基于振動監(jiān)測的TBM隧道施工對既有建筑物的影響分析

郝冬雪，朱仁軍，武 科，陳 榕，鄭 揚，孫 杰

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132000；2山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061)

巖石隧道掘進機TBM施工，具有掘進效率高、施工質(zhì)量好、對巖石擾動小以及施工安全等優(yōu)點[1-3]，在隧道工程中的應(yīng)用日益增多.但我國城市軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)法[4-7]施工仍占主要地位，修建地鐵隧道采用TBM法施工的案例極少.對于城市地鐵建設(shè)來說，由于受特殊環(huán)境的制約，施工過程中需要對環(huán)境的影響降至最低[8，9].狹小城市空間地鐵隧道TBM機械掘進引起的施工振動，不僅影響TBM機械使用壽命，而且影響隧道周邊既有建筑物的穩(wěn)定和安全，TBM施工過程中對周邊建筑物的振動影響問題不容忽視.高瑋[10]等以重慶軌道交通六號線一期工程為背景，采用數(shù)值模擬方法，分析 TBM 施工引起的圍巖振動效應(yīng)特征.模擬結(jié)果表明，對一般的民用和工商業(yè)建筑，TBM 施工振動強度在安全允許范圍之內(nèi)，但對振動敏感的結(jié)構(gòu)，施工振動超出安全允許范圍，需要采取減震隔振措施.夏毅敏等[11]基于多體系統(tǒng)動態(tài)仿真平臺，對TBM隧道掘進進行了動力學(xué)仿真，以分析TBM支護推力系統(tǒng)在掘進過程中的振動問題.趙麗娟等[12]基于Pro/E、MATLAB、ADAMS和ANSYS聯(lián)合構(gòu)造的的協(xié)同仿真環(huán)境，建立了硬巖掘進機截割部虛擬樣機的振動模型.通過施加外部激勵，對其振動特性進行了研究，從而獲得了對系統(tǒng)整體性能不利的模態(tài)振型和頻率.

目前，針對TBM隧道掘進振動效應(yīng)的研究主要采用數(shù)值模擬和理論計算，然而，現(xiàn)場振速監(jiān)測方法卻是最為有效的評價方式[13-15].因此，本文依托青島地鐵1號線海泊橋站～小村莊站區(qū)間隧道TBM施工段側(cè)穿地表房屋建筑物工程，采用振速監(jiān)測方法，通過實時監(jiān)測現(xiàn)場TBM掘進過程中地表房屋建筑物的振動影響程度及分布規(guī)律，研究狹小城市空間地鐵隧道TBM機械掘進誘發(fā)既有建筑物的振動特征與規(guī)律.研究成果不僅為青島地鐵TBM隧道施工建設(shè)中周邊房屋建筑物的變形控制與防護設(shè)計提供重要的參考依據(jù)，而且也為TBM法在城市軌道交通中的實踐應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗和資料.

1 工程概況

青島地鐵1號線海泊橋站～小村莊站區(qū)間隧道TBM施工掘進長度約1.06公里，沿主干路人民路地下敷設(shè)，如圖1箭頭方向.道路兩側(cè)分布有大量的老舊居民樓及商鋪，樓層高約1層～8層.人民路為城市干道，道路寬度約20 m～30 m，規(guī)劃道路寬40 m，地面車輛較多，交通較繁忙，道路及兩側(cè)分布有大量的電力、熱力、煤氣、有線電視、郵電通信、雨水、污水、自來水管線等，管線埋深一般為1 m～3 m.區(qū)間左線側(cè)穿了多棟建筑，下穿人民路立交橋，沿線建筑物密集，道路狹窄.

圖1 海泊橋站～小村莊站區(qū)間隧道總平面圖

根據(jù)區(qū)間巖土工程勘察報告，該地貌類型主要為構(gòu)造～剝蝕區(qū)、山麓斜坡堆積區(qū)、河流侵蝕堆積區(qū)及濱海堆積區(qū).其地質(zhì)情況主要包括素填土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖等六個地層.TBM隧道掘進主要穿行于弱風(fēng)化花崗巖地層中.地下水主要受到地層巖性、地形、地貌及氣象狀況等綜合因素的影響，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，該場地內(nèi)以第四孔隙水及基巖裂隙水為主.TBM隧道掘進過程中，由于刀盤與掌子面巖石的硯磨作用，引起TBM機械和地層產(chǎn)生振動影響.當(dāng)TBM隧道側(cè)穿既有建筑物所產(chǎn)生的振動影響程度超過既有建筑物抗振能力，就會造成既有建筑物的變形破壞，危機人民生命安全.為有效避免此類事故的發(fā)生，必須通過隧道施工中的振動信息識別監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析，揭示青島城市軌道交通地鐵1號線TBM掘進區(qū)間震源特性，為TBM掘進施工引發(fā)沿線房屋建筑物的振動危害預(yù)測提供重要依據(jù).

2 TBM振動信息識別監(jiān)測方案

2.1 TBM振動信息識別監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

通過對TBM掘進區(qū)地表周圍房屋建筑物振速監(jiān)測，可實時掌控和分析TBM掘進施工對建筑物產(chǎn)生二次振動的影響程度，并精準(zhǔn)預(yù)報振動隱患或潛在事故，從而及時調(diào)整TBM掘進參數(shù)，合理有效地避免意外事故，達到保護房屋建筑物安全的目的.根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[16]規(guī)定，對于建(構(gòu))筑物的振動判斷依據(jù)，應(yīng)采用該建(構(gòu))筑物上監(jiān)測點的峰值振動速度和主振頻率兩個指標(biāo).一般建(構(gòu))筑物在主振頻率f≤10 Hz、10 Hz50 Hz時安全允許振動速度分別為1.5 cm/s～2.0 cm/s、2 cm/s～2.5 cm/s和2.5 cm/s～3.0 cm/s；考慮本項目地表已有建筑物為老舊建筑，振動安全允許速度值取下限值15 mm/s.

2.2 TBM振動信息識別監(jiān)測設(shè)備及布設(shè)方案

以國內(nèi)目前對于微振動測試的通用方法[17]為基

礎(chǔ)，本監(jiān)測采用數(shù)字便攜式激光多普勒測振儀PDV100.PDV100為便攜式激光測振儀，采用最先進的光學(xué)和信號處理設(shè)計，監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度高、系統(tǒng)內(nèi)部干擾噪聲小、抵抗外部干擾能力強.該設(shè)備用于表面振動速度的非接觸式測量，無需在監(jiān)測點上安裝傳感設(shè)備，水平方向和豎直方向的測量范圍涵蓋0.05 μm/s～0.5 μm/s之間，并配有高精度的數(shù)字濾波器，可用于超低頻到高頻之間的振動測量.

通過監(jiān)測前對TBM施工區(qū)段沿線地面環(huán)境調(diào)查分析，確定以左線掌子面中心位置k40 246.58為起點，通過近密遠疏的方式在地表調(diào)整布置監(jiān)測點(各監(jiān)測點與點宜在同一高程)，共布置6個監(jiān)測點.監(jiān)測點距掌子面中心的水平距離為L，L1=7 m、L2=20 m、L3=34 m、L4=49 m、L5=65 m監(jiān)測點布置如圖2所示.

圖2 監(jiān)測點布置圖

3 TBM振動信息識別監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 隧道掘進環(huán)境因素特征分析

考慮測試時現(xiàn)場實際情況，為分析環(huán)境狀態(tài)對測試結(jié)果的影響，將可能的環(huán)境狀態(tài)分為四種：平靜環(huán)境狀態(tài)(TBM不掘進作業(yè)，道路無重載大型車輛和較多輕載小型車輛行駛)、TBM掘進環(huán)境狀態(tài)(TBM正掘進作業(yè)，道路無重載大型車輛和較多輕載小型車輛行駛)、重載大型車輛通過地面道路狀態(tài)(TBM不掘進作業(yè)，道路無較多輕載小型車輛行駛)和輕載小型機動車輛通過地面道路狀態(tài)(TBM不掘進作業(yè)，道路無重載大型車輛行駛).在不同環(huán)境條件下，各測點水平方向和豎直方向的振動測試頻譜分析圖，如圖3～圖6所示.

(a)水平方向 (b)豎直方向圖3 平靜狀態(tài)下各測點振動頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖4 掘進狀態(tài)下各測點振動頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖5 重載大型車輛通過狀態(tài)下各測點振動頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖6 輕載小型機動車輛通過狀態(tài)下各測點振動頻譜分析圖

由隧道掘進環(huán)境因素差異性特征分析圖3～圖6可發(fā)現(xiàn)各監(jiān)測點的振動速度變化規(guī)律及不同環(huán)境對各測點振動反應(yīng)的影響.

(1)在平靜環(huán)境狀態(tài)下，1、2、3號監(jiān)測點處的振動幅度波動較大，這是由于三個監(jiān)測點靠近人民路，受到路上行人、非機動車輛以及附近商戶營業(yè)不同程度的影響；第4、5號監(jiān)測點振動速度隨著與人民路距離的增加而迅速衰減，波動頻率呈倒V字型分布，振動頻率在40 Hz以后，振動速度逐漸趨于穩(wěn)定，水平方向振動速度集中于1.2 mm/s～1.6 mm/s之間，豎直方向振動速度集中于1.25 mm/s～1.75 mm/s；

(2)在TBM掘進狀態(tài)下，各測點的的振動速度峰值皆集中于20 Hz～30 Hz之間.距離掌子面最近的1號監(jiān)測點水平方向最大振動速度為6.5 mm/s，豎直振動速度為6.75 mm/s，位于規(guī)范規(guī)定的允許安全振動速度之內(nèi).從整體上看，各監(jiān)測點豎直方向上的振動速度比水平方向上的振動速度大0.25 mm/s～0.4 mm/s；其中，5號監(jiān)測點在水平方向上和豎直方向上的振動曲線分布與平靜環(huán)境狀態(tài)下的基本相似.

(3)在大型重載車輛通過狀態(tài)下，鄰近人民路的第1、2、3號監(jiān)測點振動速度大幅度上升，這主要受到載重土方車及載人公交車傳遞過來的振動影響.由于第4、5號監(jiān)測點距離路面較遠，受大型重載車輛影響較小，其監(jiān)測到的振動速度隨著與人民路距離的增加而迅速衰減.與TBM掘進狀態(tài)相比，振動速度最大值增加了1.2倍左右，與平靜環(huán)境狀態(tài)相比，振動速度最大值增加了3倍左右.

(4) 在小型輕載機動車輛通過狀態(tài)下，各監(jiān)測點水平方向上最大振速集中于16 Hz～22 Hz之間，最大振動速度在1號監(jiān)測點，為5.27 mm/s；豎直方向上最大振速集中于18 Hz～24 Hz，最大振動速度為在2號監(jiān)測點，為5.41 mm/s；第1～5號點監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著與道路距離增加而不斷降低，振幅曲線整體呈倒V字型分布.其中，距離人民路最遠的5號監(jiān)測點在水平方向上和豎直方向上的振動曲線分布與平靜環(huán)境狀態(tài)下和TBM掘進狀態(tài)下的基本相似.

3.2 隧道掘進施工參數(shù)特征分析

為了進一步了解TBM掘進參數(shù)對地表建筑物的振動影響，在254～256環(huán)施工過程中采用了不同的掘進參數(shù)，形成了多種不同的掘進工況，相關(guān)掘進參數(shù)如表1所示.各環(huán)掘進時第3、4、5監(jiān)測點振動測試數(shù)據(jù)頻譜分析圖如圖7和圖8.

表1 TBM掘進技術(shù)參數(shù)

(a)水平方向 (b)豎直方向圖7 254環(huán)第3～5監(jiān)測點振動頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖8 255環(huán)第3～5監(jiān)測點振動頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖9 256環(huán)第3～5監(jiān)測點振動頻譜分析圖

由隧道掘進施工參數(shù)差異性分析圖7～圖9可見，

(1) TBM掘進施工對地表房屋建筑物的振動影響中，振動速度遠小于規(guī)范規(guī)定的安全振動標(biāo)準(zhǔn)15 mm/s.其中，豎直方向上的振動速度整體上要略大于水平方向.

(2) 在豎直方向上，TBM在255環(huán)掘進施工引發(fā)的振動速度要略低于254環(huán)，略高于256環(huán)，這是由于TBM在255環(huán)的刀盤轉(zhuǎn)速略低于254環(huán)(兩者推進速度相同)，推進速度略高于256環(huán)(兩者刀盤轉(zhuǎn)速相同).在水平方向上，TBM在各環(huán)掘進施工引發(fā)的振動速度基本持平.

(3) TBM掘進參數(shù)(刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、貫入度、總推力、推進速度、撐靴壓力等)的變化對第5號監(jiān)測點(L5=65 m)的振動頻譜幾乎無影響，不同工況下的5號點的振動頻譜大致相同，表明當(dāng)與掌子面中心水平距離大于4倍洞徑D時，TBM掘進施工產(chǎn)生的振動影響可以忽略不計.

4 結(jié)論與建議

為解決如何有效掌握TBM隧道掘進誘發(fā)地層振動響應(yīng)造成既有建筑物失穩(wěn)破壞過程的技術(shù)難題，依托青島地鐵1號線海泊橋站～小村莊站區(qū)間隧道TBM掘進施工段側(cè)穿地表房屋建筑物工程，采用振速信息識別監(jiān)測方法，研究了隧道掘進環(huán)境與施工參數(shù)的差異性對地表房屋建筑物的振動影響程度及分布規(guī)律，揭示了狹小城市空間地鐵隧道TBM機械掘進誘發(fā)既有建筑物的振動破壞特征與規(guī)律.主要研究成果如下：

(1) 本工程TBM掘進施工對地表房屋建筑物產(chǎn)生的振動速度遠低于規(guī)范規(guī)定的安全允許速度范圍15 mm/s.

(2) TBM掘進施工引發(fā)地面房屋建筑物振動，振動速度隨著與掌子面中心的地表水平距離L增加而迅速衰減，當(dāng)L≥4D時，TBM掘進施工對地面環(huán)境產(chǎn)生的振動影響可以忽略不計.

(3) 在地面道路上，隨著通過路面車輛的載重量增加，其對地表房屋建筑物的振動影響隨之增加.在有重載車輛通過的情況下，特別是土方車及公交車行駛時，對地面建筑物產(chǎn)生的振動大于TBM掘進施工引起的振動，需予以一定控制.

(4) TBM掘進參數(shù)的改變對施工引發(fā)地表房屋建筑物振動有一定影響，可適當(dāng)減小TBM推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進參數(shù)從而降低掘進施工對地表房屋建筑物的振動影響.