5～25 m 范圍為縱向振動的強影響區(qū)。

圖5 地表振動加速度峰值曲線

綜上所述，三向加速度均表現(xiàn)出隨距離的增大而衰減的變化趨勢，但對于豎向與縱向加速度表現(xiàn)出明顯的波動性，表示在一定距離內(nèi)出現(xiàn)不同程度的反彈增大現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在沿隧道縱向地表中更加明顯，縱向振動放大區(qū)主要出現(xiàn)在作業(yè)面前后地表15 m 的范圍內(nèi)，豎向振動放大區(qū)主要出現(xiàn)在作業(yè)面兩側地表10 m 的范圍內(nèi)。

當然以上都是后人對經(jīng)典中的人名或者名人姓名的漢譯，如果此人為當代人物，則漢譯用字無法做到長遠考慮，這應該是當代外文人名漢譯幾乎純?yōu)橐糇g、缺失內(nèi)涵的重要原因。

4.1.2 地表振動頻率響應規(guī)律

在掘進速度為2.30 m/h，刀盤推力為340 kN/m2，作業(yè)面位于第二榀框架正下方。

該項目所采用的壓覆礦產(chǎn)資源評估方法及所取的各參數(shù)均沿用原勘查報告，避免了因不同估算方法所產(chǎn)生的誤差，估算方法準確，估算結果可靠。根據(jù)估算的壓覆資源量，計算出了潛在經(jīng)濟價值，為管理決策提供了依據(jù)。

式中：ξ1、ξ2為阻尼比，取ξ1=ξ2。

此外，通過開挖后線性卸除施加在隧道洞壁上的法向地應力來實現(xiàn)模擬開挖后圍巖卸荷振動，對洞壁施加反向等效力σn，來控制地應力P0。通過改變卸荷時間t0來改變隧道掘進速度，并在一定時間t0內(nèi)線性卸除，可以表達為[16]

4.2 不同掘進速度下地表振動響應變化規(guī)律

取作業(yè)面正上方地表監(jiān)測點作為研究對象，刀盤推力為340 kN/m2，掘進速度分別為3.60、2.30、1.80 m/h。TBM 掘進速度從3.60 m/h 降低到1.80 m/h，地表三向加速度峰值均有不同程度的減小，橫向加速度峰值從0.12 m/s2減小到0.06 m/s2，豎向加速度峰值從0.28 m/s2減小到0.18 m/s2，縱向加速時峰值從0.089 m/s2減小到0.087 m/s2，橫向與豎向加速度減小率明顯大于縱向。降低掘進速度，能有效減小地表橫向與豎向振動強度，但對于縱向振動減弱效果不明顯。

掘進速度的變化對地表三向振動頻率影響微小，主振頻率分布范圍沒有明顯變化，即掘進速度對地表振動頻率分布幾乎無影響。隨掘進速度降低，橫向與豎向幅值均有減小，縱向加速度幅值基本保持不變。

4.3 不同刀盤推力下地表振動響應變化規(guī)律

掘進速度為2.30 m/h，刀盤推力分別為120、230、340 和450 kN/m2時，地表三向振動強度隨刀盤推力減小均有不同程度減弱的趨勢，刀盤推力從450 kN/m2減小到120 kN/m2，橫向加速度峰值從0.100 m/s2減小到0.097 m/s2，豎向加速度峰值從0.275 m/s2減小到0.217 m/s2，縱向加速度峰值從0.118 m/s2減小到0.033 1 m/s2；縱向振動強度減小幅度較大，豎向減小幅度次之，橫向減小幅度最小。由此可見，減小刀盤推力，能減弱地表豎向與縱向振動強度，但對橫向振動強度的影響不大。

隨著刀盤推力的減小，豎向與縱向加速度幅值均有不同程度的降低，橫向幅值變化不明顯；刀盤推力改變，三向加速度主頻及頻率范圍均無明顯差異。因此，改變刀盤推力，能減弱地表豎向與縱向振動強度，但對地表頻率分布幾乎無影響。

4.4 建筑物不同樓層振動響應變化規(guī)律

為降低TBM 掘進對周圍建筑物的影響，并且采取針對性的控制措施，需要充分了解建筑物振動響應特性，當作業(yè)面位于建筑物正下方時，第二榀框架振動響應隨樓層的變化曲線如圖6 所示。

圖6 框架結構三向振動加速度峰值隨樓層變化分布曲線

由圖6 可知，框架結構橫向加速度峰值在0.005～0.016 m/s2之間，豎向加速度峰值在0.020～0.031 m/s2之間，縱向加速度峰值在0.10～0.40 m/s2之間?？蚣芙Y構縱向振動強度明顯高于橫向與豎向振動強度，由于TBM 掘進誘發(fā)振動在地表中作業(yè)面前后及兩側5～25 m 范圍內(nèi)為縱向振動強影響區(qū)，本文選取的建筑物測點均位于此范圍內(nèi)，且框架結構豎向剛度大于2 水平方向剛度。因此，TBM施工對于5～25 m 范圍內(nèi)的建筑物應該注重縱向振動的控制。

2.2 兩組治療前后空腹、餐后2h血糖及HbA1 c水平的比較 治療后，兩組空腹血糖、餐后2h血糖及HbA1 c較治療前比較，均有顯著改善（P＜0.05），但兩組治療后FPG、2hPG、HbA1c相比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表2。

雕刻藝術作為雕塑藝術的“孿生兄弟”，是指在木板、葫蘆、石膏、石頭等固體材料上，利用刻刀、鑿子、圓錐、扁斧和錘子等工具手段進行造型創(chuàng)作的藝術形式。它屬于非物質(zhì)文化遺產(chǎn)（簡稱“非遺”）。雕刻做的是減法，而雕塑是有加有減。雕刻藝術大都流傳在民間，因而具有濃厚的鄉(xiāng)土氣息。從其表現(xiàn)的形式與題材內(nèi)容上看，雕刻藝術盡管與傳統(tǒng)繪畫相去甚遠。即便如此，我們依然可以清晰地找到它們之間共同的文化脈絡，以及它們之間的姻緣關系。

橫向與縱向振動強度并不隨樓層單調(diào)增大，而是呈現(xiàn)出明顯的波動性，橫向振動在1～4 層隨層數(shù)增加振動強度有所放大，在5～6 層振動強度逐漸衰減，6 層以上振動逐步得到加強。縱向振動在2 層以上即開始呈現(xiàn)明顯波動性，在樓頂處振動得到加強，且在樓頂處呈現(xiàn)出遠離隧道兩跨的振動強度高于靠近隧道兩跨振動強度的特點。由圖6（b）可以看出，豎向加速度峰值隨層數(shù)的增加逐漸增大，2 層以上加速度峰值要大于第1 層，靠近隧道兩跨的加速度峰值要大于遠離隧道兩跨的加速度峰值。

5 結論

以青島地鐵某線路工程為依托，通過建立動力學計算模型，研究了TBM 掘進誘發(fā)地表及建筑物的三向振動響應特性，分析了不同掘進速度和刀盤推力下地表三向振動強度及頻率特性，主要得到以下結論。

1）總體上地表三向加速度空間上均表現(xiàn)出隨距離的增加而衰減的變化趨勢；地表橫向與豎向加速度隨距離的增大急劇衰減，縱向振動隨距離的增大出現(xiàn)反彈增大而后快速衰減；對比橫向與豎向振動，縱向振動強度不易衰減；作業(yè)面正上方地表5 m 范圍內(nèi)為豎向振動強影響區(qū)，5～25 m 為縱向振動強影響區(qū)；TBM 施工時，應該重視相關振動強度控制。

2）三向地表振動波頻譜成分較復雜，呈現(xiàn)明顯的低頻特性；隨距離的增加，豎向與橫向振動信號高頻部分均逐漸衰減，而縱向振動信號衰減不明顯；在距作業(yè)面一定距離后，三向振動信號頻率分布范圍均衰減為0～10 Hz。

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3）降低掘進速度，能有效減小地表橫向與豎向振動強度，但對于縱向加速度減弱效果不明顯；減小刀盤推力，能減弱地表豎向與縱向振動強度，但對橫向振動強度的影響不大；掘進速度與刀盤推力的變化均對地表振動頻率的分布無明顯影響。

4）框架結構縱向振動強度明顯高于橫向與豎向振動強度，豎向加速度峰值隨層數(shù)的增加逐漸增大，2 層以上加速度峰值要大于第1 層，橫向與縱向振動強度并不隨樓層單調(diào)增大，而是呈現(xiàn)出明顯的波動性，框架三向振動均在樓頂處得到明顯加強。