軟土地層盾構(gòu)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(shù)中心 ，201103，上海；2.同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，200092，上海∥第一作者，高級工程師）

高科技園區(qū)或高等研究所等機構(gòu)往往設(shè)置有精密加工線或精密儀器和設(shè)備。當(dāng)城市軌道交通線路途徑上述區(qū)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(shè)備出現(xiàn)信噪比低、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、重復(fù)性變差、準(zhǔn)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(jīng)過北京大學(xué)物理試驗樓，北京地鐵10號線途經(jīng)中國科學(xué)院微電子所，北京地鐵16號規(guī)劃線路經(jīng)過北京大學(xué)精密儀器試驗樓，上海軌道交通2號線近距離途經(jīng)張江高科園區(qū)等。隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，將越來越多地面臨這類問題。目前，國內(nèi)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(jié)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(gòu)法施工引起周邊環(huán)境振動的水平，以及不同掘進參數(shù)對振動的影響，通過與精密儀器設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的容許振動值進行對比研究，為工程建設(shè)和管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 精密儀器設(shè)備的容許振動值

容許振動值是指保證精密儀器、設(shè)備能正常工作時其支撐結(jié)構(gòu)處的最大振動量值。國內(nèi)對精密儀器與設(shè)備的容許振動值在GB 50463—2008《隔振設(shè)計規(guī)范》［5］中規(guī)定了光刻設(shè)備在頻域為4～80Hz范圍內(nèi)的容許振動值。目前《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》正在制定中，其中對精密設(shè)備、儀器的容許振動值也進行了相應(yīng)規(guī)定。鑒于精密儀器和設(shè)備的用途不同、制造商眾多，且隨著納米、微電子、光電等技術(shù)的不斷發(fā)展，對設(shè)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(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，引用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)為VC準(zhǔn)則和NIST－A準(zhǔn)則。VC準(zhǔn)則最早于1983年由Eric Ungar和Colin Gorden針對振動敏感設(shè)備而提出，原應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，后由美國環(huán)境科學(xué)與技術(shù)學(xué)會（IEST）所采納。該學(xué)會發(fā)布的指導(dǎo)性文件《潔凈室設(shè)計的考慮》推薦使用該準(zhǔn)則［6］，并被世界各國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所引用。VC準(zhǔn)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(zhǔn)則最早于上世紀(jì)90年代由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）先進測量實驗室提出，原應(yīng)用于計量科學(xué)，后在納米科學(xué)領(lǐng)域被普遍采用。NIST－A準(zhǔn)則在1／3倍頻程中心頻率為20 Hz以上時，與VC準(zhǔn)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(biāo)。

2 振動測試項目概況

上海城市軌道交通線路某區(qū)間施工采用外徑6.2m的單圓盾構(gòu)，覆土厚度約12m。盾構(gòu)區(qū)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(cè)，距離線路最近側(cè)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(guī)格硅片的主生產(chǎn)廠房，在鄰近線路側(cè)配置諸多精密檢測設(shè)備的失效分析實驗室。廠方根據(jù)生產(chǎn)要求，提出設(shè)備容許振動應(yīng)滿足VC準(zhǔn)則的VC－D曲線標(biāo)準(zhǔn)（以下簡為VC－D標(biāo)準(zhǔn)）。

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(gòu)掘進施工經(jīng)過廠區(qū)之前，對其所引起的場地振動影響做出評估，據(jù)此提出相應(yīng)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(gòu)掘進施工通過主廠房之前，在距離主廠房20m時對盾構(gòu)掘進施工的振動影響進行現(xiàn)場測試分析，了解盾構(gòu)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(yīng)的措施，以保障盾構(gòu)掘進施工通過主廠房時不影響主廠房的正常生產(chǎn)。②在盾構(gòu)掘進施工通過主廠房時，進行現(xiàn)場監(jiān)測，實時了解盾構(gòu)掘進施工振動對主廠房生產(chǎn)的影響，并研究盾構(gòu)掘進不同技術(shù)參數(shù)對激發(fā)環(huán)境振動的影響規(guī)律，檢驗所提出的相關(guān)措施的有效性。

2.2 數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

3.1 盾構(gòu)通過廠房前的測試

盾構(gòu)掘進通過廠房前第一次測線距離廠房西側(cè)邊緣約20m，其布置如圖1所示。測線上1～6號各測點與盾構(gòu)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(jié)果

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

在這三種測試環(huán)境狀態(tài)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(huán)境狀態(tài)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(qū)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。

2）在盾構(gòu)掘進環(huán)境狀態(tài)下：臨近掘進隧道的第1、2號測點處顯現(xiàn)出盾構(gòu)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(qū)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。

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(tài)下：臨近隧道的第1、2號測點處顯現(xiàn)出載重土方車激發(fā)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(huán)境狀態(tài)相比，增大10倍以上；與盾構(gòu)掘進環(huán)境狀態(tài)相比，增大1.7倍以上），特別是豎向振動速度大大超過盾構(gòu)掘進引起的振動（增大3倍以上）。盡管在廠區(qū)內(nèi)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(gòu)掘進引起的振動。

3.1.2 鄰近廠房的豎向振動

現(xiàn)對鄰近廠房的6號測點豎向振動實測結(jié)果進行進一步分析。圖5～圖7分別給出了平靜時段、盾構(gòu)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(jié)果：圖7中的粗橫線為VC－D標(biāo)準(zhǔn)，各速度樣本的1／3倍頻程都處于VC－D標(biāo)準(zhǔn)值以下；廠區(qū)場地的環(huán)境振動沒有超過VC－D標(biāo)準(zhǔn)。

2）盾構(gòu)掘進施工時段實測結(jié)果：在圖6中的樣本大多數(shù)處于VC－D標(biāo)準(zhǔn)以下，少數(shù)樣本略有超過，而平均值達(dá)標(biāo)。這表明盾構(gòu)掘進施工對場地的振動是有影響的，需要采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，但影響有限?/p>

3）地面載重土方車行駛時段實測結(jié)果：在圖7中的30個樣本均大大超過VC－D標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果（豎向分量）

圖6 6號測點處盾構(gòu)掘進時段測試結(jié)果（豎向分量）

圖7 6號測點處地面載重土方車經(jīng)過時段測試結(jié)果（豎向分量）

3.1.3 減小施工振動影響的措施

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，提出以下2項減振措施：

1）在盾構(gòu)掘進時降低掘進速度；

2）嚴(yán)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(gòu)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(gòu)掘進參數(shù)對其激發(fā)環(huán)境振動的影響；二是驗證減振措施的有效性，并檢測盾構(gòu)掘進通過時引起環(huán)境振動是否符合VC－D標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)掘進速度的前提下，為進一步了解盾構(gòu)掘進速度對地面振動的影響，在盾構(gòu)通過隧道265、266、267環(huán)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(shù)參數(shù)如表1所示）。各環(huán)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(gòu)掘進技術(shù)參數(shù)

從圖8～圖10的結(jié)果分析可得出：

1）盾構(gòu)掘進參數(shù)（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(huán)境振動影響不大，三種工況下的環(huán)境振動水準(zhǔn)大致相同。

2）盾構(gòu)掘進引發(fā)的地面環(huán)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(nèi)場地上的豎向速度平均值1／3倍頻程結(jié)果略大于VCD標(biāo)準(zhǔn)，而南北向、東西向的水平速度分量滿足VCD標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)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(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 盾構(gòu)掘進通過廠區(qū)時的實時監(jiān)測

圖11為盾構(gòu)掘進施工通過廠區(qū)時失效分析實驗室外地面（距離盾構(gòu)162m，盾構(gòu)處在265環(huán)位置）的現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。圖11中，水平粗虛線為VC－D振動限值標(biāo)準(zhǔn)，粗實線為40個振動樣本的平均值。圖11中的數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)掘進時所測到的40個振動樣本絕大多數(shù)未超過VC－D的振動限值標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與建議

圖8 265環(huán)盾構(gòu)掘進施工時的測試結(jié)果

1）盾構(gòu)掘進引發(fā)的地面環(huán)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(biāo)準(zhǔn)，其最大值略大于VC－D標(biāo)準(zhǔn)，而水平速度滿足VC－D標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)掘進參數(shù)（刀盤扭矩、土壓力、推力、推進速度等）對63m以外場地環(huán)境振動影響不大，三種工況下的環(huán)境振動水準(zhǔn)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(huán)境振動遠(yuǎn)大于盾構(gòu)掘進引起的振動，并遠(yuǎn)超過VC－D標(biāo)準(zhǔn)，需嚴(yán)格予以控制。

圖9 266環(huán)盾構(gòu)掘進施工時的測試結(jié)果

圖10 267環(huán)盾構(gòu)掘進施工時的測試結(jié)果

圖11 盾構(gòu)掘進通過廠區(qū)時實時監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

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