胡蒙達(dá)，劉慶杰，雷曉燕，張 煒

（1.南昌市軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌330038；2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)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(dòng)會(huì)影響到人們工作生活，甚至?xí){到建筑物的安全。地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)可以從施工期和運(yùn)營期兩個(gè)方面進(jìn)行研究。對(duì)于地鐵運(yùn)營期間列車誘發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)，雷曉燕教授［1-4］利用有限元法對(duì)高層建筑在列車通過時(shí)的振動(dòng)相應(yīng)進(jìn)行了分析，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。劉維寧教授、夏禾［5-6］教授建立了數(shù)值仿真模型模擬了地鐵列車引起的地面振動(dòng)，并對(duì)地面振動(dòng)放大區(qū)和地層相應(yīng)主要頻帶進(jìn)行了分析。謝偉平教授［7］對(duì)不同建筑物類型的振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行了分析；在施工振動(dòng)方面柴元四，賈敏才等專家學(xué)者［8-11］則對(duì)一般建筑物施工過程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)傳播規(guī)律與影響進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)，但是針對(duì)地鐵施工過程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)問題的研究還存在不足。

基于南昌地鐵1號(hào)線的施工過程為研究背景，本文對(duì)地鐵施工過程中對(duì)建筑物的振動(dòng)影響進(jìn)行了實(shí)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(jié)構(gòu)剛性大，適應(yīng)各種地質(zhì)條件，施工深度快，機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)［12］。在其施工過程中施工機(jī)械會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，影響周邊居民的生活，甚至對(duì)建筑物的安全造成威脅。本報(bào)告針對(duì)南昌地鐵一號(hào)線地下連續(xù)墻施工采用的兩種施工工藝（沖擊鉆、成槽機(jī)）進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，分析了施工過程中地面和建筑物振動(dòng)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(gè)角度對(duì)兩種施工工藝產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果可作為振動(dòng)敏感地段施工機(jī)械選擇的參考依據(jù)。

1 概述

1.1 測試內(nèi)容

測試以萬壽宮商場為對(duì)象，測試了商場各樓層的振動(dòng)響應(yīng)。萬壽宮商場位于子八區(qū)間，臨近“八一南昌起義紀(jì)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(jié)構(gòu)。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(jī)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(nèi)測試兩種施工機(jī)械對(duì)建筑物的振動(dòng)影響。

圖1 測點(diǎn)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(shù)據(jù)采集儀，采用ArtemiS 數(shù)據(jù)采集分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，傳感器采用中國地震局工程力學(xué)研究所941B型振動(dòng)傳感器。

1.3 施工機(jī)械

南昌地鐵1號(hào)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(jī)械：沖擊鉆和抓斗成槽機(jī)，施工機(jī)械的參數(shù)如下：

沖擊鉆：6 m標(biāo)準(zhǔn)槽段（深度約22 m），平均沖一幅槽需7天，沖擊次數(shù)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(jī)：6 m 標(biāo)準(zhǔn)槽段（深度約20 m），平均抓一幅槽需48 h。（地質(zhì)由地面往地下12 m為沙礫層、圓礫層；12 m以下為泥質(zhì)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(jī)Fig.3 Trench machine

2 建筑物振動(dòng)特性分析

地鐵施工振動(dòng)主要會(huì)產(chǎn)生兩方面的危害，一方面振動(dòng)會(huì)影響周邊的建筑的安全，另一方面，也會(huì)干擾周邊居民的生活。對(duì)于古建筑或文物保護(hù)建筑，我國以振動(dòng)速度峰值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)建筑的價(jià)值和結(jié)構(gòu)由不同的容許限值，對(duì)于環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)則以振動(dòng)加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照建筑物所在的區(qū)域和重要程度對(duì)建筑物進(jìn)行分類，不同建筑有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由于人體對(duì)不同頻率的感受不同，評(píng)價(jià)時(shí)往往需要對(duì)振動(dòng)加速度進(jìn)行修正。圖4為我國環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍。

圖4 中國振動(dòng)評(píng)價(jià)體系Fig.4 Assessment system in China

振動(dòng)的測點(diǎn)布置在每層樓板的中央，測試樓板三個(gè)方向的振動(dòng)速度，測試時(shí)間為5 min。由于地鐵施工的影響，商場內(nèi)客流很小，對(duì)測試結(jié)果影響很小。圖5，圖6分別為成槽機(jī)和沖擊鉆施工時(shí)，一樓樓板振動(dòng)時(shí)程曲線，從圖中可以看到，成槽機(jī)施工振動(dòng)具有一定的不規(guī)則性，這主要是因?yàn)槌刹蹤C(jī)施工產(chǎn)生的振動(dòng)由多種成分構(gòu)成，既有機(jī)械設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)，又有來自于挖斗與土相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)，而這些振動(dòng)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(chǎn)生一次沖擊（與槽深有關(guān)）。

圖5 成槽機(jī)施工1樓地面振動(dòng)速度時(shí)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(dòng)速度時(shí)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(jī)施工過程中，各樓層的振動(dòng)速度峰值。

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

從圖7可以看出：成槽機(jī)施工引起建筑物振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，y方向振動(dòng)較小。3個(gè)方向的振動(dòng)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??；沖擊鉆引起的建筑物振動(dòng)遠(yuǎn)大于成槽機(jī)，沖擊鉆引起建筑物振動(dòng)也以豎向?yàn)橹?，隨著樓層的增加，沖擊鉆誘發(fā)的建筑物振動(dòng)有比較大的衰減。由于施工振動(dòng)以沖擊振動(dòng)為主，短時(shí)的振動(dòng)波無法激勵(lì)建筑物的模態(tài)，因此振動(dòng)響應(yīng)隨樓層呈現(xiàn)總體衰減的趨勢。施工中沖擊力具有一定隨機(jī)性，造成了二層的y向、z向振動(dòng)程的上升趨勢。

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

從表1可知，以速度為評(píng)級(jí)指標(biāo)，成槽機(jī)引發(fā)建筑物振動(dòng)均沒有超過標(biāo)準(zhǔn)，而沖擊鉆在第1層的3個(gè)方向均超出了標(biāo)準(zhǔn)，1～3層的z方向也超過了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［3］。

圖8 成槽機(jī)施工1樓地面振動(dòng)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(dòng)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(jī)引起建筑物振動(dòng)主頻集中在20 Hz左右，x、z振動(dòng)能量較為接近，y方向最?。粵_擊鉆引起建筑物振動(dòng)主頻也集中在20 Hz左右，其中z向的振動(dòng)能量遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向。兩種施工機(jī)械誘發(fā)建筑物振動(dòng)均以低頻為主，而建筑物本身對(duì)于低頻又較為敏感［2-3］，這對(duì)于周邊建筑物是不利的，尤其是沖擊鉆引起的振動(dòng)較大。

3 環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)

對(duì)于環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)環(huán)境保護(hù)部和住建部分別發(fā)布了相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50355-2005《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測量方法》。其中《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》主要針對(duì)城市區(qū)域環(huán)境，評(píng)價(jià)指標(biāo)為z振級(jí)；《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測量方法》針對(duì)的是住宅建筑（含商住樓）室內(nèi)振動(dòng)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為1/3各倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)La。對(duì)于被測建筑，z振級(jí)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)z振級(jí)對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)垂向振動(dòng)速度一次微分得到各測點(diǎn)的振動(dòng)加速度，利用matlab編寫程序計(jì)算得到各測點(diǎn)的z振級(jí)，如表3所示。

從表3可知成槽機(jī)施工引起的建筑物振動(dòng)較小，均沒有超過標(biāo)準(zhǔn)，隨著樓層的增加，成槽機(jī)引起的振動(dòng)總體上呈現(xiàn)衰減趨勢，從第1 層到第2 層減小了6.4 dB，在第4 層出現(xiàn)了拐點(diǎn)。沖擊鉆施工引起的建筑物振動(dòng)較大，在1～2層超過了晝間振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，3層超過了夜間振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，在第3層到第5層衰減較大，達(dá)到了10.5 dB。

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

圖10 成槽機(jī)施工振動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比Fig.10 Comparison between vibration induced by trench machine and the criterion

圖11 沖擊鉆施工與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比Fig.11 Comparison between vibration induced by impact drill and the criterion

圖10，圖11 分別為成槽機(jī)、沖擊鉆施工振動(dòng)與GB/T 50355-2005《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比成槽機(jī)施工引起的建筑物振動(dòng)較小，均沒有超過標(biāo)準(zhǔn)，不同樓層的振動(dòng)能量較為接近，并沒有明顯的振動(dòng)規(guī)律。

沖擊鉆施工引起的建筑物振動(dòng)較大，3 樓的振動(dòng)已經(jīng)超過了夜間限值，5 樓振動(dòng)較小。地鐵車站施工時(shí)，沖擊鉆施工不宜在夜間進(jìn)行。

4 結(jié)論

1）沖擊鉆施工時(shí)有一定的周期性，而成槽機(jī)由于本身的特性，周期不明顯。

2）以速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，沖擊鉆引起的建筑物振動(dòng)遠(yuǎn)大于成槽機(jī)，且均沒有超過標(biāo)準(zhǔn)；以z振級(jí)為評(píng)級(jí)指標(biāo)，總體上仍以沖擊鉆施工振動(dòng)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(dòng)已經(jīng)超過夜限標(biāo)準(zhǔn)。

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

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