劉慶杰，胡孟達(dá)，雷曉燕，張鵬飛

（1.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,南昌 330013；2.南昌軌道交通集團(tuán)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(dòng)實(shí)測(cè)與分析

劉慶杰1，胡孟達(dá)2，雷曉燕1，張鵬飛1

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

在地鐵的地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，施工機(jī)械產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)會(huì)影響周邊居民的工作生活，并對(duì)文物保護(hù)建筑的健康造成威脅。選取南昌地鐵1號(hào)線子固路站—八一館站區(qū)間為測(cè)試地點(diǎn)，針對(duì)地下連續(xù)墻施工常用的兩種施工機(jī)械（沖擊鉆和成槽機(jī)）進(jìn)行了地面振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了施工過(guò)程中兩種施工機(jī)械引起地面振動(dòng)的特性和傳播衰減規(guī)律。分析表明，成槽機(jī)施工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)較小，可用于對(duì)振動(dòng)敏感的建筑物周邊的施工。沖擊鉆會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，距離振源60 m范圍內(nèi)的建筑物需要考慮環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題，在施工方案制定前應(yīng)評(píng)估其對(duì)周邊建筑物和居民生活的影響。

振動(dòng)與波；環(huán)境振動(dòng)；地鐵；地下連續(xù)墻；Z振級(jí)

地鐵在緩解城市交通擁堵問(wèn)題上起到了積極作用，但同時(shí)由其引發(fā)的環(huán)境振動(dòng)污染問(wèn)題影響了居民的生活和工作[1，2]?？傮w說(shuō)來(lái)，該問(wèn)題可從地鐵施工期和運(yùn)營(yíng)期兩個(gè)階段分別進(jìn)行研究。對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)期間列車誘發(fā)所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)，雷曉燕教授利用有限元法對(duì)高層建筑在列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)相應(yīng)進(jìn)行分析，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(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)行了析[6，7]。謝偉平對(duì)不同建筑物類型的振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行分析[8]；柴元四，賈敏才等則對(duì)一般建筑物施工過(guò)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)[9-12]，但是針對(duì)地鐵施工過(guò)程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題的研究還存在不足。以南昌地鐵1號(hào)線的施工過(guò)程為研究背景，本文對(duì)地鐵施工過(guò)程中所產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行實(shí)測(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)形式之一，在基坑深、地質(zhì)條件差、地下水位高時(shí)，一般都需要采用地下連續(xù)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)[1]。挖槽施工是地下連續(xù)墻施工過(guò)程中振動(dòng)問(wèn)題比較突出的環(huán)節(jié)，其施工持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，施工機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)大。因此，在地下連續(xù)墻施工之前應(yīng)對(duì)施工機(jī)械產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)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(hù)建筑的安全。挖槽施工中常用的機(jī)械有沖擊鉆和成槽機(jī)，如圖1、圖2所示。

圖1 沖擊鉆

圖2 液壓抓斗成槽機(jī)

地鐵施工產(chǎn)生的振動(dòng)主要會(huì)產(chǎn)生兩方面的危害，即對(duì)周邊的建筑結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生危害及對(duì)周圍居民工作生活產(chǎn)生影響。因此，在評(píng)價(jià)施工振動(dòng)的影響時(shí)，要從這兩個(gè)方面入手。對(duì)于古建筑或文物保護(hù)建筑，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)以振動(dòng)速度峰值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照建筑的保護(hù)級(jí)別和結(jié)構(gòu)類型規(guī)定了不同的容許限值，表1為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的振動(dòng)速度峰值的限值。對(duì)于環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)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。不同建筑類別有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，表2為部分區(qū)域Z振級(jí)限值。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3為我國(guó)環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍。

表1 全國(guó)文物保護(hù)單位速度峰值的限值（/mm/s）

表2 部分區(qū)域Z振級(jí)限值

圖3 中國(guó)振動(dòng)評(píng)價(jià)體系

1 測(cè)試設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

1.1 測(cè)試設(shè)備

采用德國(guó)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，傳感器采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所941 B型振動(dòng)傳感器。

1.2 施工機(jī)械參數(shù)

測(cè)試區(qū)段地下連續(xù)墻成槽施工采用兩種機(jī)械：沖擊鉆和液壓抓斗成槽機(jī)，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(jī)的成槽寬度為0.35 m～1.5 m，最大提升力為600 kN，卷?yè)P(yáng)機(jī)單繩拉力為2×300 kN，抓斗重量為15 t～30 t，主機(jī)重量（不含抓斗）為92.1 t。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

為了分析地下連續(xù)墻施工誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的特征、幅值和分布衰減規(guī)律，選取南昌地鐵1號(hào)線八一館—子固路站區(qū)間（簡(jiǎn)稱子八區(qū)間）作為測(cè)點(diǎn)。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(guò)居民區(qū)，國(guó)家級(jí)文物保護(hù)單位八一起義紀(jì)念館距離施工地點(diǎn)僅有50 m。子八區(qū)間采用明挖法施工，地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在區(qū)間內(nèi)同時(shí)有沖擊鉆和成槽機(jī)進(jìn)行開(kāi)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(guó)家級(jí)文物保護(hù)單位八一起義紀(jì)念館，因此需要對(duì)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估與分析。

測(cè)試規(guī)定z向?yàn)榇怪钡孛娣较?，x、y為水平向，其中x向指向振源（施工機(jī)械），y向與x向垂直。本次測(cè)試選擇了2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，測(cè)試地面三向的振動(dòng)速度和加速度。測(cè)點(diǎn)2位于近勝利路步行街口，用于測(cè)試成槽機(jī)施工的振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)布置在成槽機(jī)履帶旁2 m處。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

2 施工機(jī)械振動(dòng)特性分析

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

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

圖5 沖擊鉆施工振動(dòng)時(shí)程曲線

圖6 成槽機(jī)施工的振動(dòng)時(shí)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(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（約0.5 s）。而成槽機(jī)施工振動(dòng)沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

分別對(duì)成槽機(jī)和沖擊鉆施工300 s全程振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。圖7為頻譜分析圖，從圖中可以看到，成槽機(jī)施工振動(dòng)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(dòng)能量主要集中在10 Hz～25 Hz。沖擊鉆施工振動(dòng)頻率較為單一，分別在1.95和15.1 Hz時(shí)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(dòng)在此頻率的最大值為1.65 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成槽機(jī)的0.12 mm/s。

圖7 兩種施工機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析

3 施工引起的地面振動(dòng)的衰減規(guī)律

圖8為沖擊鉆施工時(shí)距離振源不同距離測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度最大值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，地面振動(dòng)z向振動(dòng)最大，x向次之，y向最小。地面振動(dòng)速度隨距離增大而減小，衰減趨勢(shì)先急后緩，成對(duì)數(shù)曲線衰減，且在8 m處有放大。z向振動(dòng)峰值在距振源16 m處，仍可以達(dá)到5.35 mm/s，遠(yuǎn)高于我國(guó)對(duì)古建筑的允許限值。成槽機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于沖擊鉆，在距離振源2 m處，x向振動(dòng)最大，其次是z向振動(dòng)，y向振動(dòng)較小。

人體對(duì)振動(dòng)的感覺(jué)與振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度的大小有關(guān)[9]，我國(guó)對(duì)于環(huán)境振動(dòng)的評(píng)估采用Z振級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。Z振級(jí)是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議的1 Hz～80 Hz等感度曲線進(jìn)行修正后得來(lái)的。其計(jì)算公式為

圖8 不同方向振動(dòng)最大值隨距離衰減

式中Δf為不同頻率的振級(jí)修正值。

對(duì)采集到的速度信號(hào)進(jìn)行微分得到振動(dòng)速度信號(hào)，利用Matlab軟件編寫Z振級(jí)計(jì)算公式，可得到?jīng)_擊鉆施工時(shí)不同距離地面的Z振級(jí)，同時(shí)計(jì)算出距離成槽機(jī)履帶2 m處Z振級(jí)，如圖9所示。

圖9 Z振級(jí)隨距離的衰減及擬合

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）Z振級(jí)隨距離增大而衰減，具有明顯的對(duì)數(shù)曲線性質(zhì)。利用該性質(zhì)，距離的對(duì)數(shù)和Z振級(jí)進(jìn)行線性擬合，可已得到Z振級(jí)衰減公式為

該擬合公式的R2=0.992 7，說(shuō)明擬合曲線與實(shí)測(cè)一致性較好?？梢杂糜陬A(yù)測(cè)不同距離的振動(dòng)級(jí)。按照該公式，當(dāng)x=272.54 m時(shí)，VLZ=75 dB，也就是說(shuō)對(duì)于測(cè)點(diǎn)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(jī)施工時(shí)的振動(dòng)Z振級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖擊鉆施工，只有79.51 dB。

4 結(jié)語(yǔ)

以南昌地鐵1號(hào)線地下連續(xù)墻施工為工程背景，對(duì)挖槽施工中采用的兩種施工機(jī)械進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，分析了施工振動(dòng)的特性和傳播衰減規(guī)律，并從對(duì)文物保護(hù)建筑的影響和對(duì)居民工作生活的影響兩個(gè)方面對(duì)兩種施工方法進(jìn)行了分析和對(duì)比。通過(guò)分析研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)成槽機(jī)施工振動(dòng)較小，對(duì)于振動(dòng)敏感建筑物附近的挖槽施工應(yīng)優(yōu)先選用；沖擊鉆施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，應(yīng)對(duì)其可能產(chǎn)生的環(huán)境危害進(jìn)行評(píng)估；

(2)沖擊鉆施工振動(dòng)具有明顯的周期性，產(chǎn)生振動(dòng)主頻在15.1 Hz附近。成槽機(jī)施工振動(dòng)具有隨機(jī)性，振動(dòng)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(dòng)速度隨距離增大而減小，衰減趨勢(shì)先急后緩，成對(duì)數(shù)曲線衰減。z向振動(dòng)峰值在距振源16 m處，仍可以達(dá)到5.35 mm/s，遠(yuǎn)高于我國(guó)對(duì)古建筑的允許限值，在研究施工方案時(shí)應(yīng)予以考慮。成槽機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于沖擊鉆；

(4)Z振級(jí)隨距離增大而衰減，成槽機(jī)施工時(shí)的振動(dòng)Z振級(jí)遠(yuǎn)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(guó)家自然科學(xué)基金（51368021）；南昌軌道交通集團(tuán)有限公司技術(shù)開(kāi)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(dòng)力學(xué)、鐵路環(huán)境振動(dòng)。

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