地鐵地下連續(xù)墻施工誘發(fā)的環(huán)境振動實測與分析

劉慶杰，胡孟達，雷曉燕，張鵬飛

（1.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,南昌 330013；2.南昌軌道交通集團有限公司,南昌 330013）

地鐵地下連續(xù)墻施工誘發(fā)的環(huán)境振動實測與分析

劉慶杰1，胡孟達2，雷曉燕1，張鵬飛1

（1.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,南昌 330013；2.南昌軌道交通集團有限公司,南昌 330013）

在地鐵的地下連續(xù)墻施工過程中，施工機械產(chǎn)生的環(huán)境振動會影響周邊居民的工作生活，并對文物保護建筑的健康造成威脅。選取南昌地鐵1號線子固路站—八一館站區(qū)間為測試地點，針對地下連續(xù)墻施工常用的兩種施工機械（沖擊鉆和成槽機）進行了地面振動的現(xiàn)場實測，分析了施工過程中兩種施工機械引起地面振動的特性和傳播衰減規(guī)律。分析表明，成槽機施工過程中產(chǎn)生振動較小，可用于對振動敏感的建筑物周邊的施工。沖擊鉆會產(chǎn)生較大振動，距離振源60 m范圍內(nèi)的建筑物需要考慮環(huán)境振動問題，在施工方案制定前應評估其對周邊建筑物和居民生活的影響。

振動與波；環(huán)境振動；地鐵；地下連續(xù)墻；Z振級

地鐵在緩解城市交通擁堵問題上起到了積極作用，但同時由其引發(fā)的環(huán)境振動污染問題影響了居民的生活和工作[1，2]?？傮w說來，該問題可從地鐵施工期和運營期兩個階段分別進行研究。對于地鐵運營期間列車誘發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境振動，雷曉燕教授利用有限元法對高層建筑在列車通過時的振動相應進行分析，并與實測結(jié)果進行對比[3-5]。劉維寧、夏禾建立數(shù)值仿真模型模擬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析[6，7]。謝偉平對不同建筑物類型的振動衰減規(guī)律進行分析[8]；柴元四，賈敏才等則對一般建筑物施工過程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動傳播規(guī)律與影響進行了相關(guān)評價[9-12]，但是針對地鐵施工過程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動問題的研究還存在不足。以南昌地鐵1號線的施工過程為研究背景，本文對地鐵施工過程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動進行實測分析與研究。

地下連續(xù)墻是地鐵車站和明挖區(qū)間的圍護結(jié)構(gòu)形式之一，在基坑深、地質(zhì)條件差、地下水位高時，一般都需要采用地下連續(xù)墻作為基坑的圍護結(jié)構(gòu)[1]。挖槽施工是地下連續(xù)墻施工過程中振動問題比較突出的環(huán)節(jié)，其施工持續(xù)時間較長，施工機械產(chǎn)生振動大。因此，在地下連續(xù)墻施工之前應對施工機械產(chǎn)生的振動進行評估，確定合理的施工方案，以保障周邊居民的正常生活及文物保護建筑的安全。挖槽施工中常用的機械有沖擊鉆和成槽機，如圖1、圖2所示。

圖1 沖擊鉆

圖2 液壓抓斗成槽機

地鐵施工產(chǎn)生的振動主要會產(chǎn)生兩方面的危害，即對周邊的建筑結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生危害及對周圍居民工作生活產(chǎn)生影響。因此，在評價施工振動的影響時，要從這兩個方面入手。對于古建筑或文物保護建筑，我國標準以振動速度峰值作為評價指標，按照建筑的保護級別和結(jié)構(gòu)類型規(guī)定了不同的容許限值，表1為全國重點文物保護單位的振動速度峰值的限值。對于環(huán)境振動評價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。不同建筑類別有不同的評價標準，表2為部分區(qū)域Z振級限值。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3為我國環(huán)境振動評價的相關(guān)標準和適用范圍。

表1 全國文物保護單位速度峰值的限值（/mm/s）

表2 部分區(qū)域Z振級限值

圖3 中國振動評價體系

1 測試設(shè)備與測點布置

1.1 測試設(shè)備

采用德國Head公司DATaRec 4 DIC 24數(shù)據(jù)采集儀和Artemi S數(shù)據(jù)采集分析軟件進行數(shù)據(jù)采集與分析，傳感器采用中國地震局工程力學研究所941 B型振動傳感器。

1.2 施工機械參數(shù)

測試區(qū)段地下連續(xù)墻成槽施工采用兩種機械：沖擊鉆和液壓抓斗成槽機，其中沖擊鉆提升高度為2～3 m，錘重為2.8（t錘頭直徑800 mm)～3.6 t(錘頭直徑1000 mm)。液壓抓斗成槽機的成槽寬度為0.35 m～1.5 m，最大提升力為600 kN，卷揚機單繩拉力為2×300 kN，抓斗重量為15 t～30 t，主機重量（不含抓斗）為92.1 t。

1.3 測點布置

為了分析地下連續(xù)墻施工誘發(fā)環(huán)境振動的特征、幅值和分布衰減規(guī)律，選取南昌地鐵1號線八一館—子固路站區(qū)間（簡稱子八區(qū)間）作為測點。八一館站位于中山路與象山北路的交叉口，屬于繁華的商業(yè)區(qū)，區(qū)間穿過居民區(qū)，國家級文物保護單位八一起義紀念館距離施工地點僅有50 m。子八區(qū)間采用明挖法施工，地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)，在區(qū)間內(nèi)同時有沖擊鉆和成槽機進行開挖作業(yè)。區(qū)間兩側(cè)既有大型商業(yè)中心、居民樓，也有國家級文物保護單位八一起義紀念館，因此需要對環(huán)境振動進行詳細的評估與分析。

測試規(guī)定z向為垂直地面方向，x、y為水平向，其中x向指向振源（施工機械），y向與x向垂直。本次測試選擇了2個測點，如圖4所示。測點1靠近象山北路路口，該處采用沖擊鉆施工，在距沖擊鉆2 m、4 m、8 m、12 m、16 m處的地面布置測點，測試地面三向的振動速度和加速度。測點2位于近勝利路步行街口，用于測試成槽機施工的振動，測點布置在成槽機履帶旁2 m處。

圖4 測點布置

2 施工機械振動特性分析

在沖擊鉆施工過程中，振動由鉆頭沖擊大地產(chǎn)生，振源的位置非常明確。成槽機產(chǎn)生的振動包括：液壓抓斗作業(yè)誘發(fā)振動、成槽機走形設(shè)備（履帶）產(chǎn)生的振動以及設(shè)備動力系統(tǒng)振動，其中后兩者為振動主要來源，通過成槽機履帶傳入大地。因此，選取沖擊鉆孔邊的地面和成槽機履帶旁地面進行振動特性的對比分析。

圖5和圖6分別為沖擊鉆和成槽機在施工過程中，距離振源2 m處地面垂向振動時程曲線，每次測試持續(xù)300 s，圖的左側(cè)為全程振動時程曲線，右側(cè)為振動最大值出現(xiàn)時間附近的振動時程。

圖5 沖擊鉆施工振動時程曲線

圖6 成槽機施工的振動時程曲線

從圖5中可以看到，沖擊鉆施工具有明顯的周期特性，約6 s沖擊一次（與孔的深度有關(guān)），每次沖擊產(chǎn)生的振動持續(xù)時間很短（約0.5 s）。而成槽機施工振動沒有明顯的規(guī)律性。

分別對成槽機和沖擊鉆施工300 s全程振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析。圖7為頻譜分析圖，從圖中可以看到，成槽機施工振動的頻率成分較為豐富，在11.8 Hz、15.2 Hz和32.3 Hz出現(xiàn)峰值，振動能量主要集中在10 Hz～25 Hz。沖擊鉆施工振動頻率較為單一，分別在1.95和15.1 Hz時出現(xiàn)峰值。在振源處，二者頻率分析的峰值都出現(xiàn)在15 Hz附近，沖擊鉆振動在此頻率的最大值為1.65 mm/s，遠遠大于成槽機的0.12 mm/s。

圖7 兩種施工機械振動信號的頻譜分析

3 施工引起的地面振動的衰減規(guī)律

圖8為沖擊鉆施工時距離振源不同距離測點振動速度最大值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，地面振動z向振動最大，x向次之，y向最小。地面振動速度隨距離增大而減小，衰減趨勢先急后緩，成對數(shù)曲線衰減，且在8 m處有放大。z向振動峰值在距振源16 m處，仍可以達到5.35 mm/s，遠高于我國對古建筑的允許限值。成槽機產(chǎn)生的振動速度遠小于沖擊鉆，在距離振源2 m處，x向振動最大，其次是z向振動，y向振動較小。

人體對振動的感覺與振動頻率、振動加速度的大小有關(guān)[9]，我國對于環(huán)境振動的評估采用Z振級作為評價指標。Z振級是根據(jù)國際標準化組織建議的1 Hz～80 Hz等感度曲線進行修正后得來的。其計算公式為

圖8 不同方向振動最大值隨距離衰減

式中Δf為不同頻率的振級修正值。

對采集到的速度信號進行微分得到振動速度信號，利用Matlab軟件編寫Z振級計算公式，可得到?jīng)_擊鉆施工時不同距離地面的Z振級，同時計算出距離成槽機履帶2 m處Z振級，如圖9所示。

圖9 Z振級隨距離的衰減及擬合

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）Z振級隨距離增大而衰減，具有明顯的對數(shù)曲線性質(zhì)。利用該性質(zhì)，距離的對數(shù)和Z振級進行線性擬合，可已得到Z振級衰減公式為

該擬合公式的R2=0.992 7，說明擬合曲線與實測一致性較好?？梢杂糜陬A測不同距離的振動級。按照該公式，當x=272.54 m時，VLZ=75 dB，也就是說對于測點所在的區(qū)域（混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)）在距離振源272.54范圍內(nèi)，都需要考慮沖擊鉆的影響。

（2）成槽機施工時的振動Z振級遠遠小于沖擊鉆施工，只有79.51 dB。

4 結(jié)語

以南昌地鐵1號線地下連續(xù)墻施工為工程背景，對挖槽施工中采用的兩種施工機械進行了振動測試，分析了施工振動的特性和傳播衰減規(guī)律，并從對文物保護建筑的影響和對居民工作生活的影響兩個方面對兩種施工方法進行了分析和對比。通過分析研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)成槽機施工振動較小，對于振動敏感建筑物附近的挖槽施工應優(yōu)先選用；沖擊鉆施工過程中會產(chǎn)生較大的振動，應對其可能產(chǎn)生的環(huán)境危害進行評估；

(2)沖擊鉆施工振動具有明顯的周期性，產(chǎn)生振動主頻在15.1 Hz附近。成槽機施工振動具有隨機性，振動能量集中在10～25 Hz的頻率范圍內(nèi)；

(3)沖擊鉆施工地面振動速度隨距離增大而減小，衰減趨勢先急后緩，成對數(shù)曲線衰減。z向振動峰值在距振源16 m處，仍可以達到5.35 mm/s，遠高于我國對古建筑的允許限值，在研究施工方案時應予以考慮。成槽機產(chǎn)生的振動速度遠小于沖擊鉆；

(4)Z振級隨距離增大而衰減，成槽機施工時的振動Z振級遠小于沖擊鉆施工。

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Field Testing andAnalysis of Environment Vibration Induced by Construction of Underground Diaphragm Walls of Subways

LIU Qing-jie1，HU Meng-da2,LEI Xiao-yan1,ZHANG Peng-fei1
(1.Engineering Research Center of Railway Vibration and Noise of Ministry of Education, East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China; 2.Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation,Nanchang 33001,China)

During the construction of underground diaphragm walls,the vibration induced by construction machines has harmful influence on the adjacent residents and historic preservation buildings.In this paper,Nachang Metro Line1 was selected as a spot for field testing.The ground vibrations induced by two types of construction machines,impact drill and trenching machine,were measured.The characteristics and attenuation rule of the vibration were analyzed.The results show that the vibration induced by trenching machine is low,so it can be used in the vibration-sensitive areas.While the impact drill can yield large vibration,so the buildings near the vibration source will be influenced greatly by the machine.This influence should be assessed before construction planning.

vibration and wave;environment vibration;metro;underground diaphragm wall;Z vibration level

U211.3

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.030

1006-1355(2015)03-0140-04

2014－12－14

國家自然科學基金（51368021）；南昌軌道交通集團有限公司技術(shù)開發(fā)課題資助(2013001)

劉慶杰（1982－），男，河北高碑店人，博士生，主要研究方向：軌道結(jié)構(gòu)動力學、鐵路環(huán)境振動。

雷曉燕（1968－），男，江西豐城人，博士生導師。E-mail:xiaoyanlei2013@163.com