第一作者陶连金男，博士,教授，博士生导师，1964年1月生

砂卵石地层盾构施工诱发振动环境影响试验研究

陶连金1，郭飞1，黄俊2，李积栋1，安军海1

(1．北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点试验室，北京100124；2．中建三局人防与地下空间设计院，武汉 430071)

摘要：针对北京西部地区砂卵石地层埋深浅、粒径大、分布广，盾构施工产生的振动易传至地表对环境产生影响等，对北京地铁某区间进行现场振动测试。通过埋设地层、地面及隧道内测点进行时间-空间同步监测，获取测试区间盾构每环掘进时的振动数据，分析振动频域特性及空间衰减规律，并对地表振动环境影响进行评价。研究表明，砂卵石地层盾构施工振动主要为刀盘刀具切割土体产生的振动，机械振动及运输车辆产生的振动对地表影响较小。刀盘附近振动主频分布于30 Hz以上，而横断面地表远离刀盘40 m处衰减至20 Hz以下。测点振幅大小与刀盘、测点间相对位置有关，地表振幅大小依次为刀盘前方测点、刀盘两侧测点、刀盘后方测点，刀盘处地表振级达80 dB，远离刀盘20～30 m时衰减至60 dB以下。

关键词：砂卵石地层；盾构施工；振动；现场试验；衰减规律；频域

基金项目：国家自然科技

收稿日期：2014-02-28修改稿收到日期：2014-08-19

中图分类号:U455.43文献标志码：A

Field tests for environment vibration induced by shield tunneling in sand gravel layer

TAOLian-jin1,GUOFei1,HUANGJun2,LIJi-dong1,ANJun-hai1(1.The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2. CCTEB civil defense and Underground Space Institute Wuhan 430071, China)

Abstract:The sand gravel layers in Beijing western region are of characteristics of shallow burial depth and large particle size. The influence of environment vibration induced by shield construction in sand gravel layer is significant. Field vibration tests were carried out in an interval tunnel of Beijing. Vibration data in construction process were simultaneously collected at buried strata points, ground points and measuring points in tunnel. The frequency domain characteristics of vibration and the rule of spatial attenuation were analysed and the environmental influence assessment was discussed. It is shown that the vibration is mainly due to collision between cutter tool and gravel particles. The vibration caused by machines and transport vehicles has little effect on ground environment. The main frequency of vibration near cutter head is mainly distributed at more than 30 Hz. The main frequency at measuring point away from cutter head about 40 m on the surface of cross-section decreases to below 20 Hz. The vibration amplitudes at measuring points are related to the relative position between cutter head and measuring points, whose levels are in order as follows points ahead of the cutter head, points on both sides of the cutter head, points behind the cutter head. The vibration level in vertical direction on ground near the cutter head is about 80 dB and it decays to 60 dB away from cutter head about 20 m to 30 m.

Key words:sand gravel layer; shield construction; vibration; field-test; attenuation law; frequency domain

城市轨道交通已成为缓解拥挤、改善出行方式及环境的最佳选择。多数城市轨道均通过建筑物及人口密集区域，引起的振动易对周边环境产生不利影响。已有诸多对振动产生原因、传播规律、控制措施及对人体危害等因素进行研究，但主要集中于运营阶段，对轨道交通建设阶段诱发振动研究较少，只有针对盾构施工诱发振动特性的研究[1]。

北京地区处于轨道交通建设高峰期，西部地区砂卵石地层埋深浅、土颗粒径大、级配良好、结构紧密，砂卵石层较其它砂土、黏性土刚性大，高频振动在该地层中传播时能量损耗较少[2-3]。砂卵石地层中盾构施工产生的振动主要为掘进过程中刀具切割土体与卵石颗粒碰撞[4]、渣土运输车辆因临时铺轨不平顺及设备等，振动中高频成分居多，易传至地表对环境产生影响，北京地铁曾有多个区间出现盾构施工诱发振动扰民及民扰事件。本文对北京地铁某区间隧道，通过对地表振动监测进行时、频域分析，总结振动在地表的振动传播规律及特点，分析地表环境影响。可为类似工程地表环境振动影响评价及施工工艺优化提供参考。

1现场测试

1.1测试条件

测试线路为北京地铁某区间右线隧道，结构外径6.0 m，衬砌厚度0.3 m，测试地点及周边环境见图1。该区段隧道平均埋深约12 m，覆土主要分3层，分别为杂填土、粉质黏土、卵石圆砾。区间隧道结构大部分位于卵石、漂石④层，亚圆形，级配连续，磨圆度中等，一般粒径2～6 cm，最大粒径大于10 cm，细中砂充填30%～40%。隧道拱顶所处地层主要为新近沉积卵石、圆砾③层，亚圆形为主，一般粒径2～5 cm，最大粒径小于20 cm，细中砂充填约20%～40%，卵石层颗粒分析见表1。盾构刀盘为六辐条六面板式，刀具含撕裂刀、刮刀、碎石刀、仿形刀、周边保护刀等，刀盘开口率 41%。盾构刀盘配置见图2。

图1　测试地点及周边环境 Fig.1 Environment around test site

图2　盾构设备 Fig.2 Shield machine

表1　卵石层颗粒分析

1.2测点布置

考虑盾构掘进施工特点，现场主要对地表垂直加速度、隧道中线方向水平加速度进行监测。纵断面布设5组测点，分地表测点、地层测点，每组测点间距8 m，地表测点监测水平向加速度(依次记为B6、B8、B10、B12、B14)、垂直向加速度(依次记为B7、B9、B11、B13、B15)，地层测点只监测垂直加速度。考虑振动波传播空间规律及地层差异，深层测点埋深分别为8 m、4 m、8 m、4 m、7 m，其中D1、D3、D5位于卵石圆砾层中，D2、D4位于粉质黏土层，见图3。

图3　纵断面测点布置(单位：m) Fig.3 Arrangement of measuring points in tunnel

为记录盾构距横断面一定距离到穿越断面整个过程，从隧道中线向临近建筑物方向布置2个横断面，分别布设5组测点，间距分别为7 m、9 m、9 m、15 m，其中第一组测点位于刀盘前方，第二组测点位于刀盘后方，前四组测点分别监测垂直、水平向加速度，最远处测点只设置垂直加速度传感器，作为环境背景振动记录点。见图4。

图4　横断面测点布置方案 Fig.4 Arrangement in cross-section

1.3测试方法

本次测试系统由WS-5921数据采集仪、941B超低频加速度传感器、信号放大器、计算机及电缆组成。测试前对监测系统进行标定，测试过程及方法据国家标准[5]进行。盾构掘进时系统进入采集状态连续采集，数据采样频率200 Hz，记录盾构掘进全过程持时约25 min。测试记录盾构掘进穿越纵断面全过程，横断面测点在盾构距横断面约8 m时开始记录。振动数据采用滑动平均法除趋势项[6]，由于现场测试数据海量，限于篇幅，本文主要介绍分析盾构刀盘位于纵断面典型位置时掘进引起的振动特性及空间传播规律。

2测试结果分析

经现场地面调查与初步测试结合识别出盾构施工振源为掘进时刀盘刀具切割土体与卵石颗粒碰撞产生的振动、设备台车机械振动及台车后部运输电瓶车因轨道不平顺产生的振动，其中地面感知最明显的为刀盘掘进诱发的振动，即刀盘刀具与地层相互作用产生的振动。由盾构掘进流程，三种振动产生的时间及空间均不同，各测点时、频域特性差异较大，而刀盘与地层作用产生的振动衰减及地表环境影响为研究重点。

2.1掘进振动信号特性

由埋设地层测点知，埋深8 m处测点与刀盘最接近，振动信号呈明显随机性，振动频带较宽，主要分布在20～90 Hz。刀盘后方地层测点D3处时程曲线与自功率谱见图5。由图5看出，当测点位于刀盘正上方或前方时振动峰值加速度小于1 m/s2，刀盘穿过测点断面后振动峰值加速度衰减较快，明显小于刀盘上方或相同距离前方。刀盘前测点地表水平加速度值大于垂直加速度值，刀盘两侧及后方垂直加速度与水平值相当。

图5　测点信号及其自功率谱 Fig.5 Auto-power spectrum of measuring point signal

2.2掘进所致振动衰减规律

2.2.1地表横向振动加速度有效值衰减规律

对振动横向传播监测分两阶段，第一阶段在刀盘前方(位于区间隧道的738环)设置横断面1，盾构掘进过程不断靠近断面1，记录盾构掘进4环振动数据，见图6。盾构向监测断面掘进时垂直、水平向加速度有效值衰减曲线见图7。由图7看出，隧道中线测点振动加速度值增大明显，垂直加速度有效值由0.02 m/s2增大到0.03 m/s2；水平加速度由0.03 m/s2增大至0.045 m/s2；远离中线处测点衰减较快，垂直加速度距中线25 m处有放大现象。第二阶段在刀盘后方(第743环)设置横断面2，记录盾构从747环向751环掘进的过程(图6)。盾构刀盘后方垂直、水平向加速度衰减曲线见图8。由图8看出，横断面振动加速度随盾构远离而不断减小，隧道中线测点垂直加速度由0.02 m/s2减小到0.015 m/s2；水平加速度由0.03 m/s2减小至0.02 m/s2；

图6　测点布置与隧道环位置关系 Fig.6 Arrangement of measuring points and the location of the tunnel ring diagram

图7　盾构向监测断面掘进时地表测点加速度衰减曲线 Fig.7 Shield the acceleration at the site of the surface monitoring advance decay curve

图8　盾构刀盘后方地表测点加速度衰减曲线 Fig.8 Shield the site of the knife dish rear surface acceleration attenuation curve

垂直加速度亦有放大现象。隧道中线附近，无论盾构刀盘位于测点前方或后方，水平加速度均大于垂直加速度。

2.2.2纵向振动加速度有效值衰减规律

测点D1～D5记录盾构穿越纵断面过程地层垂直加速度，D1/D3/D5处于卵石层，D2/D4位于粉质黏土层，相对地表B7/B9/B11/B13/B15及B6/B8/B10/B12/B14记录穿越过程隧道中线垂直、水平加速度。

盾构穿越测试纵断面过程中地层测点的振动加速度有效值衰减曲线见图9。由图9看出，测点位于刀盘前方时地层垂直加速度较大；D1点位于刀盘前方约9 m时D3作为卵石层测点与刀盘间距大于D2，但加速度明显大于粉质黏土层测点D2，振动在砂卵石地层传播时中高频成分未被过滤，D2处因粉质黏土层滤波作用使加速度减小，说明砂卵石地层利于中高频振动传播。低频振动时砂卵石地层阻尼比基本一致，但高频振动时阻尼比明显减小，能量耗散减少。

纵断面地表垂向、水平加速度有效值衰减曲线见图10、图11。由两图看出，与横断面测点结果类似，刀盘后方地层测点振动衰减较快，刀盘前方水平、垂直加速度均衰减较慢。

图9　盾构穿越监测断面时地层测点加速度衰减曲线 Fig.9 Shield through the monitoring section formation point acceleration attenuation curve

图10　纵断面地表垂直向加速度衰减曲线 Fig.10 Vertical acceleration attenuation curve profile surface

2.2.3三分之一倍频程谱分析

三分之一倍频程谱作为频域分析方法具有谱线少频带宽等特点，常用于声学、人体振动、机械振动等测试分析。按我国现行标准规定，中心频率为1 Hz、1.25 Hz、1.6 Hz、2.0 Hz、2.5 Hz、3.15 Hz、4 Hz、5 Hz、6.3 Hz、8 Hz、10 Hz，…。三分之一倍频程谱上下限频率与中心频率之关系[7-8]为

图11　纵断面地表水平向加速度衰减曲线 Fig.11 The acceleration attenuation curve profile surface level

三分之一倍频程谱带宽为Δf=fu-fl，其中fl为下限频率，fc为中心频率，fu为上线频率。先对测试数据进行FFT变换，计算幅值谱，再用幅值谱数据计算每个中心频率带宽内数据平均值，从而获得三分之一倍频程谱值。

采用MATLAB编程对地表横、纵断面测点分别加速度信号进行三分之一倍频程谱分析，比较各测点主频沿监测断面距离变化规律。盾构刀盘位于D4、D5之间时横、纵断面测点三分之一倍频程谱见图12、图13。A1/A2位于隧道中线地表，A7/A8距隧道中线25 m，A9距隧道中线40 m。隧道中线地表，刀盘附近测点均以中高频为主，主要集中于60～100 Hz。地表横断面测点A9处振动主频衰减至20 Hz以下，纵断面测点频率衰减不明显，尤其砂卵石地层测点D1、D2在一定程度上受刀盘后方设备及运输车辆振动影响，致中高频部分基本未衰减，但幅值相对较小。

图12　横断面测点三分之一倍频程谱 Fig.12 One-third octave spectrum value of measurement points in cross section

图13　纵断面测点三分之一倍频程谱 Fig.13 One-third octave spectrum value of measurement points in longitudinal section

2.3地表环境影响

据标准ISO2631[9-10]及GB10070-88[11]规定，铅垂向Z振级计算式为

计算得盾构掘进过程中刀盘附近地表铅垂向振级见图14。由图14看出，刀盘上方地表最大振级在80～90 dB之间。该区间沿线区域城市功能划分属于居民、文教区，据规定，居民、文教区昼夜振动加速度级标准值分别为70 dB、67 dB。刀盘附近振动对地表影响较大，感知明显，掘进过程对地表建筑及居民生活产生影响。而远离刀盘20～30 m处地表振动加速度级则低于国家规定要求。

图14　地表振级计算 Fig.14 Calculation of vibration level on ground

3结论

针对刀盘掘进诱发振动的时空复杂性，采用现场时间-空间同步方式进行测试。通过多个工点、不同粒径、不同型式盾构设备进行掘进振动测试试验，获得卵石地层刀盘掘进诱发环境振动特性及传播规律，结论如下：

(1)砂卵石地层盾构施工振动主要为刀盘刀具切割土体产生的振动，机械振动及运输车辆所致振动对地表影响较小。

(2)刀盘掘进振幅值在空间上具有明显规律性，其中刀盘上方及前方幅值最大，且水平幅值大于竖向；其次为刀盘两侧振幅值，水平向与竖直向幅值相当；后方幅值最小，水平向与竖直向幅值相当。

(3)掘进诱发地层振动频率在几赫兹到100 Hz均有分布，振动传播过程中频率有所衰减，松散地层土体中高频衰减较快。

(4)刀盘附近地表振动感知明显，刀盘掘进振动影响范围在20 m左右，刀盘附近地表最大Z振级超过80 dB，离刀盘约20～30 m振级低于60 dB。

参考文献

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[11]GB10070-1988,城市区域环境振动标准[S].