成槽冲击荷载对邻近文物建筑的振动影响分析

黄娟，余俊，雷明锋，杨蕤

土建施工作业，如强夯、打桩、爆破等往往伴随着巨大动能的产生，除小部分转为热能外，大部分动能以应力波的形式向周围土层扩散，迫使地面及邻近建筑物产生振动，给周边环境带来不利影响。随着工业交通基础设施的建设发展，施工活动不断向密集的城市中心或环境要求较高的区域延伸，施工振动的影响日益突出，国内外学者对各类施工振动问题相继展开了研究[1-4]。刘博等[5]运用多种原位测试方法，分析了各能级强夯振动对邻近海工防渗墙抗渗性能的影响；王鑫等[6]对盾构施工引起的周围环境振动响应进行了现场测试，并基于振源特性，提出了盾构施工引起环境振动实用计算方法；董军锋等[7]通过护坡桩的振动测试，分析了打桩振害与地震震害的区别以及打桩振动对建筑物影响；王源等[8]根据爆破振动监测结果，分析了爆破振动对南京明代城墙安全性的影响；张明泉等[9]针对莫高窟危岩锚固工程，探讨了锚孔钻进施工振动对洞窟文物的影响。从文献资料来看，研究者们通过现场测试、数值模拟等手段，在施工振动方面取得了较丰硕的成果，研究内容侧重于强夯、打桩、爆破施工的振动波传播规律、周边环境的影响以及减振措施，其中施工振动对周边环境的影响研究主要是针对交通建筑、普通房屋，有关冲击施工荷载对古建筑或文物建筑的振动影响尚不多见。建筑结构受施工振动的影响程度不仅与振源类型、土层介质相关，而且与结构自身特点(如基础刚度、自振频率等)密切相关。文物建筑因历经岁月侵蚀，其对施工振动的敏感性远大于一般建筑。文物建筑一旦受损，所造成的历史文化遗产损失是无法估量的。本文基于现场测试结果，对成槽冲击施工振动波的衰减规律，以及冲击施工振动对国家级重点文物保护建筑——八一纪念馆旧址大楼的影响进行分析，以期为今后类似文物建筑的施工振动防护及施工振动影响评估积累宝贵的原始资料。

1 工程概况

南昌八一纪念馆旧址大楼是国务院 1961年公布的第一批全国重点文物保护建筑，馆内藏有大量的历史文献资料，具有极其宝贵的历史文化和科学研究价值。旧址大楼位于南昌市中山路与鄢家井巷交叉口东侧，始建设于 1922年，是一座仿西式巴洛克风格的4层(局部5层)砖木结构建筑，平面呈“回”字形，中间为天井，面阔26.5 m，进深40.5 m，建筑总高15.6 m，原设计为砖墙承重，墙下条形刚性基础，基础处于杂填土层。迄今经历了多次维修、改造加固。

在建的南昌地铁1号线子固路站～八一馆站区间，沿中山路敷设，为地下2层明挖框架结构，基坑平均开挖深度18.1 m，围护结构采用800 mm厚地下连续墙加内支撑围护方案，该区间从八一馆旧址北侧旁穿而过，地下连续墙距八一馆旧址大楼外墙净距为27.61～29.08 m，平均28.35 m。八一纪念馆旧址大楼与子～八区间之间的位置关系见图1。

图1 八一纪念馆旧址大楼与区间地连墙的位置关系Fig. 1 Position relation between August 1 memorial building and diaphragm wall

区间所在场地土层自下而上由密实—中密—稍密变化，上部为人工填土(Q4 ml)、第四系上更新统冲积层(Q3al)，下部为第三系新余群(Exn)基岩。由于下部岩层坚硬，地下连续墙成槽机抓斗无法施工，采用冲击钻破岩施工，锤重5 t，落距5 m。八一纪念馆旧址大楼紧邻冲击振源，加上旧址大楼修建时代久远，原始勘察设计资料不详，现有的预测计算模型又比较粗略，为准确评估冲击施工振动对旧址大楼的影响，在地下连续墙冲击成槽过程中对该文物建筑的动力响应进行现场测试。

2 测试方法

2.1 测试系统

振动测试系统如图2所示，包括数据采集仪、信号放大器、拾振器和计算机。数据采集仪采用东方振动和噪声技术研究所的INV-306信号智能采集处理分析仪，传感器和放大器采用中国地震局工程力学研究所941B型、891型拾振器及相匹配的941型和891型放大器。

图2 振动测试系统Fig. 2 Vibration test system

2.2 测点布置

在底层楼面、2～4层承重墙柱、顶层楼面上各布置一个测点，各层测点位于同一投影点上，每个测点分别安装1个竖向拾振器、1个SN水平向(垂直于基坑方向)拾振器和1个EW水平向(平行于基坑)拾振器。另外，为了解地面振动与建筑物响应的传递关系，在旧址大楼与基坑之间的地表上布置 4个测点，每个测点分别安装1个竖向拾振器和1个SN水平向拾振器，测点布置平面示意见图3。同时在整个振动监测过程中，对1层楼梯底部既有裂缝也进行了观测。

2.3 测试工况

为客观、全面地分析冲击成槽施工振动对旧址大楼的影响，分别对八一纪念馆开馆、闭馆期的冲击成槽振动响应以及深夜人静时八一纪念馆的自然环境激励响应进行数据采集。具体测试工况见表1。

图3 测点布置平面示意图Fig. 3 Layout diagram of velocity measuring points

表1 测试工况Table 1 Testing cases

3 振动控制指标和标准

与地震荷载相比，施工振动持续时间长，具有往复性。根据建筑材料的疲劳特性，当结构承受的最大往复应力或应变小于材料疲劳极限时，即使经过长期往复运动，建筑结构不会产生新的裂缝，已有裂缝也不会扩展。建筑结构的动应变与其质点速度成正比，工程实践也表明地面质点速度与结构的破坏程度相关性最好。因此，国内外的振动防护标准大多采用质点速度作为控制标准。

建筑结构的容许振动标准是客观评估施工振动影响的基础与依据。国内外对有重要意义的保护建筑均给出了相应的振动防护标准，但相差较大。例如，德国的DIN4150爆破震动安全标准规定重要古建筑和历史性建筑物的振动限值为3～8 mm/s，而英国采用的标准为 7.5 mm/s。文献[10]通过对 390多个不同古建筑材料试件的室内试验和130多座古建筑结构的现场测试及理论分析，按古建筑结构类型、所用材料、保护级别及弹性波在古建筑结构中的传播速度等规定了相应的容许振动值，具体见表2。

表2 古建筑砖结构的容许振动速度Table 2 Allowable vibration velocity of historic buildings made of brick mm/s

八一纪念馆旧址大楼作为国家级重点文物保护建筑，一旦受损便不可再生，其容许振动标准的选择不仅要考虑结构的安全性，还要考虑建筑的完整性。出于对八一纪念馆旧址大楼的保护，其防护标准按古建筑最高等级限值0.15 mm/s。

4 冲击振动影响分析

在数据分析前，对实测原始记录信号进行了去直流、带阻滤波等处理。在进行频谱分析时，为减少频谱的泄漏，采用了指数加窗函数。

表3 结构振动速度响应平均值Table 3 Average velocity response of structure mm/s

4.1 八一馆旧址大楼振动响应

建筑结构的振动响应按同一高度、同一方向各测点速度时程最大峰峰值的一半确定，并取各次的平均值[10]。八一馆旧址大楼的速度响应统计结果见表 3，速度响应随楼层的变化关系见图 4，旧址大楼顶层的各向速度时程曲线见图5。

图4 速度响应随楼层分布Fig. 4 Velocity response measured of every floor

分析测试数据可知，在冲击振动荷载作用下，旧址大楼的动力响应以V竖向和SN水平向为主，EW水平向响应最小。开馆期，旧址大楼3个方向的平均振速分别为0.101，0.088和0.057 mm/s；闭馆期3个方向的平均振速分别为0.091，0.07和0.046 mm/s。旧址大楼的振动响应略表现出“鞭梢效应”，振速大致随楼层上升而增大，最大振动响应主要发生在顶部。多层建筑结构可视为一端插入土中固定、另一端自由的悬壁结构，当动应力波沿着土层传递给建筑基础时，振动响应在结构的自由端顶部存在一定的放大效应。从结构速度响应的波形图来看，成槽施工振动的冲击信号明显，游人行走对结构施工振动响应有一定的叠加效应，但不突出。旧址大楼各测点的振动速度响应均小于其振动防护标准值 0.15 mm/s，区间冲击成槽施工振动对八一馆旧址大楼的影响较小。

图5 顶层的速度响应时程Fig. 5 Time history of velocity response of top floor

4.2 八一馆旧址大楼振动频率

冲击成槽施工引起的旧址大楼，顶楼的频率分布见图6，振动主频见表4。

图6 顶楼的频率分布Fig. 6 Frequency distribution of top floor

开馆期，冲击成槽施工引起的旧址大楼V向振动主频率在10.6～11.5 Hz之间，SN水平和EW水平向的振动主频分别为8.0～11.4 Hz和9.8～11.0 Hz。闭馆期，旧址大楼的 V向振动主频率在11.2～12.5 Hz之间，SN水平和EW水平向的振动主频分别为8.0～11.0 Hz和9.3～11.1 Hz。自然环境激励下识别的大楼主频率为3.1～3.2 Hz。

表4 旧址大楼振动主频平均值Table 4 Average main vibration frequency of structure Hz

旧址大楼SN和EW 2个水平向的振动主频基本一致，V向的振动主频略高于2个水平向的。旧址大楼各向振动主频随楼层基本无变化。由冲击成槽施工引起的大楼振动主频主要分布在 10.0～12.5 Hz之间，与大楼的自然频率3.1～3.2 Hz相差较远，冲击成槽施工振动不会引起旧址大楼的共振。在整个测试过程中，未发现旧址大楼出现新的裂缝，被监测的既有裂缝亦未出现扩展。

4.3 冲击振动传递规律

冲击成槽施工引起的地面振动速度随距离的衰减规律如图 7所示，各地表测点振动主频率见表5。

根据实测数据，并通过最小二乘法回归分析可知，地表速度响应随测点离开振源的距离增大而逐渐衰减，地表竖向和水平向的振动速度幅值与测点距离大致存在如下统一形式的衰减规律：

式中：v为测点速度幅值，mm/s；r为测点到振源的距离，mm；α为速度方向系数，竖向取值14.684，水平向取值2.864；β为衰减系数，竖向取值0.476，水平向取值0.289。

图7 地表振动速度随距离变化关系Fig. 7 Variation of ground velocity response with distance from vibration source

表5 地表振动响应主频Table 5 Main vibration frequency of ground Hz

成槽施工引起的地表各测点的振动主频率在16.5～20.2 Hz范围之间，地表振动频率与振源距离之间未表现出明显的变化规律，即频散现象，这可能是因为所测区域只涉及28 m的较小范围，在该范围内土层较均匀，土性变化不大。与地表主振频率相比，大楼的主振频率有所下降，土层和大楼基础对施工振动的高频率部分有吸收、过滤作用。

分析图7可知，地表竖向振动速度随距离的衰减变化比水平向的快。从地面振动响应和纪念馆振动响应的整体变化趋势来看，冲击振动应力波通过土层首先经历了一个衰减过程，随后动应力波通过基础和柱，向上传至每层结构，并在结构顶层存在一个放大区。

5 结论

1) 成槽冲击荷载作用下，八一纪念馆旧址大楼的速度响应以竖向和垂直基坑的水平向为主。旧址大楼的振动响应略表现出“鞭梢效应”，振速大致随楼层上升而增大。

2) 由冲击成槽施工引起的旧址大楼振动主频率在10.0～12.5 Hz之间，与其自然频率3.1～3.2 Hz相差较远，冲击成槽施工振动不会引起旧址大楼的共振。

3) 旧址大楼竖向最大速度响应值为 0.111 mm/s，水平向最大速度响应为0.102 mm/s，均小于其振动防护标准值 0.15 mm/s，整个监测过程中旧址大楼未出现新裂缝，既有裂缝亦未扩展，说明成槽冲击施工荷载对大楼的振动影响较小。

4) 地表的竖向和水平向的振动速度响应均随测点离开振源的距离呈幂函数形式衰减，且地表竖向的振动速度比水平向的衰减快。成槽施工引起的周边地表的振动主频率在16.5～20.2 Hz范围之间。

参考文献：

[1] MENG Q J, QIAO J S, WANG L. Model test study on transfer law of dynamic stress produced by dynamic compaction[J]. Systems Engineering Procedia, 2011,11(1): 74-79.

[2] 张涛, 吕淑然, 杨凯. 强夯振动对周边环境的影响研究[J]. 中国安全科学学报, 2014, 24(11): 127-132.

ZHANG Tao, LV Shuran, YANG Kai. Effect of dynamic compaction vibration on surrounding environment[J].China Safety Science Journal, 2014, 24(11): 127-132.

[3] 张智梅, 黄海涛, 张继红. 高频振动沉桩施工对周边环境影响研究[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2016,22(5): 680-690.

ZHANG Zhimei, HUANG Haitao, ZHANG Jihong. An investigation of surrounding environment impacts caused by high-frequency vibration pile-driving[J]. Journal of Shanghai University (Natural Science), 2016, 22(5): 680-690.

[4] 尹坚, 张良涛. 地基强夯振动测试分析及防振动措施[J]. 铁道工程学报, 2009, 127(4): 17-20.

YIN Jian, ZHANG Liangtao. Test and measurement of the vibration induced by heavy ramming foundation and anti-vibration measure[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2009, 127(4): 17-20.

[5] 刘博, 李海波, 冯海鹏, 等. 强夯施工振动对海工防渗墙影响试验及安全监控[J]. 岩土力学, 2012, 33(10):3073-3080.

LIU Bo, LI Haibo, FENG Haipeng et al. Effect of dynamic compaction vibration on cutoff wall and its safety monitoring[J]. Rock and Soil Mechanics 2012,33(10): 3073-3080.

[6] 王鑫, 韩煊, 周宏磊. 中心城区地铁盾构施工引起的环境振动响应研究[J]. 土木工程学报, 2015, 48(S2):309-314.

WANG Xin, HAN Xuan, ZHOU Honglei. Research on environment vibration response induced by metro shield tunneling in central urban area[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S2): 309-314.

[7] 董军锋, 张旻, 雷波. 打桩振动对相邻建筑影响的测试与分析[J]. 武汉大学学报(工学版), 2015, 48(3):397-401.

DONG Junfeng, ZHANG Min, LEI Bo. Test and analysis of influence of vibration due to pile driving on adjacent building[J]. Engineering Journal of Wuhan University,2015, 48(3): 397-401.

[8] 王源, 刘松玉, 谭跃虎, 等. 九华山隧道爆破施工对明城墙振动影响的监测与分析[J]. 岩石力学与工程学报,2007, 26(增 1): 3584-3589.

WANG Yuan, LIU Songyu, TAN Yuehu, et al. Monitoring and analysis of ming dynasty wall vibration influenced by explosion construction of Jiuhuashan tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(Suppl 1): 3584-3589.

[9] 张明泉, 温玲丽, 王旭东, 等. 敦煌莫高窟保护工程施工振动对洞窟文物的影响[J]. 岩石力学与工程学报,2009, 28(增2): 3762-3768.

ZHANG Mingquan, WEN Lingli, WANG Xudong, et al.Impact of construction vibration on mogao grottoes in Dunhuang[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(Suppl 2): 3762-3768.

[10] Gb/T 50452—2008, 古建筑防工业振动技术规范[S].Gb/T 50452—2008, Technical specifications for historic buildings against man-made vibration[S].