盾构机穿越地下连续墙引起既有车站振动的实测与分析

周洋 肖鹏飞 冯志耀 刘奥林 杨泽斌 王树英

摘 要：为探明盾构机穿越既有车站地下连续墙诱发的车站结构振动响应规律，通过现场实测的方法，监测盾构刀盘切削地连墙过程中引起的振动，并对振动影响进行评价。研究结果表明，停机状态下，背景振动的主频为30.8 Hz，磨墙过程中，刀盘产生振动主频为89.3 Hz，相比于背景振动，磨墙产生的振动加速度峰值和有效值至少增加一个数量级；振动波传递至车站显著衰减，加速度峰值最大衰减率能达到近98.35%；除了31.5 Hz，车站测点各频段的最大振级均小于规范控制值；盾构穿墙引起车站结构振动速度为1.3 mm/s，小于国内外规范给定的标准值。

关键词：盾构隧道；盾构机；振动；下穿；地下连续墙；现场实测

中图分类号：U231.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）03-0161-11

Abstract：To investigate the vibration response law of station structure vibration induced by shield machine passing through the underground diaphragm wall of the existing station， the vibration caused by the shield cutter head cutting the underground diaphragm wall was measured by the method of field measurement， and the impact of the vibration was evaluated. The research results showed that the main frequency of the background vibration was 30.8 Hz in the stop state， and the main frequency of the vibration generated by the cutter head was 89.3 Hz in the process of cutting the wall. Compared with the background vibration， the peak value and effective value of the vibration acceleration generated by the cutting wall increased at least one order of magnitude. The vibration wave transmitted to the station was significantly attenuated， and the maximum attenuation rate of the acceleration peak value can reach nearly 98.35%. Except for 31.5 Hz， the maximum vibration level of each frequency band of the station measurement point were all smaller than the standard control value. When the shield tunneling through the underground diaphragm wall， the maximum response value of the vibration speed was 1.3 mm/s， which was less than the standard value given by domestic and foreign specifications.

Keywords：Shield tunnel; shield machine; vibration; underpass; underground diaphragm wall; field measurement

基金项目：国家自然科学基金项目（52022112）

第一作者简介：周洋，高级工程师。研究方向为隧道与地下工程。E-mail： 771728502@qq.com

*通信作者：王樹英，博士，教授。研究方向为隧道与地下工程。E-mail： sywang@csu.edu.cn

0 引言

随着城市轨道交通建设需求的日益高涨，盾构法施工因其安全、高效等优势，已经成为一种主要的施工方法。在地铁隧道修建过程中，由于换乘等需求，新建地铁隧道有时需要近距离下穿既有地铁车站，且由于既有车站的地连墙结构往往深入车站底板以下一定的深度，势必会出现盾构机刀盘切削地下连续墙的情况。而在刀盘与玻璃纤维混凝土墙体接触并缓慢磨墙的过程中，不可避免地会产生振动，进一步地会诱发上部车站结构振动，轻则引起车站结构出现微裂痕，影响车站结构正常使用，严重时还会导致结构出现不均匀变形和屏蔽门脱轨等风险，危及列车运营安全。因此有必要研究盾构机刀盘磨墙引起的既有车站结构振动问题。

关于盾构机施工过程中诱发的振动问题，国内外学者开展了大量研究。王鑫等[1]通过在盾构机内布置测点获得了盾构掘进状态下的振动速度时程曲线，并发现掘进地层中卵石层占比越大，刀盘产生的振动越大。张波等[2]基于现场实测探究了盾构机在砂卵石层掘进过程中产生的振动规律及其传播规律，同样发现卵石含量是导致刀盘产生振动增大的主要原因。New[3]对卡地夫电缆隧洞施工引起的振动规律进行研究，认为盾构机直径与地层条件是影响盾构施工振动大小的主要因素。Hiller等[4]研究了盾构掘进过程中造成的地面振动影响，并对引起的地表振动响应水平进行了探究。郭飞等[5]通过现场监测，识别出盾构施工诱发振动主要由刀盘与地层相互作用、渣土运输车辆和盾构内部设备引起，并发现刀盘掘进诱发振动频带较宽，主频主要集中于20～90 Hz。郭飞等[6]依托兰州某砂卵石地层盾构隧道，通过隧道和地表同步采集三向振动加速度，研究盾构施工诱发振动在地表50 m×50 m范围内的时域、频域传播规律。杨龙[7]利用FLAC软件建立二维动力分析模型，分析了TBM开挖过程中的振动问题，发现低频振动对地表的影响较大，施工振动的影响范围在4～6倍洞径内。黄明利等[8]采用现场测试手段监测TBM掘进时地表桥台及围岩岩石的振动响应，认为对振动影响最大的因素为地质条件及刀盘转速，并得到了刀盘转速与振动的对应关系。仇兆明[9]采用现场测试的方法评估了盾构施工诱发微电子工业厂区的振动影响。综上所述，现有关于盾构施工振动的研究主要集中在盾构机与土层相互作用，特别是卵石地层，以及振动波在土层中的传播规律。尚未有学者研究过盾构机下穿越既有车站过程中磨墙诱发车站结构的振动问题。

为此本研究依托南宁地铁5号线下穿既有1号线广西大学站工程，通过对下穿期间盾构机内部以及车站进行振动测试，揭示了盾构穿越地下连续墙诱发车站结构的振动响应规律，并依据振动控制相关规范，对地铁车站振动风险进行了评估。以期提升对盾构机磨墙穿越既有车站围护结构过程中车站结构振动规律及风险的认识水平，供今后类似工程参考。

1 工程概况

1.1 地质概况

南宁地铁5号线新广区间范围内主要揭露第四系、古近系及泥盆系地层，包括素填土层、粉质黏土层、粉土层、粉砂层、圆砾层、粉砂质泥岩和碳质泥岩层，整个区间隧道的覆土厚度为10.5～20 m。地下水类型主要包括上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水，且地下水主要赋存于砂层及圆砾层中（图1）。由图1可知，下穿1号线广西大学站主要穿越地层为上部圆砾土，下部粉砂质泥岩。

1.2 隧道设计施工概况

南宁地铁5号线新广区间右线总长1 322.9 m，区间上覆土厚度约19 m，采用土压平衡盾构施工。新建区间隧道以55°的水平夹角下穿既有广西大学站，下穿过程中刀盘需磨穿地连墙，地连墙为C30玻璃纤维结构，厚度为0.8 m，如图2所示。既有车站主体为两层三跨矩形结构，结构顶板覆土约1.5 m，底板埋深约16.5 m，下穿段隧道拱顶与既有车站底板最小净距仅2.6 m。

采用的是中铁装备的CTE6250型盾构机，整机总长约80 m，开挖直径6 280 mm。盾构机刀盘的基本结构采用准面板结构设计，如图3所示，刀盘整体开口率为34%，中心开口率为38%。刀具布置如下：中心可更换撕裂刀为6把，正面可更换撕裂刀为6把，单刃滚刀为16把，单刃镶齿滚刀为12把，边刮刀为12把，刮刀为40把，焊接撕裂刀为12把，超挖刀为1把。

1.3 工程问题

在盾构机刀盘切削地连墙过程中，刀盘会与玻璃纤维混凝土以及圆砾地层等介质接触，刀盘与其相互作用时会产生振动，振动波再经地连墙直接向车站结构传递，或是通过土层向车站传播，从而诱发车站结构振动。容易造成车站结构出现微裂痕，影响车站结构正常使用，甚至还会导致结构出现不均匀变形和屏蔽门脱轨等风险，危及车站日常运营。并且不同的介质与不同的掘进参数引起的振动是不一样的，振动整体呈现出较大的随机性。因此刀盘磨墙是下穿期间最重要的一个施工环节，是决定工程质量的关键所在。

2 现场振动测试

2.1 测点布置

2.1.1 盾构机内测点布置

盾构机掘进诱发的振动较为复杂，除了盾构刀盘磨墙引起的振动，盾构机内部多个运行装备也会产生一定的振动，其中磨墙产生的振动为主要的振源。本研究重点考虑的是盾构刀盘磨墙引起的振动，但是由于刀盘转动和密封舱的存在，无法对刀盘直接进行振动测试。考虑盾构机内的实际情况，最终选择在靠近刀盘的人舱处设置测点DNZ-1，如图4所示。测试该处的三向加速度，包括竖向加速度、横向加速度和纵向加速度，测试仪器如图5所示。

2.1.2 车站结构测点布置

南宁1号线广西大学站主体为两层三跨矩形结构形式，拟定于车站内布设5个测点，位于第一道地连墙上方的轨道区，如图6和图7所示。其中CZZ-1和CZZ-2布置于车站负二层结构侧墙上，车站结构侧墙与地连墙相接，在盾构机磨地连墙期间有发生开裂的风险，因此在侧墙处的测点主要采集其垂直墙体方向的加速度信号。轨行区布置有2个测点，CZZ-3位于基础处，CZZ-4位于钢轨处，轨行区更多的是关注其是否会发生脱轨的风险，因此该处测点主要采集其竖向加速度信号，CZZ-5位于屏蔽门底座，采集竖向加速度信号。

2.2 测试方案

2.2.1 测试过程

振动测试采用的是由MGCplus数据采集仪和Silicon Designs Model 2220系列加速度传感器组成的数据采集系统。测试时间选择在1号线地铁运行的天窗期内（0：00—3：00），测试对象为既有车站结构的侧墙、轨行区和屏蔽门等关键构件。当盾构机即将穿越地连墙时，首先在测点DNZ-1和CZZ1-4位置布置加速度传感器，并将上述加速度传感器与采集系统相连接，待盾构机开始磨墙时，通过远程控制同步采集加速度數据。整个测试流程遵循国家标准《城市区域环境振动测量方法》（GB 10071—1988）[10]，并利用MATLAB等软件对采集到的数据进行基线校正、滤波等处理分析工作[11-12]。

2.2.2 采样频率的选择

对于测试中采样频率的选择，应满足奈奎斯特采样定理[13]，即采样频率必须高于信号成分中最高频率的2倍，保证信号的准确性，通常希望采样频率大于信号频率约5倍。对于盾构掘进引起的振动，由于无法确定其振动信号成分中的最高频率。因此在测试时分别将采样频率设置成50、100、200、300、400、600、1 200 Hz。

对各采样频率下振动信号的加速度峰值及加速度有效值进行分析，加速度峰值即指整段时间内的加速度绝对值最大值，加速度有效值则是指该段时间内振动信号加速度幅值的平均值，通过式（1）计算得到

式中：arms为加速度有效值；T为测试总时间；a（t）为某一时刻的加速度值。

图8为不同采样频率下振源处竖向加速度峰值及加速度有效值，由图8可知，随着采样频率的增大，二者均呈现出增大的趋势，当采样频率达到600 Hz时，采样频率加速度有效值基本不再发生变化，因此在振动测试中可将采样频率选定为600 Hz，以保证信号的准确性。

3 测试结果分析

3.1 背景振动

由于所测的振动主要包含2部分，一部分是目标振源所产生的振动，这部分振动在所测到的振动中占主要部分；另一部分是背景振动，这部分振动相比于目标振源所产生的振动，虽然量值很小，但是很难避开。在盾构机穿越地下连续墙时，除了刀盘磨墙产生的振动外，盾构机内的一些后配套设备也会产生一些振动，这部分振动即为背景振动。为了测试背景振动，选择在盾构机停机状态进行测试。图9为盾构停机时测点的三向加速度时程曲线，由图9可以看，出盾构在停机状态下也存在一定的振动，此振动是由于盾构机内后配套设备运行的影响产生的；竖向加速度峰值及振动幅度均稍大于横向、纵向加速度峰值及振动幅度；盾构停机状态下，竖向加速度峰值为0.014 7 m/s2，加速度有效值为0.003 8 m/s2；横向加速度峰值为0.015 6 m/s2，有效值为0.002 9 m/s2；纵向加速度峰值为0.011 0 m/s2，有效值为0.001 9 m/s2。图10为环境振动加速度的频谱图，环境振动加速度的竖向、横向和纵向主频基本一致，均为30.8 Hz左右。

3.2 盾构机内振动分析

3.2.1 盾构机内测点的时域分析

图11为盾构穿越地连墙掘进状态下测点处的三向加速度时程曲线，相比于背景振动，穿墙时加速度振动幅度提升了至少一个数量级，进一步说明了盾构下穿地连墙时，刀盘与地连墙相互作用是产生振动的主要原因。对该振动信号的加速度峰值及加速度有效值进行分析，加速度峰值即指整段时间内的加速度绝对值最大值，加速度有效值则是指该段时间内振动信号加速度幅值的平均值[14]。与停机状态相比，掘进时竖向加速度峰值从0.014 7 m/s2增大至0.498 0 m/s2，加速度有效值从0.003 8 m/s2增大至0.077 9 m/s2；横向加速度峰值从0.015 6 m/s2增大至0.558 0 m/s2，加速度有效值从0.002 9 m/s2增大至0.084 0 m/s2；纵向加速度峰值从0.011 0 m/s2增大至0.679 0 m/s2，加速度有效值从0.001 9 m/s2增大至0.095 6 m/s2；加速度峰值和有效值提升了一个数量级，变化如图12所示。

3.2.2 盾构机内测点的频域分析

图13为盾构机内测点三向加速度的频谱图。

在盾构磨墙过程中，竖向振动以30～100 Hz的中高频为振动主频带。横向振动同样以30 Hz以上的中高频为振动主频带，30～100、150～230 Hz均为其主频带。纵向振动则出现了多个主频带，分别为20～40、100～120、170～200、210～240 Hz，同样为中高频。三者的第一主频均为89.3 Hz。

3.3 车站结构振动分析

3.3.1 车站测点时域分析

盾构穿越地连墙时车站测点的加速度时程曲线如图14所示。

由图14可以看出，掘进时侧墙处测点1、测点2的加速度振动幅度基本相当，均在0.005 m/s2附近。轨行区测点3及测点4的时程曲线加速度出现了很明显的突增现象，其余时刻加速度振动幅度稳定在0.005 m/s2处。而屏蔽门测点5与其他测点相比振动更不稳定，振动幅度也远大于其他测点，加速度峰值达0.01 m/s2以上，表明施工振动传递至屏蔽门时，由混凝土结构到屏蔽门过程中出现一定增大的现象。

3.3.2 车站测点频域分析

图15为测点加速度时程曲线对应的傅里叶频谱图。结构侧墙2个测点的纵向振动主频在20～100 Hz频段。轨行区2个测点的竖向振动以中高频为主，测点3的主频带为30～90 Hz，测点4的主频带为65～95 Hz，140 Hz也有分布。与盾构测点相比较，振源振动传递至车站竖向振动主频衰减不明显，仍以中高频为主，而纵向振动100 Hz以上的高频传递至车站后大幅衰减。

3.4 振动衰减

从上述加速度时程曲线中提取峰值加速度，对比分析从盾构机内到车站结构处加速度峰值的变化情况，峰值加速度衰减率（η）[15]定义为

式中：ac为盾构机内振源处的加速度峰值；ad为车站结构各测点的加速度峰值。

由图16和图17可知，从盾构机内部振源位置到既有车站的各测点，振动波均发生显著衰减，其中侧墙上2侧点的峰值加速度衰减率为98.35%（CZZ-1）和98.25%（CZZ-2）；轨行区2侧点的峰值加速度衰减率为93.8%（CZZ-3）和90.96%（CZZ-4）；屏蔽门底座上测点的峰值加速度衰减率为71.49%。屏蔽门相比于其他测点加速度衰减的要小，是因为屏蔽门采用不锈钢材质布置于站台边缘，其自身结构稳定性差，因此在微弱的振动激励下也能产生较大幅度的振动。

4 车站振动的环境与安全评价

4.1 环境评价

1/3倍频程谱是一种常用的振动测试频域分析方法[11]。1/3倍频程滤波器是恒百分比带宽滤波器，其定义为

式中：fu为恒百分比带宽滤波器的上限频率；fl为恒百分比带宽的下限。

1/3倍频程表示在任意2个相差1倍的频率内正好有3个带宽[16]。横百分比带宽分析下的中心频率fc表示为

现有研究扣除背景振动的方法常采用振级修正法[17-18]。根据我国颁布的《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》[19]，加速度振级的定义为

式中：La为振动加速度级，dB；ar为振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度值，a0=10-6m/s2。

在评价振动对环境的影响，常常将振动加速度级转化为振级（VLZ）。其定义为

式中：La，i为第i个中心频率上所测得的振动加速度级，dB；Wi为该频率上的记权因子，dB。

进一步地，可以计算扣除环境振动盾构振动，公式为

式中，VLZ、VLZ1和VLZ2分别代表包含背景振动的盾构振动、背景振动和扣除背景振动后的盾构机振动。

对车站内各测点進行1/3倍频程计算，得到各测点的1/3倍频程振级结果如图18所示。结构侧墙（高）和结构侧墙（低）的纵向加速度低频振级要大于中高频振级，而道床基础以及钢轨的竖向加速度振级均在25 Hz处达到最大，屏蔽门处的最大竖向加速度振级位于31.5 Hz处，最大值为77.97 dB。地铁车站附近为商业住宅混合区，根据GB 10070—1988《城市区域环境振动标准》[20]规定，混合区的昼夜振动加速度振级标准值分别为75、72 dB，车站测点各频段的最大振级均小于规定标准值。尽管车站测点多数频段的最大振级小于规定标准值，但31.5 Hz处的振级可能会超出规定的标准值，建议磨墙期间有必要采取合适的减振措施来减小因盾构磨墙引起车站振动的影响。

4.2 结构安全评价

对振动加速度进行积分，得到各测点的振动速度，其中车站结构最大振动速度达1.3 mm/s，如图19所示。国内外对于建筑物的安全振动控制标准，已经陆续实行了一些技术标准。我国颁布的《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[21]中则明确规定了地铁结构的振动速度安全控制指标值需小于或等于2.5 cm/s。总的来说，盾构穿墙引起车站结构振动速度最大响应值显著小于规范给定的标准值，说明盾构穿墙对车站结构的影响不是很大。

5 结论

依托南宁地铁5号线下穿既有1号线广西大学站工程，通过现场振动测试获得盾构穿越地连墙期间盾构机内及车站结构的振动数据，探究盾构磨墙诱发的车站振动响应规律，并进行了相应的振动评价，得到了以下主要结论。

1）盾构停机状态下，背景振动的竖向加速度峰值及振动幅度均稍大于横向、纵向加速度峰值及振动幅度，三者的主频基本一致，均为30.8 Hz左右。在盾构机磨墙过程中，三向加速度的峰值和有效值至少增加了一个数量级，其中竖向加速度峰值为0.498 m/s2，横向加速度峰值为0.558 m/s2，纵向加速度峰值为0.679 m/s2，三者的主频均为89.3 Hz左右。

2）振源振动经由地连墙以及地层的传递至车站产生了显著衰减，其中侧墙上两侧点的加速度峰值的衰减率为98.35%（CZZ-1）和98.25%（CZZ-2）；轨行区两侧点的加速度峰值的衰减率为93.8%（CZZ-3）和90.96%（CZZ-4）；屏蔽门底座（CZZ-5）上测点的加速度峰值的衰减率为71.49%。

3）从车站测点的1/3倍频程振级图可以看出，结构侧墙处的纵向加速度低频振级要大于中高频振级，道床、钢轨及屏蔽门处的最大竖向加速度振级位于中频段。车站测点多数频段的最大振级小于规范所规定的标准值，但31.5 Hz处的振级仍有可能会超出标准值。

4）盾构穿墙引起车站结构振动速度最大响应值为1.3 mm/s，小于国内外规范给定的标准值。

【参 考 文 献】

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