郝冬雪，朱仁軍，武 科，陳 榕，鄭 揚(yáng)，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(jì)南 250061)

巖石隧道掘進(jìn)機(jī)TBM施工，具有掘進(jìn)效率高、施工質(zhì)量好、對(duì)巖石擾動(dòng)小以及施工安全等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在隧道工程中的應(yīng)用日益增多.但我國(guó)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(duì)于城市地鐵建設(shè)來(lái)說(shuō)，由于受特殊環(huán)境的制約，施工過(guò)程中需要對(duì)環(huán)境的影響降至最低[8，9].狹小城市空間地鐵隧道TBM機(jī)械掘進(jìn)引起的施工振動(dòng)，不僅影響TBM機(jī)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(guò)程中對(duì)周邊建筑物的振動(dòng)影響問(wèn)題不容忽視.高瑋[10]等以重慶軌道交通六號(hào)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(dòng)效應(yīng)特征.模擬結(jié)果表明，對(duì)一般的民用和工商業(yè)建筑，TBM 施工振動(dòng)強(qiáng)度在安全允許范圍之內(nèi)，但對(duì)振動(dòng)敏感的結(jié)構(gòu)，施工振動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，對(duì)TBM隧道掘進(jìn)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，以分析TBM支護(hù)推力系統(tǒng)在掘進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)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(jìn)機(jī)截割部虛擬樣機(jī)的振動(dòng)模型.通過(guò)施加外部激勵(lì)，對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，從而獲得了對(duì)系統(tǒng)整體性能不利的模態(tài)振型和頻率.

目前，針對(duì)TBM隧道掘進(jìn)振動(dòng)效應(yīng)的研究主要采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算，然而，現(xiàn)場(chǎng)振速監(jiān)測(cè)方法卻是最為有效的評(píng)價(jià)方式[13-15].因此，本文依托青島地鐵1號(hào)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(cè)方法，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)TBM掘進(jìn)過(guò)程中地表房屋建筑物的振動(dòng)影響程度及分布規(guī)律，研究狹小城市空間地鐵隧道TBM機(jī)械掘進(jìn)誘發(fā)既有建筑物的振動(dòng)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(hù)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)，而且也為T(mén)BM法在城市軌道交通中的實(shí)踐應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)和資料.

1 工程概況

青島地鐵1號(hào)線海泊橋站～小村莊站區(qū)間隧道TBM施工掘進(jìn)長(zhǎng)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(chē)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(lái)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(bào)告，該地貌類(lèi)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(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖等六個(gè)地層.TBM隧道掘進(jìn)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(chǎng)地內(nèi)以第四孔隙水及基巖裂隙水為主.TBM隧道掘進(jìn)過(guò)程中，由于刀盤(pán)與掌子面巖石的硯磨作用，引起TBM機(jī)械和地層產(chǎn)生振動(dòng)影響.當(dāng)TBM隧道側(cè)穿既有建筑物所產(chǎn)生的振動(dòng)影響程度超過(guò)既有建筑物抗振能力，就會(huì)造成既有建筑物的變形破壞，危機(jī)人民生命安全.為有效避免此類(lèi)事故的發(fā)生，必須通過(guò)隧道施工中的振動(dòng)信息識(shí)別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析，揭示青島城市軌道交通地鐵1號(hào)線TBM掘進(jìn)區(qū)間震源特性，為T(mén)BM掘進(jìn)施工引發(fā)沿線房屋建筑物的振動(dòng)危害預(yù)測(cè)提供重要依據(jù).

2 TBM振動(dòng)信息識(shí)別監(jiān)測(cè)方案

2.1 TBM振動(dòng)信息識(shí)別監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)TBM掘進(jìn)區(qū)地表周?chē)课萁ㄖ镎袼俦O(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)掌控和分析TBM掘進(jìn)施工對(duì)建筑物產(chǎn)生二次振動(dòng)的影響程度，并精準(zhǔn)預(yù)報(bào)振動(dòng)隱患或潛在事故，從而及時(shí)調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)，合理有效地避免意外事故，達(dá)到保護(hù)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(duì)于建(構(gòu))筑物的振動(dòng)判斷依據(jù)，應(yīng)采用該建(構(gòu))筑物上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度和主振頻率兩個(gè)指標(biāo).一般建(構(gòu))筑物在主振頻率f≤10 Hz、10 Hz50 Hz時(shí)安全允許振動(dòng)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(xiàng)目地表已有建筑物為老舊建筑，振動(dòng)安全允許速度值取下限值15 mm/s.

2.2 TBM振動(dòng)信息識(shí)別監(jiān)測(cè)設(shè)備及布設(shè)方案

以國(guó)內(nèi)目前對(duì)于微振動(dòng)測(cè)試的通用方法[17]為基

礎(chǔ)，本監(jiān)測(cè)采用數(shù)字便攜式激光多普勒測(cè)振儀PDV100.PDV100為便攜式激光測(cè)振儀，采用最先進(jìn)的光學(xué)和信號(hào)處理設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)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(qiáng).該設(shè)備用于表面振動(dòng)速度的非接觸式測(cè)量，無(wú)需在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝傳感設(shè)備，水平方向和豎直方向的測(cè)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(dòng)測(cè)量.

通過(guò)監(jiān)測(cè)前對(duì)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(diǎn)，通過(guò)近密遠(yuǎn)疏的方式在地表調(diào)整布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)宜在同一高程)，共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).監(jiān)測(cè)點(diǎn)距掌子面中心的水平距離為L(zhǎng)，L1=7 m、L2=20 m、L3=34 m、L4=49 m、L5=65 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示.

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 TBM振動(dòng)信息識(shí)別監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 隧道掘進(jìn)環(huán)境因素特征分析

考慮測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為分析環(huán)境狀態(tài)對(duì)測(cè)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(jìn)作業(yè)，道路無(wú)重載大型車(chē)輛和較多輕載小型車(chē)輛行駛)、TBM掘進(jìn)環(huán)境狀態(tài)(TBM正掘進(jìn)作業(yè)，道路無(wú)重載大型車(chē)輛和較多輕載小型車(chē)輛行駛)、重載大型車(chē)輛通過(guò)地面道路狀態(tài)(TBM不掘進(jìn)作業(yè)，道路無(wú)較多輕載小型車(chē)輛行駛)和輕載小型機(jī)動(dòng)車(chē)輛通過(guò)地面道路狀態(tài)(TBM不掘進(jìn)作業(yè)，道路無(wú)重載大型車(chē)輛行駛).在不同環(huán)境條件下，各測(cè)點(diǎn)水平方向和豎直方向的振動(dòng)測(cè)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖4 掘進(jìn)狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖5 重載大型車(chē)輛通過(guò)狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分析圖

(a)水平方向 (b)豎直方向圖6 輕載小型機(jī)動(dòng)車(chē)輛通過(guò)狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分析圖

由隧道掘進(jìn)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度變化規(guī)律及不同環(huán)境對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)反應(yīng)的影響.

(1)在平靜環(huán)境狀態(tài)下，1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)幅度波動(dòng)較大，這是由于三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近人民路，受到路上行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)輛以及附近商戶營(yíng)業(yè)不同程度的影響；第4、5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度隨著與人民路距離的增加而迅速衰減，波動(dòng)頻率呈倒V字型分布，振動(dòng)頻率在40 Hz以后，振動(dòng)速度逐漸趨于穩(wěn)定，水平方向振動(dòng)速度集中于1.2 mm/s～1.6 mm/s之間，豎直方向振動(dòng)速度集中于1.25 mm/s～1.75 mm/s；

(2)在TBM掘進(jìn)狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)的的振動(dòng)速度峰值皆集中于20 Hz～30 Hz之間.距離掌子面最近的1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向最大振動(dòng)速度為6.5 mm/s，豎直振動(dòng)速度為6.75 mm/s，位于規(guī)范規(guī)定的允許安全振動(dòng)速度之內(nèi).從整體上看，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向上的振動(dòng)速度比水平方向上的振動(dòng)速度大0.25 mm/s～0.4 mm/s；其中，5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平方向上和豎直方向上的振動(dòng)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(chē)輛通過(guò)狀態(tài)下，鄰近人民路的第1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度大幅度上升，這主要受到載重土方車(chē)及載人公交車(chē)傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)影響.由于第4、5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離路面較遠(yuǎn)，受大型重載車(chē)輛影響較小，其監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)速度隨著與人民路距離的增加而迅速衰減.與TBM掘進(jìn)狀態(tài)相比，振動(dòng)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(dòng)速度最大值增加了3倍左右.

(4) 在小型輕載機(jī)動(dòng)車(chē)輛通過(guò)狀態(tài)下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向上最大振速集中于16 Hz～22 Hz之間，最大振動(dòng)速度在1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，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(dòng)速度為在2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為5.41 mm/s；第1～5號(hào)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(yuǎn)的5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平方向上和豎直方向上的振動(dòng)曲線分布與平靜環(huán)境狀態(tài)下和TBM掘進(jìn)狀態(tài)下的基本相似.

3.2 隧道掘進(jìn)施工參數(shù)特征分析

為了進(jìn)一步了解TBM掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表建筑物的振動(dòng)影響，在254～256環(huán)施工過(guò)程中采用了不同的掘進(jìn)參數(shù)，形成了多種不同的掘進(jìn)工況，相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)如表1所示.各環(huán)掘進(jìn)時(shí)第3、4、5監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)頻譜分析圖如圖7和圖8.

表1 TBM掘進(jìn)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分析圖

由隧道掘進(jìn)施工參數(shù)差異性分析圖7～圖9可見(jiàn)，

(1) TBM掘進(jìn)施工對(duì)地表房屋建筑物的振動(dòng)影響中，振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的安全振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)15 mm/s.其中，豎直方向上的振動(dòng)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(jìn)施工引發(fā)的振動(dòng)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(pán)轉(zhuǎn)速略低于254環(huán)(兩者推進(jìn)速度相同)，推進(jìn)速度略高于256環(huán)(兩者刀盤(pán)轉(zhuǎn)速相同).在水平方向上，TBM在各環(huán)掘進(jìn)施工引發(fā)的振動(dòng)速度基本持平.

(3) TBM掘進(jìn)參數(shù)(刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)扭矩、貫入度、總推力、推進(jìn)速度、撐靴壓力等)的變化對(duì)第5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(L5=65 m)的振動(dòng)頻譜幾乎無(wú)影響，不同工況下的5號(hào)點(diǎn)的振動(dòng)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(shí)，TBM掘進(jìn)施工產(chǎn)生的振動(dòng)影響可以忽略不計(jì).

4 結(jié)論與建議

為解決如何有效掌握TBM隧道掘進(jìn)誘發(fā)地層振動(dòng)響應(yīng)造成既有建筑物失穩(wěn)破壞過(guò)程的技術(shù)難題，依托青島地鐵1號(hào)線海泊橋站～小村莊站區(qū)間隧道TBM掘進(jìn)施工段側(cè)穿地表房屋建筑物工程，采用振速信息識(shí)別監(jiān)測(cè)方法，研究了隧道掘進(jìn)環(huán)境與施工參數(shù)的差異性對(duì)地表房屋建筑物的振動(dòng)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(jī)械掘進(jìn)誘發(fā)既有建筑物的振動(dòng)破壞特征與規(guī)律.主要研究成果如下：

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

(2) TBM掘進(jìn)施工引發(fā)地面房屋建筑物振動(dòng)，振動(dòng)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(shí)，TBM掘進(jìn)施工對(duì)地面環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)影響可以忽略不計(jì).

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

(4) TBM掘進(jìn)參數(shù)的改變對(duì)施工引發(fā)地表房屋建筑物振動(dòng)有一定影響，可適當(dāng)減小TBM推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)從而降低掘進(jìn)施工對(duì)地表房屋建筑物的振動(dòng)影響.