岩溶地区地下连续墙成槽施工振动测试与分析

吴晓腾

（中铁十八局集团第四工程公司，天津 300350）

0 引言

地下连续墙因具有刚度大、噪声小、整体性强、防渗性和耐久性好等优点，被广泛用于地铁的深基坑开挖支护。我国地下连续墙成槽施工技术已经相当成熟，目前已有“抓—冲”结合、“抓—旋—冲”结合、“抓—钻—冲”结合和“抓—铣”结合等地下连续墙成槽施工工艺，在岩溶地区常采用“抓—冲”结合的施工工艺和“抓—铣”结合的施工工艺。

地铁建设项目常处于城市的人员密集区与建（构）筑物密集区，对于地质条件复杂的岩溶地区，因其溶洞发育强烈、岩面起伏大导致的地质特殊性，在地下连续墙成槽施工过程中会带来较大风险，轻则导致对邻近建（构）筑物产生一定的扰动、产生较大灰尘污染环境、产生较大噪音影响人的身心健康，重则导致地面塌陷、房屋开裂受损等。

本文依托昆明某地铁车站建设项目，进行岩溶地区“抓—冲”结合工艺和“抓—铣”结合工艺地下连续墙施工振动测试与分析，主要研究不同施工工艺作业时引起的地面振动响应峰值和频谱信息，建立2种施工工艺的振动响应衰减公式，以此确定岩溶地区地下连续墙成槽施工区建（构）筑物最小安全距离。本文的研究成果可为类似项目临近建筑的地下连续墙施工振动防护和安全评估提供参考。

1 岩溶地区地下连续墙成槽工艺

1.1 “抓—冲”结合成槽施工工艺

“抓—冲”结合成槽施工工艺是在上部强度较低的砂土层直接采用液压抓斗成槽，当进入到液压抓斗无法继续成槽的下部岩层时，采用冲击钻从当前槽面进行冲击成孔，冲孔完成后，采用液压抓斗对冲碎的岩层进行抓槽，并用方锤进行修槽。

在国内市场上出现铣槽机之前，冲孔钻机是最常用的成槽设备，该设备是在硬岩中进行地下连续墙成槽最多的设备。由施工现场的统计数据可知，冲击钻机在岩溶地区的成孔效率为0.5m/h，采用“抓—冲”结合施工工艺对地质条件复杂的灰岩地区进行成孔施工时，溶洞发育强烈、岩面起伏大等因素易导致在成孔过程中出现卡钻现象。

1.2 “抓—铣”结合成槽施工工艺

“抓—铣”结合成槽施工工艺是在上部强度较低的砂土层直接采用液压抓斗成槽，当进入到下部坚硬岩层时，采用铣槽机进行铣槽并最终成槽。

双轮铣槽机被誉为硬岩地层施工的“杀手锏”，是目前地下空间开发最前沿、最高效的设备，相较于传统的冲孔钻机，双轮铣槽机具有显著的优越性。“抓—铣”结合施工工艺成槽效率高，可以大大缩短施工工期，双轮铣槽机在岩溶地区的成槽效率可达1.5~2.0 m/h，该施工过程产生的振动不会对相邻建筑产生较大扰动，但购买双轮铣槽机的直接成本较高，且在强度较高的岩层中成槽时，易对铣齿造成不同程度的磨损破坏，极大地提高了设备的维修费用。

2 工程概况

昆明地铁四号线某车站围护结构采用1 500 mm厚地下连续墙+内支撑方案，车站总长度为131.3 m，采用地下4层岛式站台形式。标准段地下连续墙插入深度为20 m，盾构段地下连续墙插入深度为21 m。车站地下连续墙与后期主体结构内衬墙形成叠合墙，地下连续墙混凝土超灌高度为500 mm。根据设计要求，端头井位置地下连续墙深度为56.6 m，其余位置地下连续墙深度为54.1 m。

车站范围内的地质情况自上而下可分为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系全新统剥蚀残积层（Q4el+dl）以及二叠系下统阳新组（P1y）3个地层单元，现将各岩土层分布及特征分述如下：

1）第四系人工填土层（Q4ml）。人工填土层：以素填土为主，分布于线路表层，层厚为0.50~4.40 m，平均厚度为2.21 m，为近期人工堆填而成，主要由黏性土和少量碎石组成，稍压实，属Ⅰ级松土。

2）第四系全新统剥蚀残积层（Q4el+dl）。粉质黏土层：褐黄色、棕红色、灰色，可塑，主要成分为粘粒，次为粉粒，土质较均匀，干强度中等，韧性中等，局部干强度较高，呈层状分布，中等压缩性土，层厚为0.50~29.70m，平均厚度为11.59m，层面埋深为0~10.00m。

3）二叠系下统阳新组（P1y）。溶洞层：以串珠状溶洞为主，主要全充填，局部无充填，充填物成分为黏土，局部掉钻、无明显漏水现象；白云岩层：灰白色，浅灰色，中等风化，主要由碳酸盐矿物组成，隐晶质结构，中厚层状构造，岩溶强烈发育，多为全充填，少量无充填，揭露层厚为0.20~69.33 m。

3 振动测试

3.1 测试系统

TST3827EN动静态测试分析系统如图1所示，该分析系统采用先进的数据传输手段，其综合了静态应变仪和动态应变仪的特点，适用于测量振动过程中变化的物理量，系统内置高速ARM处理器，实时数字滤波，具有构成模拟滤波和数字滤波的高性能抗混滤波器，该分析系统测量精度高、实时性好、性价比高，操作简单方便。

图1 测试系统示意

3.2 振动测试物理量的选择

振动响应主要包括位移、速度、加速度等，在振动响应的各物理量中，振动加速度反映了振动冲击力的大小，振动速度反映了振动能量的大小，振动位移反映了振动幅度的大小。在不同的频率范围，振动强度可以通过不同的物理量作出反映。

实际工程中，振动测试物理量的选择会直接影响振动测试的分析结果，单一的物理量往往不能很好地反映实测振动，因此需要对其余物理量作出补充分析。结合本文的研究目的与TST3827EN动静态测试分析系统的特点，本文选择对速度响应和加速度响应进行直接测试，对无法直接测得的位移响应可通过物理量之间的微积分关系得到。

3.3 测点布置

为了探讨地下连续墙成槽施工振动对相邻建筑的影响以及确定施工最小安全距离，依照《地基动力特性测试规范》（GB/T 50269—2015）进行现场振动测试。根据测试要求与现场实际情况确定测点位置，进行岩溶地区不同施工工艺下的地下连续墙成槽施工振动测试，研究地下连续墙成槽施工振动衰减规律。2种施工工艺下的振动测试测点布置如图2所示，每个测点均布置水平和竖向传感器。2种施工工艺振动测试均布置4个振动测点，其中“抓—冲”工艺振动测试的振源距分别为1、9、17、25 m；“抓—铣”工艺振动测试的振源距分别为1、6、11、16 m。

图2 振源与测点空间位置分布示意

3.4 测试数据处理及分析

对各测点的振动信号进行数据处理，可得各测点加速度、速度和位移时程曲线的峰值，对测试数据进行傅里叶谱分析，可获取地下连续墙施工振动的频谱信息［1-2］。因施工现场临近道路，为确保测试数据准确可靠，建立的振动衰减规律更加符合实际振动，在进行施工状态的振动测试之前先进行无施工状态的地下连续墙成槽施工振动测试，以消除车辆行驶等环境因素产生的振动对测试数据的影响。

在振动测试过程中，对各物理量进行4次测试，每种施工工艺4个测点4次测试共获取16组数据，2种施工工艺下的实测振动响应峰值与峰值平均值如表1—表4所示。其中“抓—铣”结合施工工艺由于施工产生的振动很小，当振源距较大时，成槽施工产生的振动较小，故表2和表4中仅列出2个测点的实测数据。

表1 “抓—冲”结合施工工艺加速度响应实测值

表2 “抓—铣”结合施工工艺加速度响应实测值

表3 “抓—冲”结合施工工艺速度响应实测值

表4 “抓—铣”结合施工工艺速度响应实测值

由表可知，“抓—冲”工艺下测点A、测点B处产生的振动速度较大，其中，测点A处得到的速度峰值平均值为7.974 mm/s，测点B处得到的速度峰值平均值为5.523 mm/s，为测点A处速度峰值平均值的69.26%；测点C处得到的速度峰值平均值为3.414 mm/s，为测点A处速度峰值平均值的42.81%；测点D处得到的速度峰值平均值为1.916 mm/s，仅为测点A处速度峰值平均值的24.03%；测点D速度响应值小于3 mm/s，满足《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）的规定。“抓—铣”工艺下测点A＇处得到的速度峰值平均值为0.141 mm/s，远小于规范要求的安全限度3 mm/s，仅为“抓—冲”工艺下测点A处速度峰值平均值的1.78%，故“抓—冲”工艺对相邻建筑的影响较小。

采用“抓—冲”工艺施工作业时，其振动加速度和速度随振源距衰减的规律如图3所示。由图可知，“抓—冲”工艺施工作业时，引起的地面振动加速度峰值随振源距的衰减规律为：y=85.586 e-0.146x+45.949，相关系数R=0.996，振动速度峰值随振源距的衰减规律为y=8.656 e-0.055x－0.228，相关系数R=0.999，其中x为振源距。由衰减曲线可以看出，“抓—冲”工艺振动衰减呈现近处快、远处慢的特性，衰减曲线可用指数函数近似表达。

图3 “抓—冲”工艺引起的振动速度和位移随振源距衰减曲线

根据傅里叶变化，任何连续测量时序或信号都可以表示为不同频率的正弦波信号无限叠加，在频谱分析下，通过对信号源发出的信号进行FFT变换，使原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号。对测试数据进行频谱分析，由频谱曲线可以获得振源的振动频率等关键信息。

通过对测试数据进行频谱分析可知，进行岩溶地区地下连续墙成槽施工时，“抓—铣”工艺振源的振动频率为17.48 Hz，施工作业时产生的振动频率集中在5~30 Hz，施工激振能量主要集中在16~25 Hz；抓—冲”工艺振源的振动频率为11.33 Hz，施工作业时产生的振动频率集中在1~40 Hz，施工激振能量主要集中在10~25 Hz。

4 结论

地铁建设项目施工环境较为复杂，进行地下连续墙成槽施工时要求将施工振动影响控制在合理范围，对于地质条件复杂的岩溶地区更是如此。通过对实际工程进行地下连续墙施工振动测试与分析，得出以下结论：

1）地下连续墙成槽施工产生的振动由近向远逐渐衰减，但不同工艺的衰减速度有所区别，“抓—冲”工艺的振动衰减速度大于“抓—铣”工艺的振动衰减速度。

2）在岩溶发育区采用“抓—冲”结合的施工工艺会对相邻建筑产生较大的振动影响，当振源距较小时甚至会对建筑产生一定的破坏作用，但当建筑物与作业点的距离小于20 m时，施工振动产生的速度响应将小于3 mm/s，故可将建筑物最小安全距离定为20 m。当建筑物距离作业点的距离小于20 m时，应采用“抓—铣”结合施工工艺，该施工工艺仅对相邻建筑产生较小的振动和噪声影响，最小安全施工距离易于确保。

3）“抓—冲”结合施工工艺的振动衰减可由形如y=AeBx的指数函数近似表达，该施工工艺呈现近处衰减快、远处衰减慢的特性；采用“抓—铣”结合施工工艺地下连续墙施工产生的振动频率与激振能量集中范围都较低，接近于周边建筑的自振频率，易对建筑物产生较大危害，因此在施工过程中应严格控制施工安全距离。进行岩溶发育区地下连续墙成槽施工时，应综合考虑各种因素，选择合适的施工工艺，以提高施工效率、降低施工成本并确保施工质量。