盾构掘进振动对既有隧道结构的动力影响研究

2022-08-29李红岩李文博

铁道科学与工程学报 2022年7期

李红岩，李文博,2

(1. 新疆农业职业技术学院，新疆维吾尔自治区昌吉 831100；2. 长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室，湖南长沙 410114)

盾构法施工因其安全性高、施工效率高以及自动化作业程度高等优点而得到了广泛应用[1-4]，相关技术设备日趋成熟。但随着工程实践的逐步推广，地铁盾构施工引起的环境振动问题日益严重。在盾构掘进过程中，刀盘对土石材料的切割在地层中产生剧烈振动，振动波传播至地表引起严重的场地振动，场地振动引发地表建筑的二次结构振动和噪声，不仅导致结构损伤或邻近建筑物的共振，同时对居民区等环境敏感区域造成严重危害[5]。近年来，盾构施工引发周围环境及构筑物的安全事故屡见不鲜，如北京地铁10 号线和8号线2 期等[6]工程均因盾构掘进施工在周围土层中诱发了剧烈振动，刀盘附近的加速度振级超出了规范要求。因此，迫切需要对盾构施工在周围环境中产生的动响应进行可靠研究，以明确施工振动的产生机制以及振动波在地层中的传播规律，掌握振动对建筑及居民安全的影响程度，从而实现减振隔振防控，降低环境影响风险。国内外学者对盾构施工引发的环境振动问题开展了许多研究。张波等[7-8]分别对北京地铁盾构施工洞内管片、地表振动以及周围建筑物的动响应进行监测，获得了施工振动沿地表的传播规律以及建筑物动响应的空间分布规律。COMODROMOS 等[9-10]建立双线隧道数值模型，考虑地应力平衡与盾构掘进的同时作用，研究开挖面支护、注浆压力及注浆间歇时间等施工参数对地面沉降的影响。罗杰等[11-12]对地铁盾构施工进行数值仿真，分别研究了不同桩基模式、开挖面支护以及地表建筑物刚度等条件下盾构施工对瞬时地表沉降和稳定地表沉降的影响。王红丽等[13-14]模拟盾构施工对其侧穿建筑桩基以及邻近独立基础的影响，通过控制模型工况和几何尺寸，获得施工参数和空间距离对侧穿与邻近基础性能的影响。目前多数研究主要针对盾构施工振动在地层地表中的传播规律、引起的地表不均匀沉降规律以及对邻近建筑及建筑基础的动响应特性的影响，对于邻线施工振动波在既有本线隧道结构中的传播规律，特别是邻线振源对其所激发的本线动响应的叠加影响等方面鲜有研究。因此，本文依托北京地铁10 号线1 期双线盾构施工工程，对盾构掘进过程中邻线盾构段、本线初支段与本线二衬段的加速度响应进行现场实测。分别分析邻线振源激励下的加速度时频响应、邻线周围土层中加速度幅值随隧道中心线距离的衰减特征以及本线隧道衬砌结构拱顶及拱腰等部位加速度有效值的分布特征，从而获得邻线隧道盾构刀盘切削所诱发的振动在地层中的传播规律以及对既有本线隧道结构动响应的影响规律。

1 工程概况

北京地铁10 号线石榴庄站至大红门站区间，左右线净间距为5.25 m。左线采用矿山法先施工完成，右线采用盾构法施工。左线暗挖隧道采用双侧壁导坑法施工。单洞双线马蹄形断面，结构总宽12.5 m，总高9.35 m，初支厚度350 mm，隧道覆土厚度约为10 m。左线暗挖隧道位于卵石和粉细砂层，卵石层级配良好。右线盾构隧道穿越地层以细中砂层、粉质黏土层和卵石层为主，卵石直径较小。各主要地层自上而下的相关物理力学参数见表1所示。

表1 场地的分层土介质的基本参数Table 1 Basic parameters of layered soil medium

2 盾构掘进振动现场测试

2.1 测试方法

为研究右线隧道盾构刀盘切削所诱发振动在地层中的传播规律及其对左线既有隧道结构的影响，现场测试过程中，采用2套设备在刀盘切削时进行同步测试。其中，左线暗挖初支段测试系统由WS-5921 数据采集仪、941B(新)型低频传感器(频率范围为0.17～100 Hz)和计算机等组成，采样频率为200 Hz。右线盾构隧道测试系统由24 位网格分布式(ⅠNV3060A)采集仪、频率范围为0.2～500 Hz和灵敏度为1.0 v/g的P35压电式加速度传感器等构成。考虑振源处高频存在，采样频率为1 000 Hz。

每组测点均同时测试三向加速度，且规定：水平面内垂直于盾构掘进为X方向；盾构掘进方向为Y向；垂直于水平面的铅垂方向为Z方向。

测试过程和方法依据国家标参考相关规定[12]进行。

2.2 测点布置

1) 左线初支段

在左线暗挖初支段沿盾构掘进方向布置3个断面，分别对应右线盾构刀盘的85 环、105 环和125环，间距为24 m，纵断面测点布置如图1～2 所示，依次标记为断面A，断面B 和断面C。刀盘切削过程为20 min，采集过程分3次完成。

图1 左线初支段纵断面布置Fig.1 Longitudinal section layout of the initial branch of the left line

图2 初支段结构Fig.2 Ⅰnitial branch structure

每个横断面上下导洞布置4 组测点。以断面A为例，上导洞自右往左依次标记为A-1，A-2，A-3，A-4，下导洞自右往左依次标记为A-5，A-6，A-7，A-8；每个测点水平间距为4 m，上导洞测点距离中板1.1 m，下导洞距离中板1.4 m。将传感器安装在和结构焊接牢固的水平钢板上，如图3所示。

图3 初支段横断面测点布置Fig.3 Arrangement of measuring points in transverse direction of primary lining

2) 左线二衬段

在左线暗挖二衬段沿盾构掘进方向布置2个断面，对应右线盾构刀盘的位置分别位于173 环和193环，间距为24 m，依次标记为断面D，断面E，每个断面均布置3个测点，以断面A 为例，自右向左依次为1，2，3，如图4所示。

图4 二衬段横断面测点布置Fig.4 Arrangement of measuring points in transverse direction of secondary lining

3) 右线盾构段

在研究盾构施工诱发的环境振动时，振源特性及振动强度至关重要，准确地确定振动源成为开展该问题研究的首要问题。众所周知，盾构施工一个完整的周期包括电瓶车运送管片、刀盘切削岩土体、电瓶车运送渣土和拼装管片。相关研究发现地表振动响应强烈程度依次为：刀盘切削岩土介质、电瓶车和临时轨道间的轮轨相互作用、盾构机内部机械。

由于在盾构掘进过程中，一方面无法将传感器布置在刀盘上，另一方面地表不具备打孔布置测点的可能性，选择在紧邻刀盘左右管片及机械设备上(距离刀盘约8 m)设置3 组振源测点，并用快粘粉将其固定，如图5所示。

图5 现场传感器安装Fig.5 Ⅰnstallation of sensor on the spot

3 测试结果数据处理

盾构掘进通过监测断面的时间T内，其振动加速度有效值按下式计算：

式中：arms为加速度有效值，m/s2；a(t)为t时刻的加速度，m/s2；T为振动持续时间，s。

式中：VAL单位为dB；arms为振动加速度的有效值，m/s2；a0为基准加速度，国际标准ⅠS02631 中规定取值为1×10-6m/s2。

按照我国现行标准规定，中心频率为1，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4，5，6.3，8 和10 Hz，…。1/3 倍频程谱的上、下限频率及中心频率之间的关系为：

1/3 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。

4 测试结果分析

4.1 右线盾构隧道震源特性

图6 和图7 分别为盾构刀盘掘进引起的振动加速度时程曲线及幅频曲线。经分析可知：

图6 时程曲线Fig.6 Time-history curves

图7 频谱曲线Fig.7 Spectrum curves

1)图6 加速度时程响应表明，Z向测点加速度曲线振动趋势平缓，X向和Y向测点加速度曲线振动趋势强烈。其中，Z向测点加速度信号呈现出多个周期性峰值，X向和Y向测点加速度信号周期性峰值不明显，加速度振幅具有随机性。振动加速度峰值表现为Y向＞X向＞Z向的规律。

2)图7加速度幅频响应表明，各测点的加速度频谱曲线均存在2个以上的主频，主频域的频率均分布于500 Hz 范围内，第1 主频集中分布于200 Hz 范围内。各测点在其主频段内的振动加速度幅值均表现为Z向＞Y向＞X向的规律，表明振动能量在铅垂面内的分布相较水平面内的分布占优。水平面内测点的加速度主频在谱曲线中存在对应关系，其中，X向与Y向测点的加速度频响均由30，60 和470 Hz 附近的频率成分主导。铅垂面内测点的加速度主频则呈现出多个单峰，Z向测点的加速度频响分别由10，40，150，200，375 和470 Hz 附近的频率成分主导，表明振动能量在铅垂面频域内的分布更为分散。同时可知，X向与Y向测点的加速度频响在470 Hz 附近的频率成分相较30 Hz 附近的频率成分占优，Z向测点的加速度频响在10 Hz附近的频率成分相较470 Hz附近的频率成分占优，体现出地层围岩的滤波作用，将振动能量的高频成分高通传播于水平面内，低频成分低通传播于铅垂面内。

3) 盾构施工的振源包括刀盘切削过程、管片拼装、电瓶车运送管片和渣土、盾构机内部机械以及抽水、注浆等施工操作。其中，刀盘刀具切割土体过程中与卵石颗粒的碰撞及机械振动为主要振源。通过对刀盘切削10 环，发现对于作业面向前10 环的影响相较作业面向后10 环的影响更大，表明盾构掘进后形成的隧道空腔具有一定的减振作用。根据美国FTR 规范计算得到隧道壁处的平均Z向振级VLz=108.8 dB。

4.2 左线初支段响应特性

表2 和图8～10 所示分别为左线初支段测试结果，从中分析可知：

图8 左线加速度衰减曲线Fig.8 Acceleration decay curves in mining tunnel

表2 左线加速度级Table 2 VAL in mining tunnel dB

1)振源处振动波受辐射阻尼和材料阻尼影响，振动能量在土体中快速衰减，如，经过5 m 的水平地层传播，加速度有效值X方向由0.1 m/s2减少到0.007 6 m/s2。

2) 振动随距离并非单调衰减，而在距中线13 m 处，三向加速度的有效值均出现局部放大现象，这与马蒙等[15-16]的研究结果相一致。原因可能是由于该段上部砂卵石下部粉细砂(上硬下软)地层，弹性波在不同地层界面经反复的反射、折射后与直达波相干形成能量聚焦区所致。

图9 峰值加速度衰减规律Fig.9 Peak acceleration attenuation rule

3) 水平面内垂直于盾构掘进方向的加速度量值要大于掘进方向和竖直方向。说明相邻隧道在振动波影响下将受到“撕扯作用”，这种持续性“撕扯作用”在局部放大区域内将更为显著，严重时造成衬砌裂缝的逐渐发展。这种振动波对相邻隧道的“撕扯”作用当遇到放大区域将会更加明显，因此，想要控制施工振动对衬砌裂缝的影响，需要采取相应的减振措施，减小局部放大区内的振动能量。

4)Z向振动加速度级由振源处的108 dB，衰减到距离振源17 m 处的55 dB；X和Y向振动加速度级分别衰减到距离振源17 m 处的55 dB 和52 dB；均满足FTR标准要求。

5) 与地震作用相比，盾构施工产生的振动动应力幅值小，作用时间短，峰值加速度量级10-2m/s2，在振动加速度的安全范围(＜0.102g)，不足以引起结构的破坏。

6)采用MATLAB 编程对初支段的垂向加速度进行1/3 倍频程谱分析，比较上下导洞测点距隧道中心线不同距离处的计权加速度级，如图10所示。发现各测点计权加速度级在各中心频段内的分布规律类似，谱曲线表现为在25 Hz 以内的中低频段分布平缓，振动信号频带较宽，在30～80 Hz 的高频成分对加速度级幅值贡献较大。由于下导洞更接近振源，在同一位置各中心频率的计权加速度级均高于上导洞。同时可知，随着距隧道中心线距离的增加，加速度级在中低频段内变化较小，在50～80 Hz 的高频段内有所衰减，并且在距离中线5～9 m范围内衰减最显著。

图10 初支段测点1/3倍频程谱Fig.10 One-third octave spectrum value of measurement points in primary lining

4.3 左线二衬段响应特性

图11～14 分别为左线二衬段测试结果，从中分析可知：

图11 时程曲线Fig.11 Time-history curves

1)给出各测点典型二衬段3个方向的振动加速度时程曲线。发现3 个方向在振动持续时间30 s 内的时程曲线均呈“纺锤形”。其中，X向和Y向加速度振动趋势平缓，Z向加速度振动趋势较强烈。对比发现3个方向的加速度峰值和有效值相近，并且加速度峰值均出现在加载时间为15 s附近，这与地铁列车运营振动以竖向振动为主的特点存在差异，而且振动的随机性更强。

2) 给出加速度有效值随距隧道中线距离的变化曲线，如图12 所示。发现二衬段横断面加速度有效值沿纵向逐渐衰减，在振源处有效值最大，Z向达到了0.011 m/s2，Y向处于中值，在考虑峰值影响时，可以忽略沿盾构掘进方向的影响。3 个方向加速度有效值沿线并未出现局部放大效应，分析其原因可能由于二衬段具有较好的刚度，整体性更强，止水橡胶起到了一定的减振降噪的作用，同初支段相比，二衬段的加速度均较小。因此，通过提高隧道结构的整体性，增设橡胶等减振材料可以较为理想地减弱振动对结构的影响。

图12 加速度有效值衰减曲线Fig.12 Acceleration RMS attenuation curves

3)采用MATLAB 编程对二衬段横断面测点的垂向加速度进行1/3 倍频程谱分析，获得距隧道中线不同距离处拱腰和拱底测点的加速度级在各中心频率处的分布，如图14 所示。发现在各中心频段内，拱腰与拱底的垂向加速度级幅值分布规律类似，加速度级随中心频率的增加而递增，谱曲线表现为低于25 Hz 的中低频平缓，振动信号频带较宽，50～80 Hz 的高频成分对加速度级幅值贡献较大。在各中心频段内，拱腰的振动加速度级略大于拱底。同时可知，随着距隧道中心线距离的增加，各测点频率响应频带宽度逐渐减小；Z向振动最大加速度级出现在频率50～80 Hz 左右，谱曲线的高频成分有所衰减，且集中出现于60 Hz附近。

图13 二衬段峰值加速度Fig.13 Peak acceleration in secondary lining

图14 二衬段测点1/3倍频程谱Fig.14 One-third octave spectrum value of measurement points in secondary lining

5 讨论

1) 据本文测试结果，在左线初支段距隧道中线13 m 位置处，发现上下导洞三向加速度峰值均出现局部骤增现象。这一现象在地铁盾构等地下施工引起的场地振动中屡见不鲜，尤其在主放大区的振动水平通常接近甚至超过振源处的动响应。目前国内外学者针对振动局部放大区的形成原因提出了多方面的解释，主要包括：1) 近场体波在地表的入射与反射叠加效应及体波随入射角的衰减效应；2) 地铁隧道空腔对弹性波传播的阻障作用；3) 土层泊松比对主放大区出现位置和放大程度的影响；4) 作用于隧道内的竖向动荷载形成的场地波场非均匀分布特征的影响；5) 土的层状组成、隧道结构、激励频率及材料阻尼等影响。结合本工程初支段结构与周围地层岩性，笔者认为主要可能原因为：1) 振源激励的频率与传播介质地层固有频率相近所产生的共振现象；2) 振动波传播过程中与埋藏基岩表面的反射波、折射波的叠加所致。体波在地层界面经反复的反射和折射后，反射系数及模式转换系数发生改变，使体波分量产生了不同程度的综合叠加；3) 砂卵石层与粉细砂层介质的模量比(波阻抗比)及阻尼比对放大区反弹程度造成影响。层状地层发生透射后的出射角变化、SV 波全反射及折射波将影响主放大区的出现位置及反弹程度。

2) 据本文测试结果，在左线二衬段三向加速度沿线并未出现局部放大效应，且同初支段相比，二衬段的加速度有效值更小。分析其原因可能是二衬段外壁的止水橡胶降低结构固有频率，增大结构阻尼，促进体波随行程增加而发生的衰减。吸收了弹性波的入射，降低了隧道内场地波场的不均匀程度，从而提高二衬段整体性，起到了明显的减振降噪作用。