地下连续墙成槽施工振动对邻近古建筑的影响_康恒一.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期 地下连续墙成槽施工振动对邻近古建筑的影响康恒一，戴浩宇 沈碧辉（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司交通市政工程院，杭州；浙江大学建筑工程学院，杭州）摘 要：地下连续墙是地铁车站和明挖法隧道常见的围护结构形式。当地下连续墙在岩石中成槽施工时，破岩过程产生的振动可能会威胁周边的建、构筑物，尤其是古建筑物的安全。选取杭州市吴山广场地铁车站工程现场实测记录，分析冲击钻、铣槽机、旋挖钻三种常见成槽施工机械引起的振动特性和衰减规律。从施工机械振源处的初始振速来评估施工引起的振动，在竖直方向上，旋挖钻最大，铣槽机次之，冲击钻最小。而在水平方向上，旋挖钻最大，冲击钻次之，铣槽机最小。基于以上监测成果，计算了在临近典型石塔类古建筑物施工时的安全距离，结果表明所需安全距离，冲击钻最大、旋挖钻次之、铣槽机最小。建议当有类似石塔保护需求时，采用铣槽机结合旋挖钻进行地下连续墙成槽施工。关键词：成槽施工；施工振动；地下连续墙；文物保护 ：.，（，；，）：，：，：；浙江省重点研发计划项目（）。第一作者：康恒一，男，年出生，博士，工程师。电子信箱：收稿日期：随着我国经济的飞速发展，城市隧道建设的规模在不断地扩大，隧道施工引起的环境振动问题也逐渐引起了各方的关注。在居民住宅密集的区域，振动引起的结构二次振动和噪声会对住宅内居民的正常生活带来干扰，影响人们的身体健康。振动还会影响设有精密仪器的科研院所、医院、微电子工业区的正常使用功能。对于建成年代久远的古建筑物，振动可能甚至会引起结构的损坏，带来不良的社会影响。目前关于隧道施工振动影响的研究主要围绕采用矿山法施工的隧道。近年来，随着城市地区对振动控制的要求日渐严格，也出现了针对盾构施工期振动的研究。例如，郭飞等于北京某地铁盾构隧道内以及盾构掘进刀盘前上方钻孔布设测振仪，识别出盾构施工诱发振动的振源为刀盘掘进、后配套车以及运输车，并测量了各振源的频率范围。然而，对于明挖法隧道地下连续墙施工振动 工业建筑 年第 卷第 期效应的研究却长期被忽视。关于地连墙施工对周边环境的影响，国内仅查到一例关于以南昌地铁 号线施工过程为背景的研究，采用了现场监测手段，对冲击钻和抓斗式成槽机的振源特性及振动的传播规律进行了探讨。事实上，在岩层中进行挖槽施工是地下连续墙施工过程中振动问题比较突出的环节。其施工过程均涉及机械破岩的过程，施工持续的时间较长，施工机械产生振动大。尤其当遇到岩层埋深较浅的不利因素，可能会对其邻近的敏感建、构筑物造成损坏。另一方面，用于成槽的设备也多种多样。常用的成槽机械设备主要有抓斗式成槽机、液压铣槽机、多头钻和旋挖式桩孔钻机等，按其成槽工法可分为抓斗式成槽工法、冲击式钻进成槽工法、回转式钻进成槽工法。如何选择对于周边环境影响较小的施工机械及工法目前也还处于探索阶段。为研究地下连续墙成槽机械施工对邻近敏感建、构筑物的影响，并为了选取最为合理的施工机械，选取了岩层埋深较浅的杭州吴山广场地铁车站施工现场进行了现场测试。首先，利用测振仪对距离冲击钻、铣槽机、旋挖钻三种施工机械不同距离的各个测点的振动时程曲线进行测量；其次，对振动频率以及振幅的特性进行分析，并总结了施工振动的衰减规律；最后，在以上工作的基础上，将分析结果应用到石塔类古建筑物动力响应的计算，分析各机械在临近文物施工时的安全距离。工程背景吴山广场站为杭州地铁 号线起点站，车站主体为地下三层、双柱三跨混凝土框架结构。吴山广场站标准段主体结构宽为.，基坑开挖深约为.。该段地层由上而下以此为：杂填土、素填土、粉质黏土、?I8黏土混角砾、?25强风化炭质泥岩和?25中风化炭质泥岩。围护结构采用 厚的连续墙加内支撑体系，主要位于?25中风化炭质泥岩、?25强风化炭质泥岩、?I8黏土混角砾地层中，根据地勘报告中单孔剪切波速的测试成果，主要地层的土动力学参数见表。表 岩土材料的动力学参数 编号地层层厚湿密度（）动弹性模量动剪切模量动泊松比剪切波速（）纵波波速（）摩擦角（）黏聚力杂填土.素填土.粉质黏土.?I8黏土混角砾.?25强风化炭质泥岩.?25中风化炭质泥岩.通常来说，在埋深较浅的岩层中施工作业，振动波传播至周边建筑物的路径较短，造成的影响较大。因此，测试选取的位置岩层埋深仅为.，埋深较浅。施工中采用抓斗成槽机抓取岩层以上的土层。对于无法直接抓取的岩层中，运用了冲击钻，铣槽机（型号：宝峨），旋挖钻（型号：中联）三种破岩机械（图）。主要采用铣槽机在岩石中掘进成槽的方案，其破岩原理主要通过以动力驱使安装在机架上的两个铣轮相互反向旋转来削掘岩土并破碎成小块。对于更为坚硬的岩石，铣轮直接切削效率较低，则需要冲击钻或旋挖钻预先钻取引孔，再使用铣槽机配合成槽（图），铣刀幅宽为.。而若出现部分岩石强度极高，采用上述工法仍然难以成槽，考虑整个槽段均采用旋挖钻成孔后，再采用铣槽机对槽段进行修边处理（图）。机械开挖引起振动施工的现场测试地下连续墙成槽开挖的振动主要来源于机械钻冲击钻；铣槽机；旋挖钻。图 破岩机械 头或铣轮与地层的接触碰撞及其引起的岩体破碎。其振源特性同时依赖于施工机械的特性、具体施工过程中的参数选取以及地层的力学特性。所以施工机械的振动幅值及频率等信息无法直接从厂商提供的设备参数中获取。另一方面，振动波在土层中的传播以及衰减特性也同样取决于于土层的孔隙比、渗透性、液体黏滞性等物理力学特性。而岩石中的节理、裂隙发育程度以及主要方向也对波的传递有着阻滞作用。因此，为了获取机械开挖施工的地下连续墙成槽施工振动对邻近古建筑的影响 康恒一，等 图 冲击钻或旋挖钻配合铣槽机施工工法 振源特性及振动衰减规律，从而用于分析施工振动对周边敏感建筑物的影响，就必须采用现场测试的方法，对冲击钻、铣槽机、旋挖钻实际施工过程中的振动进行监测。振动监测方案遵循 地基动力特性测试规范的要求，振动监测仪器采用成都中科测控有限公司生产的 爆破测振仪，如图 所示。每台测振仪有三个通道，配置 个三分量速度传感器。该仪器现场可直接设置各种采集参数，即时显示波形、峰值和频率，也可导出数据应用专用软件进行处理分析及成果输出等。测振仪及配套速度传感器均经法定机构的检定并处于检定有效期内。图 爆破测振仪 地下连续墙成槽机械入岩施工前，在地面上沿地下连续墙在竖向布置 个测点，测点间的距离根据施工现场情况调整（图）。三种施工机械间的实际监测位置应当保证足够的距离以避免相互干扰。现场实测的照片见图。测振仪布置并调试完成后，成槽机械开始施工。采样的时间设定为 。振动监测的采样率为.，即 波 形 图 中 相 邻 数 据 的 时 间 间 隔 为.。采样的持续时间及精度足以捕捉振动波形的特点。为保证数据采集的质量，进行机械振动监测时，对邻近的施工机械进行了停机处理，并保证附近没有运输车及吊车的干扰。在测量开始前，图 测振仪测点布置 冲击钻；铣槽机；旋挖钻。图 测试现场 对周边环境噪声进行了测量。机械施工产生的地面振动超过测振仪设定的开门阈值，测振仪记录各测点的振动信号，并连续记录一定长度的振动波形，获得传感器监测到的每个测点、三个方向（平行于地下连续墙方向、垂直于地下连续墙方向、垂直地面方向）的地面振动速度，共 组数据。对冲击钻、铣槽机、旋挖钻三种成槽机械施工的工况分别进行了振动监测的数据采集。在每个测点均可获得测点沿着三个方向的振动时程曲线。以旋挖钻的三个测点、和 为例，其典型的振动波形如图 所示。图 还体现了环境振动的测试结果，在没有其他施工机械干扰的情况下，测点三个方向的振动峰值均小于.，对后续正式测量的结果干扰很小。对比、和 的振动情况，振动波形的测试成果初步显示了振动在传播过程中衰减的情况。后续则将通过傅里叶变换的方法，分析其传播及衰减规律。振动传播和衰减规律分析.傅里叶变换分析现场振动的实测数据反映了以振动速度和持续时间为变量的时域波形，而无法直接获取振动的频率高低、分布区间以及能量分布等本质信息。通常来说，为了研究振动传播与衰减规律，可以针对振动 工业建筑 年第 卷第 期 方向；方向；方向。图 、和 的典型振动时程曲线 ，的有效值、峰值或者振幅进行分析。而为了将上述振动监测的成果应用到建筑物动力响应的计算中，应用傅里叶变换获取主要振型的振幅和频率，并对其随距离的衰减关系进行分析。离散傅里叶变换将具有连续频谱的实测振动信号视为由多个离散型频率的简谐运动叠加而成的离散型线性谱。首先，须要对实测数据进行离散化采样，得到实测波离散型无穷数值集，然后选取合适的步长间距进行离散傅里叶变换（），获得有限长离散信号（），的 定义为：（）（）（）其中（），。为了快速计算，可以利用 的对称性和周期性，将 点分解为两个 点进行计算，如此减少一般的计算量，依次继续分解下去将 分解为 点，最终计算量可由（）的复杂度降低为（），也即为快速傅里叶变换。对测量的连续波形（），设波形长度，采样间隔为，采样点数为，可以得到，区间上的傅里叶级数：（）（）其中 通过以上过程可以获得各个测点的频谱分布，一般来说，可以将各个测点在、三个方向上最大峰值振速对应的频率成为主振频率，从而可以用于后续的分析。应用 中的傅里叶分析模块，获得各个测点的主振振速和频率（表）。.主振方向分析为分析振动特性沿、三个方向的分布规律，将各个测点的频率以及振速以条形图方式绘制见图 和图。可见：对于各类施工机械，方向的振速均大于 向与 向振速。其中，方向与、方向的差异以铣槽机最为显著。以测孔 为例，方向的峰值振速.高出 方向峰值振速.达.倍。即使经过一段时间的衰减，在 孔，方向的峰值振速.仍然显著高出 方向峰值振速.。方向振速较大的原因是因为各类成槽机械均须在竖向冲击劈裂破岩，造成在 方向较大的振动。这同样表现在竖向与水平方向频率的差异上。竖向与水平向破岩方式的差异也使得 方向的主振频率要显著小于 向和 向。在水平方向上，方向（平行于地下连续墙方向）的峰值振速基本上略微大于 方向的振速峰值振速（垂直于地下连续墙方向）。相应地，方向上的频率略微小于 方向的频率。这可能是因为机械开挖的方向通常都顺着地下连续墙的走向破岩，从而使得水平振动的方向更倾向于 方向。这里也不难得出主振振速越大，频率越低的经验规律。而具体到每一种施工机械，相比冲击钻和铣槽机，旋挖钻的开挖方式始终以各向同性的旋转为主，因而其在地下连续墙成槽施工振动对邻近古建筑的影响 康恒一，等 表 各测点主振振速和频率 编号工况 向主频 向振速（）向主频 向振速（）向主频 向振速（）冲击钻施工铣槽机施工旋挖钻施工.冲击钻；铣槽机；旋挖钻。向振速；向振速；向振速。图 各测点的峰值振速 和 方向上振速未表现出明显规律。总体来说，施工机械引起的振动集中于竖直方向，其振动幅值显著大于水平方向的振速，且其振动频率显著小于水平方向。而在水平方向上，施工引起的平行于地下连续墙方向的振动仅仅略微大于垂直于地下连续墙方向上的振动，而其频率则较为相近。冲击钻；铣槽机；旋挖钻。向主频；向主频；向主频。图 各测点的振动振动频率 .衰减规律分析由实测结果可知：随着测点远离振源中心，峰值振速逐渐降低，而测量的频率在传播的过程中变化规律不显著，主要受测量的偶然误差影响。因此，以下的分析主要针对振幅与传播距离的关系。根据土动力学理论，压缩波在固体内部的传播衰减符合速度 与传播距离倒数平方 成正比 工业建筑 年第 卷第 期的关系，而表面波符合 与传播距离倒数开平方 成正比的关系。但实际应用中，由于地质条件较为复杂，而实际施工机械引起的振动是由多种类型振动波的组合，难以用上述理论公式描述。对于振动波的传播规律，一般可采用萨道夫斯基经验算式进行预测，采用简单的指数形式描述振速的衰减过程。|（）式中：为钻机的功率，或者爆破开挖种的炮眼药量；为反映衰减快慢的物理量；则为与场地相关的经验参数；为传播的距离。计算中，通常可以对式（）两侧取对数转化为式（）的线性形式：（）对以上形式采用最小二乘法，将各监测点的质点振动速度值及钻机功率、距离分别代入式（），进行回归分析计算。对于各种施工机械，由于在监测仅针对了一种钻机功率，在后