地下連續(xù)墻挖槽施工誘發(fā)建筑物振動的實測與分析

胡蒙達，劉慶杰，雷曉燕，張 煒

（1.南昌市軌道交通集團有限公司，江西 南昌330038；2.華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌330013）

地鐵可以有效緩解城市交通擁堵問題，但其引發(fā)的環(huán)境振動會影響到人們工作生活，甚至會威脅到建筑物的安全。地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動可以從施工期和運營期兩個方面進行研究。對于地鐵運營期間列車誘發(fā)所產生的環(huán)境振動，雷曉燕教授［1-4］利用有限元法對高層建筑在列車通過時的振動相應進行了分析，并與實測結果進行了對比。劉維寧教授、夏禾［5-6］教授建立了數值仿真模型模擬了地鐵列車引起的地面振動，并對地面振動放大區(qū)和地層相應主要頻帶進行了分析。謝偉平教授［7］對不同建筑物類型的振動衰減規(guī)律進行了分析；在施工振動方面柴元四，賈敏才等專家學者［8-11］則對一般建筑物施工過程中所產生的環(huán)境振動傳播規(guī)律與影響進行了相關評價，但是針對地鐵施工過程中所產生的環(huán)境振動問題的研究還存在不足。

基于南昌地鐵1號線的施工過程為研究背景，本文對地鐵施工過程中對建筑物的振動影響進行了實測分析與研究。

地鐵工程的地下連續(xù)墻主要用于沉降控制要求高、建筑物密集的地段，它具有結構剛性大，適應各種地質條件，施工深度快，機械化程度高等優(yōu)點［12］。在其施工過程中施工機械會產生較大的振動，影響周邊居民的生活，甚至對建筑物的安全造成威脅。本報告針對南昌地鐵一號線地下連續(xù)墻施工采用的兩種施工工藝（沖擊鉆、成槽機）進行現場實測，分析了施工過程中地面和建筑物振動的特性和傳播衰減規(guī)律，從建筑物安全和居民生活工作兩個角度對兩種施工工藝產生的振動進行了評價，結果可作為振動敏感地段施工機械選擇的參考依據。

1 概述

1.1 測試內容

測試以萬壽宮商場為對象，測試了商場各樓層的振動響應。萬壽宮商場位于子八區(qū)間，臨近“八一南昌起義紀念館”，建筑物外墻距地下連續(xù)墻僅1.5 m，為5層鋼筋混凝土框架結構。如圖1所示。地下連續(xù)墻施工過程中，該區(qū)域施工以成槽機施工為主，沖擊鉆作為輔助施工手段，因此，可以在該建筑物內測試兩種施工機械對建筑物的振動影響。

圖1 測點位置Fig.1 Position of test point

1.2 測試儀器

采集儀采用德國Head公司DATaRec 4 DIC24數據采集儀，采用ArtemiS 數據采集分析軟件進行數據采集與分析，傳感器采用中國地震局工程力學研究所941B型振動傳感器。

1.3 施工機械

南昌地鐵1號線子固路站至八一館站區(qū)間地下連續(xù)墻成槽施工主要采用兩種機械：沖擊鉆和抓斗成槽機，施工機械的參數如下：

沖擊鉆：6 m標準槽段（深度約22 m），平均沖一幅槽需7天，沖擊次數約每分鐘5次左右，提升高度2～3 m，錘重2.8 t（錘頭直徑800 mm）～3.6 t（錘頭直徑1 000 mm），見圖2。

金泰SG60 液壓抓斗成槽機：6 m 標準槽段（深度約20 m），平均抓一幅槽需48 h。（地質由地面往地下12 m為沙礫層、圓礫層；12 m以下為泥質粉砂巖［3］），見圖3。

圖2 沖擊鉆Fig.2 Impact drill

圖3 液壓抓斗成槽機Fig.3 Trench machine

2 建筑物振動特性分析

地鐵施工振動主要會產生兩方面的危害，一方面振動會影響周邊的建筑的安全，另一方面，也會干擾周邊居民的生活。對于古建筑或文物保護建筑，我國以振動速度峰值作為評價指標，根據建筑的價值和結構由不同的容許限值，對于環(huán)境振動評價則以振動加速度作為評價指標，按照建筑物所在的區(qū)域和重要程度對建筑物進行分類，不同建筑有不同的評價標準。由于人體對不同頻率的感受不同，評價時往往需要對振動加速度進行修正。圖4為我國環(huán)境振動評價的相關標準和適用范圍。

圖4 中國振動評價體系Fig.4 Assessment system in China

振動的測點布置在每層樓板的中央，測試樓板三個方向的振動速度，測試時間為5 min。由于地鐵施工的影響，商場內客流很小，對測試結果影響很小。圖5，圖6分別為成槽機和沖擊鉆施工時，一樓樓板振動時程曲線，從圖中可以看到，成槽機施工振動具有一定的不規(guī)則性，這主要是因為成槽機施工產生的振動由多種成分構成，既有機械設備和動力設備產生的振動，又有來自于挖斗與土相互作用產生的振動，而這些振動都不具有周期性。而沖擊鉆施工具有明顯的周期性，約7.5 s產生一次沖擊（與槽深有關）。

圖5 成槽機施工1樓地面振動速度時程曲線Fig.5 Vibration time-history curve of floor 1 during trench machine construction

圖6 沖擊鉆施工1樓地面振動速度時程曲線Fig.6 Vibration time-history curve of floor 1 during impact drill construction

圖7為沖擊鉆和成槽機施工過程中，各樓層的振動速度峰值。

圖7 各樓層振動速度峰值Fig.7 Peak velocity of each floor

從圖7可以看出：成槽機施工引起建筑物振動以豎向振動為主，y方向振動較小。3個方向的振動能量由第1層到第2層有比較大的衰減，第2層到第5層變化較小；沖擊鉆引起的建筑物振動遠大于成槽機，沖擊鉆引起建筑物振動也以豎向為主，隨著樓層的增加，沖擊鉆誘發(fā)的建筑物振動有比較大的衰減。由于施工振動以沖擊振動為主，短時的振動波無法激勵建筑物的模態(tài)，因此振動響應隨樓層呈現總體衰減的趨勢。施工中沖擊力具有一定隨機性，造成了二層的y向、z向振動程的上升趨勢。

表1 施工建筑物各層最大振動速度Tab.1 Peak velocity of each floor during construction

從表1可知，以速度為評級指標，成槽機引發(fā)建筑物振動均沒有超過標準，而沖擊鉆在第1層的3個方向均超出了標準，1～3層的z方向也超過了振動標準［3］。

圖8 成槽機施工1樓地面振動頻域特性Fig.8 Frequency characteristics of the first floor vibration during trench machine construction

圖9 沖擊鉆施工1樓地面振動速度頻域分析Fig.9 Frequency characteristics of the first floor vibration during impact drill construction

從頻譜圖可知：成槽機引起建筑物振動主頻集中在20 Hz左右，x、z振動能量較為接近，y方向最??；沖擊鉆引起建筑物振動主頻也集中在20 Hz左右，其中z向的振動能量遠大于其他兩個方向。兩種施工機械誘發(fā)建筑物振動均以低頻為主，而建筑物本身對于低頻又較為敏感［2-3］，這對于周邊建筑物是不利的，尤其是沖擊鉆引起的振動較大。

3 環(huán)境振動的評價

對于環(huán)境振動的評價環(huán)境保護部和住建部分別發(fā)布了相應的評價標準，即GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》和GB/T 50355-2005《住宅建筑室內振動限值及其測量方法》。其中《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》主要針對城市區(qū)域環(huán)境，評價指標為z振級；《住宅建筑室內振動限值及其測量方法》針對的是住宅建筑（含商住樓）室內振動評價，評價指標為1/3各倍頻程振動加速度級La。對于被測建筑，z振級相應的標準值為晝間75 dB，夜間72 dB。La如表2所示。

表2 各倍頻程La限值Tab.2 Criteria of Lain different octave

首先用指標z振級對各測點進行評價，對垂向振動速度一次微分得到各測點的振動加速度，利用matlab編寫程序計算得到各測點的z振級，如表3所示。

從表3可知成槽機施工引起的建筑物振動較小，均沒有超過標準，隨著樓層的增加，成槽機引起的振動總體上呈現衰減趨勢，從第1 層到第2 層減小了6.4 dB，在第4 層出現了拐點。沖擊鉆施工引起的建筑物振動較大，在1～2層超過了晝間振動的標準，3層超過了夜間振動的標準，在第3層到第5層衰減較大，達到了10.5 dB。

表3 各層樓面z振級Tab.3 z vibration level of each floor

圖10 成槽機施工振動與標準值對比Fig.10 Comparison between vibration induced by trench machine and the criterion

圖11 沖擊鉆施工與標準值對比Fig.11 Comparison between vibration induced by impact drill and the criterion

圖10，圖11 分別為成槽機、沖擊鉆施工振動與GB/T 50355-2005《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》規(guī)定的對比。從圖中可以發(fā)現，標準值的對比成槽機施工引起的建筑物振動較小，均沒有超過標準，不同樓層的振動能量較為接近，并沒有明顯的振動規(guī)律。

沖擊鉆施工引起的建筑物振動較大，3 樓的振動已經超過了夜間限值，5 樓振動較小。地鐵車站施工時，沖擊鉆施工不宜在夜間進行。

4 結論

1）沖擊鉆施工時有一定的周期性，而成槽機由于本身的特性，周期不明顯。

2）以速度為評價指標，沖擊鉆引起的建筑物振動遠大于成槽機，且均沒有超過標準；以z振級為評級指標，總體上仍以沖擊鉆施工振動較大，建筑物3層以下受沖擊鉆影響較大，且沖擊鉆引發(fā)的振動已經超過夜限標準。

3）兩種機械施工引發(fā)振動均以低頻為主，建筑物對低頻振動較為敏感，故對建筑物有一定的影響。

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