巖溶地區(qū)地下連續(xù)墻成槽施工振動測試與分析

吳曉騰

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程公司，天津 300350）

0 引言

地下連續(xù)墻因具有剛度大、噪聲小、整體性強(qiáng)、防滲性和耐久性好等優(yōu)點，被廣泛用于地鐵的深基坑開挖支護(hù)。我國地下連續(xù)墻成槽施工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前已有“抓—沖”結(jié)合、“抓—旋—沖”結(jié)合、“抓—鉆—沖”結(jié)合和“抓—銑”結(jié)合等地下連續(xù)墻成槽施工工藝，在巖溶地區(qū)常采用“抓—沖”結(jié)合的施工工藝和“抓—銑”結(jié)合的施工工藝。

地鐵建設(shè)項目常處于城市的人員密集區(qū)與建（構(gòu)）筑物密集區(qū)，對于地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶地區(qū)，因其溶洞發(fā)育強(qiáng)烈、巖面起伏大導(dǎo)致的地質(zhì)特殊性，在地下連續(xù)墻成槽施工過程中會帶來較大風(fēng)險，輕則導(dǎo)致對鄰近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生一定的擾動、產(chǎn)生較大灰塵污染環(huán)境、產(chǎn)生較大噪音影響人的身心健康，重則導(dǎo)致地面塌陷、房屋開裂受損等。

本文依托昆明某地鐵車站建設(shè)項目，進(jìn)行巖溶地區(qū)“抓—沖”結(jié)合工藝和“抓—銑”結(jié)合工藝地下連續(xù)墻施工振動測試與分析，主要研究不同施工工藝作業(yè)時引起的地面振動響應(yīng)峰值和頻譜信息，建立2種施工工藝的振動響應(yīng)衰減公式，以此確定巖溶地區(qū)地下連續(xù)墻成槽施工區(qū)建（構(gòu)）筑物最小安全距離。本文的研究成果可為類似項目臨近建筑的地下連續(xù)墻施工振動防護(hù)和安全評估提供參考。

1 巖溶地區(qū)地下連續(xù)墻成槽工藝

1.1 “抓—沖”結(jié)合成槽施工工藝

“抓—沖”結(jié)合成槽施工工藝是在上部強(qiáng)度較低的砂土層直接采用液壓抓斗成槽，當(dāng)進(jìn)入到液壓抓斗無法繼續(xù)成槽的下部巖層時，采用沖擊鉆從當(dāng)前槽面進(jìn)行沖擊成孔，沖孔完成后，采用液壓抓斗對沖碎的巖層進(jìn)行抓槽，并用方錘進(jìn)行修槽。

在國內(nèi)市場上出現(xiàn)銑槽機(jī)之前，沖孔鉆機(jī)是最常用的成槽設(shè)備，該設(shè)備是在硬巖中進(jìn)行地下連續(xù)墻成槽最多的設(shè)備。由施工現(xiàn)場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，沖擊鉆機(jī)在巖溶地區(qū)的成孔效率為0.5m/h，采用“抓—沖”結(jié)合施工工藝對地質(zhì)條件復(fù)雜的灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行成孔施工時，溶洞發(fā)育強(qiáng)烈、巖面起伏大等因素易導(dǎo)致在成孔過程中出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

1.2 “抓—銑”結(jié)合成槽施工工藝

“抓—銑”結(jié)合成槽施工工藝是在上部強(qiáng)度較低的砂土層直接采用液壓抓斗成槽，當(dāng)進(jìn)入到下部堅硬巖層時，采用銑槽機(jī)進(jìn)行銑槽并最終成槽。

雙輪銑槽機(jī)被譽(yù)為硬巖地層施工的“殺手锏”，是目前地下空間開發(fā)最前沿、最高效的設(shè)備，相較于傳統(tǒng)的沖孔鉆機(jī)，雙輪銑槽機(jī)具有顯著的優(yōu)越性。“抓—銑”結(jié)合施工工藝成槽效率高，可以大大縮短施工工期，雙輪銑槽機(jī)在巖溶地區(qū)的成槽效率可達(dá)1.5~2.0 m/h，該施工過程產(chǎn)生的振動不會對相鄰建筑產(chǎn)生較大擾動，但購買雙輪銑槽機(jī)的直接成本較高，且在強(qiáng)度較高的巖層中成槽時，易對銑齒造成不同程度的磨損破壞，極大地提高了設(shè)備的維修費(fèi)用。

2 工程概況

昆明地鐵四號線某車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 500 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐方案，車站總長度為131.3 m，采用地下4層島式站臺形式。標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻插入深度為20 m，盾構(gòu)段地下連續(xù)墻插入深度為21 m。車站地下連續(xù)墻與后期主體結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻形成疊合墻，地下連續(xù)墻混凝土超灌高度為500 mm。根據(jù)設(shè)計要求，端頭井位置地下連續(xù)墻深度為56.6 m，其余位置地下連續(xù)墻深度為54.1 m。

車站范圍內(nèi)的地質(zhì)情況自上而下可分為第四系人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)剝蝕殘積層（Q4el+dl）以及二疊系下統(tǒng)陽新組（P1y）3個地層單元，現(xiàn)將各巖土層分布及特征分述如下：

1）第四系人工填土層（Q4ml）。人工填土層：以素填土為主，分布于線路表層，層厚為0.50~4.40 m，平均厚度為2.21 m，為近期人工堆填而成，主要由黏性土和少量碎石組成，稍壓實，屬Ⅰ級松土。

2）第四系全新統(tǒng)剝蝕殘積層（Q4el+dl）。粉質(zhì)黏土層：褐黃色、棕紅色、灰色，可塑，主要成分為粘粒，次為粉粒，土質(zhì)較均勻，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部干強(qiáng)度較高，呈層狀分布，中等壓縮性土，層厚為0.50~29.70m，平均厚度為11.59m，層面埋深為0~10.00m。

3）二疊系下統(tǒng)陽新組（P1y）。溶洞層：以串珠狀溶洞為主，主要全充填，局部無充填，充填物成分為黏土，局部掉鉆、無明顯漏水現(xiàn)象；白云巖層：灰白色，淺灰色，中等風(fēng)化，主要由碳酸鹽礦物組成，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，多為全充填，少量無充填，揭露層厚為0.20~69.33 m。

3 振動測試

3.1 測試系統(tǒng)

TST3827EN動靜態(tài)測試分析系統(tǒng)如圖1所示，該分析系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸手段，其綜合了靜態(tài)應(yīng)變儀和動態(tài)應(yīng)變儀的特點，適用于測量振動過程中變化的物理量，系統(tǒng)內(nèi)置高速ARM處理器，實時數(shù)字濾波，具有構(gòu)成模擬濾波和數(shù)字濾波的高性能抗混濾波器，該分析系統(tǒng)測量精度高、實時性好、性價比高，操作簡單方便。

圖1 測試系統(tǒng)示意

3.2 振動測試物理量的選擇

振動響應(yīng)主要包括位移、速度、加速度等，在振動響應(yīng)的各物理量中，振動加速度反映了振動沖擊力的大小，振動速度反映了振動能量的大小，振動位移反映了振動幅度的大小。在不同的頻率范圍，振動強(qiáng)度可以通過不同的物理量作出反映。

實際工程中，振動測試物理量的選擇會直接影響振動測試的分析結(jié)果，單一的物理量往往不能很好地反映實測振動，因此需要對其余物理量作出補(bǔ)充分析。結(jié)合本文的研究目的與TST3827EN動靜態(tài)測試分析系統(tǒng)的特點，本文選擇對速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)進(jìn)行直接測試，對無法直接測得的位移響應(yīng)可通過物理量之間的微積分關(guān)系得到。

3.3 測點布置

為了探討地下連續(xù)墻成槽施工振動對相鄰建筑的影響以及確定施工最小安全距離，依照《地基動力特性測試規(guī)范》（GB/T 50269—2015）進(jìn)行現(xiàn)場振動測試。根據(jù)測試要求與現(xiàn)場實際情況確定測點位置，進(jìn)行巖溶地區(qū)不同施工工藝下的地下連續(xù)墻成槽施工振動測試，研究地下連續(xù)墻成槽施工振動衰減規(guī)律。2種施工工藝下的振動測試測點布置如圖2所示，每個測點均布置水平和豎向傳感器。2種施工工藝振動測試均布置4個振動測點，其中“抓—沖”工藝振動測試的振源距分別為1、9、17、25 m；“抓—銑”工藝振動測試的振源距分別為1、6、11、16 m。

圖2 振源與測點空間位置分布示意

3.4 測試數(shù)據(jù)處理及分析

對各測點的振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得各測點加速度、速度和位移時程曲線的峰值，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉譜分析，可獲取地下連續(xù)墻施工振動的頻譜信息［1-2］。因施工現(xiàn)場臨近道路，為確保測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，建立的振動衰減規(guī)律更加符合實際振動，在進(jìn)行施工狀態(tài)的振動測試之前先進(jìn)行無施工狀態(tài)的地下連續(xù)墻成槽施工振動測試，以消除車輛行駛等環(huán)境因素產(chǎn)生的振動對測試數(shù)據(jù)的影響。

在振動測試過程中，對各物理量進(jìn)行4次測試，每種施工工藝4個測點4次測試共獲取16組數(shù)據(jù)，2種施工工藝下的實測振動響應(yīng)峰值與峰值平均值如表1—表4所示。其中“抓—銑”結(jié)合施工工藝由于施工產(chǎn)生的振動很小，當(dāng)振源距較大時，成槽施工產(chǎn)生的振動較小，故表2和表4中僅列出2個測點的實測數(shù)據(jù)。

表1 “抓—沖”結(jié)合施工工藝加速度響應(yīng)實測值

表2 “抓—銑”結(jié)合施工工藝加速度響應(yīng)實測值

表3 “抓—沖”結(jié)合施工工藝速度響應(yīng)實測值

表4 “抓—銑”結(jié)合施工工藝速度響應(yīng)實測值

由表可知，“抓—沖”工藝下測點A、測點B處產(chǎn)生的振動速度較大，其中，測點A處得到的速度峰值平均值為7.974 mm/s，測點B處得到的速度峰值平均值為5.523 mm/s，為測點A處速度峰值平均值的69.26%；測點C處得到的速度峰值平均值為3.414 mm/s，為測點A處速度峰值平均值的42.81%；測點D處得到的速度峰值平均值為1.916 mm/s，僅為測點A處速度峰值平均值的24.03%；測點D速度響應(yīng)值小于3 mm/s，滿足《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868—2013）的規(guī)定?！白ァ姟惫に囅聹y點A＇處得到的速度峰值平均值為0.141 mm/s，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的安全限度3 mm/s，僅為“抓—沖”工藝下測點A處速度峰值平均值的1.78%，故“抓—沖”工藝對相鄰建筑的影響較小。

采用“抓—沖”工藝施工作業(yè)時，其振動加速度和速度隨振源距衰減的規(guī)律如圖3所示。由圖可知，“抓—沖”工藝施工作業(yè)時，引起的地面振動加速度峰值隨振源距的衰減規(guī)律為：y=85.586 e-0.146x+45.949，相關(guān)系數(shù)R=0.996，振動速度峰值隨振源距的衰減規(guī)律為y=8.656 e-0.055x－0.228，相關(guān)系數(shù)R=0.999，其中x為振源距。由衰減曲線可以看出，“抓—沖”工藝振動衰減呈現(xiàn)近處快、遠(yuǎn)處慢的特性，衰減曲線可用指數(shù)函數(shù)近似表達(dá)。

圖3 “抓—沖”工藝引起的振動速度和位移隨振源距衰減曲線

根據(jù)傅里葉變化，任何連續(xù)測量時序或信號都可以表示為不同頻率的正弦波信號無限疊加，在頻譜分析下，通過對信號源發(fā)出的信號進(jìn)行FFT變換，使原來難以處理的時域信號轉(zhuǎn)換成了易于分析的頻域信號。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，由頻譜曲線可以獲得振源的振動頻率等關(guān)鍵信息。

通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析可知，進(jìn)行巖溶地區(qū)地下連續(xù)墻成槽施工時，“抓—銑”工藝振源的振動頻率為17.48 Hz，施工作業(yè)時產(chǎn)生的振動頻率集中在5~30 Hz，施工激振能量主要集中在16~25 Hz；抓—沖”工藝振源的振動頻率為11.33 Hz，施工作業(yè)時產(chǎn)生的振動頻率集中在1~40 Hz，施工激振能量主要集中在10~25 Hz。

4 結(jié)論

地鐵建設(shè)項目施工環(huán)境較為復(fù)雜，進(jìn)行地下連續(xù)墻成槽施工時要求將施工振動影響控制在合理范圍，對于地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶地區(qū)更是如此。通過對實際工程進(jìn)行地下連續(xù)墻施工振動測試與分析，得出以下結(jié)論：

1）地下連續(xù)墻成槽施工產(chǎn)生的振動由近向遠(yuǎn)逐漸衰減，但不同工藝的衰減速度有所區(qū)別，“抓—沖”工藝的振動衰減速度大于“抓—銑”工藝的振動衰減速度。

2）在巖溶發(fā)育區(qū)采用“抓—沖”結(jié)合的施工工藝會對相鄰建筑產(chǎn)生較大的振動影響，當(dāng)振源距較小時甚至?xí)ㄖa(chǎn)生一定的破壞作用，但當(dāng)建筑物與作業(yè)點的距離小于20 m時，施工振動產(chǎn)生的速度響應(yīng)將小于3 mm/s，故可將建筑物最小安全距離定為20 m。當(dāng)建筑物距離作業(yè)點的距離小于20 m時，應(yīng)采用“抓—銑”結(jié)合施工工藝，該施工工藝僅對相鄰建筑產(chǎn)生較小的振動和噪聲影響，最小安全施工距離易于確保。

3）“抓—沖”結(jié)合施工工藝的振動衰減可由形如y=AeBx的指數(shù)函數(shù)近似表達(dá)，該施工工藝呈現(xiàn)近處衰減快、遠(yuǎn)處衰減慢的特性；采用“抓—銑”結(jié)合施工工藝地下連續(xù)墻施工產(chǎn)生的振動頻率與激振能量集中范圍都較低，接近于周邊建筑的自振頻率，易對建筑物產(chǎn)生較大危害，因此在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工安全距離。進(jìn)行巖溶發(fā)育區(qū)地下連續(xù)墻成槽施工時，應(yīng)綜合考慮各種因素，選擇合適的施工工藝，以提高施工效率、降低施工成本并確保施工質(zhì)量。