TBM 施工对地面建筑物振动影响分析

田皓文

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

随着我国科学技术的发展和综合国力的提高，TBM的施工设备和施工技术越来越成熟，TBM在山岭隧道的施工中已经得到了较好的应用，但是在城市硬岩中，利用TBM施工地铁隧道在国内还没有先例。重庆轨道交通6号线TBM试验段工程为国内首次将TBM应用于城市地铁隧道的掘进施工项目。城市地铁建设受城市特殊环境的限制，要求对环境的影响降低到最小，但是，TBM掘进时的振动对地面建(构)筑物的影响程度以前还没有具体的研究。

本文通过对重庆轨道交通6号线TBM施工段沿线重点建(构)筑物的振动的测试分析，寻找TBM掘进对地面建(构)筑物的影响规律、影响程度，为重庆轨道交通施工过程中的建筑物保护提供理论基础，也为TBM在城市环境中的应用积累宝贵的经验和资料。

1 工程概况

重庆市轨道交通6号线五里店—红土地区间(K17+300～K172+600)TBM试验段为双线双洞隧道，洞跨6 m，洞高6 m，左线与右线相距13．0 m～17．0 m。本段地貌上属于构造剥蚀丘陵地貌，地面高程262 m～294 m，地形坡度一般5°～10°，局部坡度达40°。地质构造上属于龙王洞背斜东翼，线路走向与地质构造线走向呈大角度相交。沿线上覆土层厚度0 m～8．6 m，主要为素填土及粉质粘土。下伏侏罗系中统沙溪庙组厚层状泥质砂岩夹砂岩。

洞顶以上中等风化砂岩厚18 m～39 m，为3．0倍～6．5倍洞跨，深埋隧道。岩体呈大块状砌体结构，岩体较完整。隧道围岩基本级别为Ⅳ级，成洞条件好。

重庆市轨道交通6号线TBM试验段隧道在里程K17+418～K17+443穿过五童路接五里店立交桥台，左线桥台基底标高265．0 m ～266．2 m，右线桥台基底标高 263．7 m ～264．5 m，桥台基底距隧道顶中等风化岩石厚度18．5 m～18．9 m，大于3倍隧道洞跨。

2 监测振动影响的目的

通过对重庆市轨道交通6号线TBM试验段振动频谱的分析，得到重庆市轨道交通6号线TBM试验段沿线桥台振动的基本规律，并且对其频谱特性进行分析，可以为分析重庆市轨道交通6号线TBM开挖段的振源特性提供依据，同时，可对6号线TBM施工引起的沿线工业民用建筑物及桥梁等结构的振动危害预测提供依据。

3 测试方案制定

3．1 测试仪器

根据目前国内进行微振动的通用测试方法，测试时选择了用于超低频、低频及高频振动测量的多功能仪器941B型测振仪，上述型号的测振仪采用无源闭环伺服技术，以获得良好的超低频特性。技术指标见表1。

3．2 测点布置

根据测试前对TBM施工沿线的地面环境的调查分析，测试时选择了五里店立交至五童路段道路主1线20号右桥台作为主要的振动测试点。测点布置图见图1。

4 测试结果分析

4．1 测试结果

在TBM掘进状态下，五里店立交至五童路段主1线20号右桥台左侧测点振动测试数据的频谱分析图如图2～图5所示。

表1 941B型拾振器主要技术指标

图1 测点布置图

图2 TBM掘进状态下，桥台测点竖直方向振动频谱分析图

桥台振动规律小结:TBM施工对桥台的振动影响直接与掌子面距离桥台的距离相关。TBM掌子面距离桥台距离越近，桥台所受振动影响越大。TBM在通过桥台60 m左右时，其对建筑物振动影响开始明显减弱。

图3 TBM掘进状态下，桥台测点竖直方向振动与距离关系图

4．2 振动测试结果分析

1)TBM掘进参数与桥台振动关系。TBM掘进施工参数与振动对应关系见表2。

2)刀盘不同转速下桥台振动情况。2010年1月2日进行了不同转速下桥台振动情况测试，测试结果与分析见表3，图6。

表2 TBM掘进时桥台振动测试情况表

通过TBM刀盘不同转速桥台振动情况分析得知，当TBM的刀盘转速在3 r/min～4 r/min时，其振动速度达到峰值，随着转速的增加，桥台的振动速率会趋于减小，在TBM施工过程中，为减小施工引起的振动对建(构)筑物的影响，转速尽量控制在4 r/min以上。

5 结语

通过对振动测试结果的详细分析，得出如下结论:

1)一般情况下，TBM施工引起的桥台结构振动，垂直振动速度峰值最大在4 mm/s以下，主频14．4 Hz～48 Hz;一般振动速度峰值均在1 mm/s以下。水平振动速度峰值最大在3 mm/s以下，一般振动速度峰值均在1 mm/s以下，主频4．4 Hz～48 Hz。根据国内外相关规范标准，TBM掘进引起的桥台振动属于“若结构振动速度峰值位于3．5 mm/s～5 mm/s之间，则对结构耐久性和正常使用有一定影响，但影响较小，视结构的重要性决定是否采取减振措施”。

图4 TBM掘进状态下，桥台测点水平方向振动频谱分析图

2)TBM在砂岩中掘进时，振动峰值曾短暂出现过20 mm/s，但是持续时间比较短暂，因此对桥台影响的时间比较短暂，对建筑物结构的影响比较小，故不需要采取减振措施。

3)掌子面距离对振动速度的影响:从TBM施工对桥台的振动影响分析得知，TBM对建(构)筑物振动速度的影响直接与TBM掌子面距离建(构)筑物的距离相关，距离越近，对建(构)筑物的影响越大，距离越远对建(构)筑物的影响越小。

图5 TBM掘进状态下，桥台测点水平方向振动与距离关系图

表3 TBM掘进时不同转速下桥台振动情况测试表

图6 不同转速桥台振动情况曲线图

4)TBM刀盘转速对振动的影响:当TBM的刀盘转速在3 r/min～4 r/min时，其振动速度达到峰值，随着转速的增加，桥台的振动速率会趋于减小，在TBM施工过程中，为减小施工引起的振动对建(构)筑物的影响，转速尽量控制在4 r/min以上。

综上所述，TBM在城市环境中掘进，只要隧道的埋深满足TBM掘进的要求，振动对地面建筑物的影响基本在可控范围内，对地面建筑物产生破坏的风险比较小。但是，由于振动波在地层中传播受到干扰的因素比较多，TBM掘进时产生的振动反应到建筑物上时，其特征变化比较频繁，振动对建筑物影响的机理还不明确，需要进行进一步的研究。

［1］邓俊稳．微震控制爆破技术在城市地铁施工中的应用［J］．天津建设科技，2001，11(3):1-3．

［2］刘怀国，张 劲，章跃林．引黄工程南干线TBM施工探讨［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(Z1):2520-2522．

［3］王梦恕．岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例［M］．北京:中国铁道出版社，2004．

［4］朱赞成，毕远志．广州地铁暗挖隧道微振爆破技术［J］．铁道建筑，2009(4):55-57．