软土地层盾构掘进对精密仪器厂房振动影响的实测研究

刘加华 蒋 通

（1.上海申通地铁集团有限公司技术中心 ，201103，上海；2.同济大学结构工程与防灾研究所，200092，上海∥第一作者，高级工程师）

高科技园区或高等研究所等机构往往设置有精密加工线或精密仪器和设备。当城市轨道交通线路途径上述区域时，其施工及运营期间引起的振动，均有可能使上述精密设备出现信噪比低、数据不准、重复性变差、准确度下降，甚至不能正常工作等问题。近年来的事例有：北京地铁4号线近距离经过北京大学物理试验楼，北京地铁10号线途经中国科学院微电子所，北京地铁16号规划线路经过北京大学精密仪器试验楼，上海轨道交通2号线近距离途经张江高科园区等。随着我国城市轨道交通建设的快速发展，将越来越多地面临这类问题。目前，国内外对这类问题的研究绝大部分集中在运营期间的振动影响实测及分析［1－4］，对施工期间的振动影响研究则极为少见。本文结合上海某工程实例，通过实测分析了软土地层条件下采用盾构法施工引起周边环境振动的水平，以及不同掘进参数对振动的影响，通过与精密仪器设备相关标准的容许振动值进行对比研究，为工程建设和管理提供技术依据。

1 精密仪器设备的容许振动值

容许振动值是指保证精密仪器、设备能正常工作时其支撑结构处的最大振动量值。国内对精密仪器与设备的容许振动值在GB 50463—2008《隔振设计规范》［5］中规定了光刻设备在频域为4～80Hz范围内的容许振动值。目前《电子工业防微振工程技术规范》正在制定中，其中对精密设备、仪器的容许振动值也进行了相应规定。鉴于精密仪器和设备的用途不同、制造商众多，且随着纳米、微电子、光电等技术的不断发展，对设备制造与检测的精度要求也在不断提升。目前，国际上尚未形成统一的技术标准，引用较为广泛的标准为VC准则和NIST－A准则。VC准则最早于1983年由Eric Ungar和Colin Gorden针对振动敏感设备而提出，原应用于半导体制造领域，后由美国环境科学与技术学会（IEST）所采纳。该学会发布的指导性文件《洁净室设计的考虑》推荐使用该准则［6］，并被世界各国相关标准所引用。VC准则采用振动速度的均方根值（RMS）作为评价量，对竖向、水平正交的两个方向共三个轴向分别评价。NIST－A准则最早于上世纪90年代由美国国家标准与技术研究院（NIST）先进测量实验室提出，原应用于计量科学，后在纳米科学领域被普遍采用。NIST－A准则在1／3倍频程中心频率为20 Hz以上时，与VC准则的VC－E曲线一致，但在20 Hz以下频段时采用0.025μm的位移作为评价指标。

2 振动测试项目概况

上海城市轨道交通线路某区间施工采用外径6.2m的单圆盾构，覆土厚度约12m。盾构区间沿既有道路呈东西走向，与微振动敏感建筑物平行。该建筑物位于线路北侧，距离线路最近侧的下行线162m，地面的地势平坦空旷（见图1）。该振动敏感建筑物为12英寸规格硅片的主生产厂房，在邻近线路侧配置诸多精密检测设备的失效分析实验室。厂方根据生产要求，提出设备容许振动应满足VC准则的VC－D曲线标准（以下简为VC－D标准）。

图1 某振动测试项目平面示意图

2.1 测试目的及步骤

测试主要目的是：在盾构掘进施工经过厂区之前，对其所引起的场地振动影响做出评估，据此提出相应的措施，以保障敏感建筑物不受施工的影响。

研究工作分为两个步骤：①在盾构掘进施工通过主厂房之前，在距离主厂房20m时对盾构掘进施工的振动影响进行现场测试分析，了解盾构掘进施工引起场地振动的分布特点，评估其对主厂房场地振动的影响；并提出相应的措施，以保障盾构掘进施工通过主厂房时不影响主厂房的正常生产。②在盾构掘进施工通过主厂房时，进行现场监测，实时了解盾构掘进施工振动对主厂房生产的影响，并研究盾构掘进不同技术参数对激发环境振动的影响规律，检验所提出的相关措施的有效性。

2.2 数据采集与处理

对每个测点截取振动速度样本（不少于20条），计算每条速度样本值，并取所有样本速度的平均值作为该测点该时段的评价值。可得各测点的东西方向、南北方向和竖向三个方向的速度1／3倍频程的平均值。

3 测试结果与分析

3.1 盾构通过厂房前的测试

盾构掘进通过厂房前第一次测线距离厂房西侧边缘约20m，其布置如图1所示。测线上1～6号各测点与盾构掘进中心线的距离分别为3.1m、7.9 m、85.1m、93.0m、113.0m 和162.0m。

3.1.1 不同测试条件下的结果

根据测试时现场的实际情况，分为三种测试环境状态：平静环境状态（即盾构掘进不作业，地面道路无重载车辆行驶）、盾构掘进环境状态（即盾构掘进正在作业，地面道路无重载车辆行驶）和重载车辆通过地面道路状态（盾构掘进不作业）。

在这三种测试环境状态下，各测点实测振动速度1／3倍频程平均值分布如图2～图4所示。

由图2～图4可见：

1）平静环境状态下：在第1、2号测点处存在较大的背景振动，这是由于这两个测点邻近道路，背景振动为道路的一般车辆通行所引起；而在厂区内的第3、4、5、6号点处振动速度随着离线路中心的距离增加而迅速衰减，各点振动速度平均值均不超过VC－D标准。

2）在盾构掘进环境状态下：临近掘进隧道的第1、2号测点处显现出盾构掘进的主要振动频率南北方向和竖向为单频12.5Hz；东西方向为2.5Hz、6.3Hz和12.5Hz三个频率；而在厂区内的第3、4、5、6号点振动速度迅速衰减，各点振动速度平均值均不超过VC－D标准。

图2 各测点振动速度1／3倍频程平均值（南北方向分量）

图3 各测点振动速度1／3倍频程平均值（东西方向分量）

图4 各测点振动速度1／3倍频程平均值（竖向分量）

3）重载车辆通过地面道路状态下：临近隧道的第1、2号测点处显现出载重土方车激发出的主要振动频率为4～6Hz，而且测点速度三分量的平均值都有大幅增加（与平静环境状态相比，增大10倍以上；与盾构掘进环境状态相比，增大1.7倍以上），特别是竖向振动速度大大超过盾构掘进引起的振动（增大3倍以上）。尽管在厂区内的第3、4、5、6号点的振动速度依然迅速衰减，但地面重载交通使各测点速度三个方向分量的平均值都有大幅增加，特别是竖向振动速度大大超过盾构掘进引起的振动。

3.1.2 邻近厂房的竖向振动

现对邻近厂房的6号测点竖向振动实测结果进行进一步分析。图5～图7分别给出了平静时段、盾构掘进时段和地面载重土方车通过时段所有振动速度实测样本的1／3倍频程。由图7～图9可见：

1）夜间安静时段实测结果：图7中的粗横线为VC－D标准，各速度样本的1／3倍频程都处于VC－D标准值以下；厂区场地的环境振动没有超过VC－D标准。

2）盾构掘进施工时段实测结果：在图6中的样本大多数处于VC－D标准以下，少数样本略有超过，而平均值达标。这表明盾构掘进施工对场地的振动是有影响的，需要采取适当的控制措施，但影响有限。

3）地面载重土方车行驶时段实测结果：在图7中的30个样本均大大超过VC－D标准值，表明载重土方车对场地振动有很大影响。

图5 6号测点处安静时段测试结果（竖向分量）

图6 6号测点处盾构掘进时段测试结果（竖向分量）

图7 6号测点处地面载重土方车经过时段测试结果（竖向分量）

3.1.3 减小施工振动影响的措施

根据现场测试数据的分析结果，提出以下2项减振措施：

1）在盾构掘进时降低掘进速度；

2）严格控制载重土方车通过邻近敏感建筑的地面道路。

3.2 盾构通过厂房时的测试

第二次实测的目的有两个：一是检验不同盾构掘进参数对其激发环境振动的影响；二是验证减振措施的有效性，并检测盾构掘进通过时引起环境振动是否符合VC－D标准的要求。第二次测线布置在失效分析实验室前（见图1），测线上1～4号测点与掘进中心线的距离分别为63.0m、87.4m、111.0m和162.0m。

3.2.1 三种不同掘进工况的对比

在控制盾构掘进速度的前提下，为进一步了解盾构掘进速度对地面振动的影响，在盾构通过隧道265、266、267环时分别采用了不同的掘进速度，形成三种掘进工况（具体技术参数如表1所示）。各环掘进时各测点的振动速度1／3倍频程如图8～图10所示。

表1 盾构掘进技术参数

从图8～图10的结果分析可得出：

1）盾构掘进参数（刀盘扭矩、土压力、推力、推进速度等）对距掘进线路63m以外的场地环境振动影响不大，三种工况下的环境振动水准大致相同。

2）盾构掘进引发的地面环境振动中，测点速度的三个分量大小可以此排列为竖向分量＞南北向分量＞东西向分量。在距线路中心线110m以内场地上的竖向速度平均值1／3倍频程结果略大于VCD标准，而南北向、东西向的水平速度分量满足VCD标准。据线路中心线110m以外场地上的南北向、东西向和竖向三分量速度平均值均满足VC－D标准要求。

3.2.2 盾构掘进通过厂区时的实时监测

图11为盾构掘进施工通过厂区时失效分析实验室外地面（距离盾构162m，盾构处在265环位置）的现场实时监测数据的分析结果。图11中，水平粗虚线为VC－D振动限值标准，粗实线为40个振动样本的平均值。图11中的数据表明，盾构掘进时所测到的40个振动样本绝大多数未超过VC－D的振动限值标准。

4 结论与建议

图8 265环盾构掘进施工时的测试结果

1）盾构掘进引发的地面环境振动，在距离线路162m的精密仪器所在厂房附近场地上的竖向振动速度1／3倍频程平均值能满足VC－D标准，其最大值略大于VC－D标准，而水平速度满足VC－D标准；在距离线路85m以外场地上三个分量速度的平均值均满足VC－D标准要求。振动速度随着与线路中心的距离增加而迅速衰减。

2）盾构掘进参数（刀盘扭矩、土压力、推力、推进速度等）对63m以外场地环境振动影响不大，三种工况下的环境振动水准大致相同。

3）在地面道路有重载车辆行驶的情况下，特别是重载土方车通过时所引起的环境振动远大于盾构掘进引起的振动，并远超过VC－D标准，需严格予以控制。

图9 266环盾构掘进施工时的测试结果

图10 267环盾构掘进施工时的测试结果

图11 盾构掘进通过厂区时实时监测数据结果

［1］杨宜谦，尹京，刘鹏辉，等.清华大学精密仪器环境振动影响评价［J］.桂林理工大学学报，2012，32（3）：360.

［2］马蒙，刘维宁，丁德云，等.地铁列车振动对精密仪器影响的预测研究［J］.振动与冲击，2011，30（3）：185.

［3］张志强，雷军.地铁列车运行引起的振动观测及对高精密仪器的影响［J］.仪器管理，2011，17（1）：69.

［4］栗润德，张鸿儒，刘维宁.地铁引起的地面振动及其对精密仪器的影响［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（1）：206.

［5］GB 50463—2008隔振设计规范［S］.

［6］Institute of Environmental Sciences（IEST）.Considerations in Clean Room Design［R］.Rolling Meadows，IL：IEST，2005.