基于振动监测的TBM隧道施工对既有建筑物的影响分析

郝冬雪，朱仁军，武 科，陈 榕，郑 扬，孙 杰

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132000；2山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061)

岩石隧道掘进机TBM施工，具有掘进效率高、施工质量好、对岩石扰动小以及施工安全等优点[1-3]，在隧道工程中的应用日益增多.但我国城市轨道交通建设中，盾构法[4-7]施工仍占主要地位，修建地铁隧道采用TBM法施工的案例极少.对于城市地铁建设来说，由于受特殊环境的制约，施工过程中需要对环境的影响降至最低[8，9].狭小城市空间地铁隧道TBM机械掘进引起的施工振动，不仅影响TBM机械使用寿命，而且影响隧道周边既有建筑物的稳定和安全，TBM施工过程中对周边建筑物的振动影响问题不容忽视.高玮[10]等以重庆轨道交通六号线一期工程为背景，采用数值模拟方法，分析 TBM 施工引起的围岩振动效应特征.模拟结果表明，对一般的民用和工商业建筑，TBM 施工振动强度在安全允许范围之内，但对振动敏感的结构，施工振动超出安全允许范围，需要采取减震隔振措施.夏毅敏等[11]基于多体系统动态仿真平台，对TBM隧道掘进进行了动力学仿真，以分析TBM支护推力系统在掘进过程中的振动问题.赵丽娟等[12]基于Pro/E、MATLAB、ADAMS和ANSYS联合构造的的协同仿真环境，建立了硬岩掘进机截割部虚拟样机的振动模型.通过施加外部激励，对其振动特性进行了研究，从而获得了对系统整体性能不利的模态振型和频率.

目前，针对TBM隧道掘进振动效应的研究主要采用数值模拟和理论计算，然而，现场振速监测方法却是最为有效的评价方式[13-15].因此，本文依托青岛地铁1号线海泊桥站～小村庄站区间隧道TBM施工段侧穿地表房屋建筑物工程，采用振速监测方法，通过实时监测现场TBM掘进过程中地表房屋建筑物的振动影响程度及分布规律，研究狭小城市空间地铁隧道TBM机械掘进诱发既有建筑物的振动特征与规律.研究成果不仅为青岛地铁TBM隧道施工建设中周边房屋建筑物的变形控制与防护设计提供重要的参考依据，而且也为TBM法在城市轨道交通中的实践应用积累宝贵的经验和资料.

1 工程概况

青岛地铁1号线海泊桥站～小村庄站区间隧道TBM施工掘进长度约1.06公里，沿主干路人民路地下敷设，如图1箭头方向.道路两侧分布有大量的老旧居民楼及商铺，楼层高约1层～8层.人民路为城市干道，道路宽度约20 m～30 m，规划道路宽40 m，地面车辆较多，交通较繁忙，道路及两侧分布有大量的电力、热力、煤气、有线电视、邮电通信、雨水、污水、自来水管线等，管线埋深一般为1 m～3 m.区间左线侧穿了多栋建筑，下穿人民路立交桥，沿线建筑物密集，道路狭窄.

图1 海泊桥站～小村庄站区间隧道总平面图

根据区间岩土工程勘察报告，该地貌类型主要为构造～剥蚀区、山麓斜坡堆积区、河流侵蚀堆积区及滨海堆积区.其地质情况主要包括素填土、中粗砂、粉质黏土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、弱风化花岗岩等六个地层.TBM隧道掘进主要穿行于弱风化花岗岩地层中.地下水主要受到地层岩性、地形、地貌及气象状况等综合因素的影响，水文地质条件复杂，该场地内以第四孔隙水及基岩裂隙水为主.TBM隧道掘进过程中，由于刀盘与掌子面岩石的砚磨作用，引起TBM机械和地层产生振动影响.当TBM隧道侧穿既有建筑物所产生的振动影响程度超过既有建筑物抗振能力，就会造成既有建筑物的变形破坏，危机人民生命安全.为有效避免此类事故的发生，必须通过隧道施工中的振动信息识别监测数据采集与分析，揭示青岛城市轨道交通地铁1号线TBM掘进区间震源特性，为TBM掘进施工引发沿线房屋建筑物的振动危害预测提供重要依据.

2 TBM振动信息识别监测方案

2.1 TBM振动信息识别监测控制标准

通过对TBM掘进区地表周围房屋建筑物振速监测，可实时掌控和分析TBM掘进施工对建筑物产生二次振动的影响程度，并精准预报振动隐患或潜在事故，从而及时调整TBM掘进参数，合理有效地避免意外事故，达到保护房屋建筑物安全的目的.根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[16]规定，对于建(构)筑物的振动判断依据，应采用该建(构)筑物上监测点的峰值振动速度和主振频率两个指标.一般建(构)筑物在主振频率f≤10 Hz、10 Hz50 Hz时安全允许振动速度分别为1.5 cm/s～2.0 cm/s、2 cm/s～2.5 cm/s和2.5 cm/s～3.0 cm/s；考虑本项目地表已有建筑物为老旧建筑，振动安全允许速度值取下限值15 mm/s.

2.2 TBM振动信息识别监测设备及布设方案

以国内目前对于微振动测试的通用方法[17]为基

础，本监测采用数字便携式激光多普勒测振仪PDV100.PDV100为便携式激光测振仪，采用最先进的光学和信号处理设计，监测系统灵敏度高、系统内部干扰噪声小、抵抗外部干扰能力强.该设备用于表面振动速度的非接触式测量，无需在监测点上安装传感设备，水平方向和竖直方向的测量范围涵盖0.05 μm/s～0.5 μm/s之间，并配有高精度的数字滤波器，可用于超低频到高频之间的振动测量.

通过监测前对TBM施工区段沿线地面环境调查分析，确定以左线掌子面中心位置k40 246.58为起点，通过近密远疏的方式在地表调整布置监测点(各监测点与点宜在同一高程)，共布置6个监测点.监测点距掌子面中心的水平距离为L，L1=7 m、L2=20 m、L3=34 m、L4=49 m、L5=65 m监测点布置如图2所示.

图2 监测点布置图

3 TBM振动信息识别监测结果及分析

3.1 隧道掘进环境因素特征分析

考虑测试时现场实际情况，为分析环境状态对测试结果的影响，将可能的环境状态分为四种：平静环境状态(TBM不掘进作业，道路无重载大型车辆和较多轻载小型车辆行驶)、TBM掘进环境状态(TBM正掘进作业，道路无重载大型车辆和较多轻载小型车辆行驶)、重载大型车辆通过地面道路状态(TBM不掘进作业，道路无较多轻载小型车辆行驶)和轻载小型机动车辆通过地面道路状态(TBM不掘进作业，道路无重载大型车辆行驶).在不同环境条件下，各测点水平方向和竖直方向的振动测试频谱分析图，如图3～图6所示.

(a)水平方向 (b)竖直方向图3 平静状态下各测点振动频谱分析图

(a)水平方向 (b)竖直方向图4 掘进状态下各测点振动频谱分析图

(a)水平方向 (b)竖直方向图5 重载大型车辆通过状态下各测点振动频谱分析图

(a)水平方向 (b)竖直方向图6 轻载小型机动车辆通过状态下各测点振动频谱分析图

由隧道掘进环境因素差异性特征分析图3～图6可发现各监测点的振动速度变化规律及不同环境对各测点振动反应的影响.

(1)在平静环境状态下，1、2、3号监测点处的振动幅度波动较大，这是由于三个监测点靠近人民路，受到路上行人、非机动车辆以及附近商户营业不同程度的影响；第4、5号监测点振动速度随着与人民路距离的增加而迅速衰减，波动频率呈倒V字型分布，振动频率在40 Hz以后，振动速度逐渐趋于稳定，水平方向振动速度集中于1.2 mm/s～1.6 mm/s之间，竖直方向振动速度集中于1.25 mm/s～1.75 mm/s；

(2)在TBM掘进状态下，各测点的的振动速度峰值皆集中于20 Hz～30 Hz之间.距离掌子面最近的1号监测点水平方向最大振动速度为6.5 mm/s，竖直振动速度为6.75 mm/s，位于规范规定的允许安全振动速度之内.从整体上看，各监测点竖直方向上的振动速度比水平方向上的振动速度大0.25 mm/s～0.4 mm/s；其中，5号监测点在水平方向上和竖直方向上的振动曲线分布与平静环境状态下的基本相似.

(3)在大型重载车辆通过状态下，邻近人民路的第1、2、3号监测点振动速度大幅度上升，这主要受到载重土方车及载人公交车传递过来的振动影响.由于第4、5号监测点距离路面较远，受大型重载车辆影响较小，其监测到的振动速度随着与人民路距离的增加而迅速衰减.与TBM掘进状态相比，振动速度最大值增加了1.2倍左右，与平静环境状态相比，振动速度最大值增加了3倍左右.

(4) 在小型轻载机动车辆通过状态下，各监测点水平方向上最大振速集中于16 Hz～22 Hz之间，最大振动速度在1号监测点，为5.27 mm/s；竖直方向上最大振速集中于18 Hz～24 Hz，最大振动速度为在2号监测点，为5.41 mm/s；第1～5号点监测数据随着与道路距离增加而不断降低，振幅曲线整体呈倒V字型分布.其中，距离人民路最远的5号监测点在水平方向上和竖直方向上的振动曲线分布与平静环境状态下和TBM掘进状态下的基本相似.

3.2 隧道掘进施工参数特征分析

为了进一步了解TBM掘进参数对地表建筑物的振动影响，在254～256环施工过程中采用了不同的掘进参数，形成了多种不同的掘进工况，相关掘进参数如表1所示.各环掘进时第3、4、5监测点振动测试数据频谱分析图如图7和图8.

表1 TBM掘进技术参数

(a)水平方向 (b)竖直方向图7 254环第3～5监测点振动频谱分析图

(a)水平方向 (b)竖直方向图8 255环第3～5监测点振动频谱分析图

(a)水平方向 (b)竖直方向图9 256环第3～5监测点振动频谱分析图

由隧道掘进施工参数差异性分析图7～图9可见，

(1) TBM掘进施工对地表房屋建筑物的振动影响中，振动速度远小于规范规定的安全振动标准15 mm/s.其中，竖直方向上的振动速度整体上要略大于水平方向.

(2) 在竖直方向上，TBM在255环掘进施工引发的振动速度要略低于254环，略高于256环，这是由于TBM在255环的刀盘转速略低于254环(两者推进速度相同)，推进速度略高于256环(两者刀盘转速相同).在水平方向上，TBM在各环掘进施工引发的振动速度基本持平.

(3) TBM掘进参数(刀盘转速、刀盘扭矩、贯入度、总推力、推进速度、撑靴压力等)的变化对第5号监测点(L5=65 m)的振动频谱几乎无影响，不同工况下的5号点的振动频谱大致相同，表明当与掌子面中心水平距离大于4倍洞径D时，TBM掘进施工产生的振动影响可以忽略不计.

4 结论与建议

为解决如何有效掌握TBM隧道掘进诱发地层振动响应造成既有建筑物失稳破坏过程的技术难题，依托青岛地铁1号线海泊桥站～小村庄站区间隧道TBM掘进施工段侧穿地表房屋建筑物工程，采用振速信息识别监测方法，研究了隧道掘进环境与施工参数的差异性对地表房屋建筑物的振动影响程度及分布规律，揭示了狭小城市空间地铁隧道TBM机械掘进诱发既有建筑物的振动破坏特征与规律.主要研究成果如下：

(1) 本工程TBM掘进施工对地表房屋建筑物产生的振动速度远低于规范规定的安全允许速度范围15 mm/s.

(2) TBM掘进施工引发地面房屋建筑物振动，振动速度随着与掌子面中心的地表水平距离L增加而迅速衰减，当L≥4D时，TBM掘进施工对地面环境产生的振动影响可以忽略不计.

(3) 在地面道路上，随着通过路面车辆的载重量增加，其对地表房屋建筑物的振动影响随之增加.在有重载车辆通过的情况下，特别是土方车及公交车行驶时，对地面建筑物产生的振动大于TBM掘进施工引起的振动，需予以一定控制.

(4) TBM掘进参数的改变对施工引发地表房屋建筑物振动有一定影响，可适当减小TBM推进速度、刀盘转速等掘进参数从而降低掘进施工对地表房屋建筑物的振动影响.