康恒一 戴浩宇 沈碧輝

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司交通市政工程院，杭州 311122；2.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058)

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，城市隧道建設的規(guī)模在不斷地擴大，隧道施工引起的環(huán)境振動問題也逐漸引起了各方的關注。在居民住宅密集的區(qū)域，振動引起的結構二次振動和噪聲會對住宅內居民的正常生活帶來干擾，影響人們的身體健康。振動還會影響設有精密儀器的科研院所、醫(yī)院、微電子工業(yè)區(qū)的正常使用功能。對于建成年代久遠的古建筑物，振動可能甚至會引起結構的損壞，帶來不良的社會影響。

目前關于隧道施工振動影響的研究主要圍繞采用礦山法施工的隧道[1-4]。近年來，隨著城市地區(qū)對振動控制的要求日漸嚴格，也出現(xiàn)了針對盾構施工期振動的研究[5-8]。例如，郭飛等于北京某地鐵盾構隧道內以及盾構掘進刀盤前上方鉆孔布設測振儀，識別出盾構施工誘發(fā)振動的振源為刀盤掘進、后配套車以及運輸車，并測量了各振源的頻率范圍[6]。然而，對于明挖法隧道地下連續(xù)墻施工振動效應的研究卻長期被忽視。關于地連墻施工對周邊環(huán)境的影響，國內僅查到一例關于以南昌地鐵1號線施工過程為背景的研究[9]，采用了現(xiàn)場監(jiān)測手段，對沖擊鉆和抓斗式成槽機的振源特性及振動的傳播規(guī)律進行了探討。

事實上，在巖層中進行挖槽施工是地下連續(xù)墻施工過程中振動問題比較突出的環(huán)節(jié)。其施工過程均涉及機械破巖的過程，施工持續(xù)的時間較長，施工機械產生振動大。尤其當遇到巖層埋深較淺的不利因素，可能會對其鄰近的敏感建、構筑物造成損壞。另一方面，用于成槽的設備也多種多樣。常用的成槽機械設備主要有抓斗式成槽機、液壓銑槽機、多頭鉆和旋挖式樁孔鉆機等，按其成槽工法可分為抓斗式成槽工法、沖擊式鉆進成槽工法、回轉式鉆進成槽工法。如何選擇對于周邊環(huán)境影響較小的施工機械及工法目前也還處于探索階段。

為研究地下連續(xù)墻成槽機械施工對鄰近敏感建、構筑物的影響，并為了選取最為合理的施工機械，選取了巖層埋深較淺的杭州吳山廣場地鐵車站施工現(xiàn)場進行了現(xiàn)場測試。首先，利用測振儀對距離沖擊鉆、銑槽機、旋挖鉆三種施工機械不同距離的各個測點的振動時程曲線進行測量；其次，對振動頻率以及振幅的特性進行分析，并總結了施工振動的衰減規(guī)律；最后，在以上工作的基礎上，將分析結果應用到石塔類古建筑物動力響應的計算，分析各機械在臨近文物施工時的安全距離。

1 工程背景

吳山廣場站為杭州地鐵7號線起點站，車站主體為地下三層、雙柱三跨混凝土框架結構。吳山廣場站標準段主體結構寬為25.7 m，基坑開挖深約為23.14 m。該段地層由上而下以此為：①1雜填土、①2素填土、②2粉質黏土、3黏土混角礫、a2強風化炭質泥巖和a3中風化炭質泥巖。圍護結構采用1 000 mm厚的連續(xù)墻加內支撐體系，主要位于a3中風化炭質泥巖、a2強風化炭質泥巖、3黏土混角礫地層中，根據地勘報告中單孔剪切波速的測試成果，主要地層的土動力學參數見表1。

表1 巖土材料的動力學參數Table 1 Dynamic mechanical property indexes for soils and rocks

通常來說，在埋深較淺的巖層中施工作業(yè)，振動波傳播至周邊建筑物的路徑較短，造成的影響較大。因此，測試選取的位置巖層埋深僅為9.8 m，埋深較淺。施工中采用抓斗成槽機抓取巖層以上的土層。對于無法直接抓取的巖層中，運用了沖擊鉆，銑槽機(型號：寶峨BC40)，旋挖鉆(型號：中聯(lián)ZR360)三種破巖機械(圖1)。主要采用銑槽機在巖石中掘進成槽的方案，其破巖原理主要通過以動力驅使安裝在機架上的兩個銑輪相互反向旋轉來削掘巖土并破碎成小塊。對于更為堅硬的巖石，銑輪直接切削效率較低，則需要沖擊鉆或旋挖鉆預先鉆取引孔，再使用銑槽機配合成槽(圖2)，銑刀幅寬為2.8 m。而若出現(xiàn)部分巖石強度極高，采用上述工法仍然難以成槽，考慮整個槽段均采用旋挖鉆成孔后，再采用銑槽機對槽段進行修邊處理(圖2)。

a—沖擊鉆；b—銑槽機；c—旋挖鉆。圖1 破巖機械Fig.1 Typical rock trench excavation machines

圖2 沖擊鉆或旋挖鉆配合銑槽機施工工法Fig.2 Rock trench excavation with slot-milling machines coordinated with impact drills or rotary drills

2 機械開挖引起振動施工的現(xiàn)場測試

地下連續(xù)墻成槽開挖的振動主要來源于機械鉆頭或銑輪與地層的接觸碰撞及其引起的巖體破碎。其振源特性同時依賴于施工機械的特性、具體施工過程中的參數選取以及地層的力學特性。所以施工機械的振動幅值及頻率等信息無法直接從廠商提供的設備參數中獲取。另一方面，振動波在土層中的傳播以及衰減特性也同樣取決于于土層的孔隙比、滲透性、液體黏滯性等物理力學特性[10]。而巖石中的節(jié)理、裂隙發(fā)育程度以及主要方向也對波的傳遞有著阻滯作用[11]。因此，為了獲取機械開挖施工的振源特性及振動衰減規(guī)律，從而用于分析施工振動對周邊敏感建筑物的影響，就必須采用現(xiàn)場測試的方法，對沖擊鉆、銑槽機、旋挖鉆實際施工過程中的振動進行監(jiān)測。

振動監(jiān)測方案遵循GB/T 50269—2015《地基動力特性測試規(guī)范》的要求，振動監(jiān)測儀器采用成都中科測控有限公司生產的TC-4850爆破測振儀，如圖3所示。每臺測振儀有三個通道，配置1個三分量速度傳感器。該儀器現(xiàn)場可直接設置各種采集參數，即時顯示波形、峰值和頻率，也可導出數據應用專用軟件進行處理分析及成果輸出等。TC-4850測振儀及配套速度傳感器均經法定機構的檢定并處于檢定有效期內。

圖3 TC-4850爆破測振儀Fig.3 Blasting vibrometer TC-4850

地下連續(xù)墻成槽機械入巖施工前，在地面上沿地下連續(xù)墻在豎向布置6個測點，測點間的距離根據施工現(xiàn)場情況調整(圖4)。三種施工機械間的實際監(jiān)測位置應當保證足夠的距離以避免相互干擾?，F(xiàn)場實測的照片見圖5。

圖4 測振儀測點布置 mFig.4 Arrangements of vibrometers

a—沖擊鉆；b—銑槽機；c—旋挖鉆。圖5 測試現(xiàn)場Fig.5 Field monitoring

測振儀布置并調試完成后，成槽機械開始施工。采樣的時間設定為5 s。振動監(jiān)測的采樣率為1.6 kHz，即波形圖中相鄰數據的時間間隔為0.062 5 ms。采樣的持續(xù)時間及精度足以捕捉振動波形的特點。為保證數據采集的質量，進行機械振動監(jiān)測時，對鄰近的施工機械進行了停機處理，并保證附近沒有運輸車及吊車的干擾。在測量開始前，對周邊環(huán)境噪聲進行了測量。機械施工產生的地面振動超過測振儀設定的開門閾值，測振儀記錄各測點的振動信號，并連續(xù)記錄一定長度的振動波形，獲得傳感器監(jiān)測到的每個測點x、y、z三個方向(平行于地下連續(xù)墻方向、垂直于地下連續(xù)墻方向、垂直地面方向)的地面振動速度，共3組數據。對沖擊鉆、銑槽機、旋挖鉆三種成槽機械施工的工況分別進行了振動監(jiān)測的數據采集。在每個測點均可獲得測點沿著三個方向的振動時程曲線。以旋挖鉆的三個測點CS1、CS3和CS5為例，其典型的振動波形如圖6所示。圖6還體現(xiàn)了環(huán)境振動的測試結果，在沒有其他施工機械干擾的情況下，測點三個方向的振動峰值均小于0.01 mm/s，對后續(xù)正式測量的結果干擾很小。對比CS1、CS3和CS5的振動情況，振動波形的測試成果初步顯示了振動在傳播過程中衰減的情況。后續(xù)則將通過傅里葉變換的方法，分析其傳播及衰減規(guī)律。

a—x方向；b—y方向；c—z方向。圖6 CS1、CS3和CS5的典型振動時程曲線Fig.6 Typical time history curves of measuring points CS1,CS3 and CS5

3 振動傳播和衰減規(guī)律分析

3.1 傅里葉變換分析

現(xiàn)場振動的實測數據反映了以振動速度和持續(xù)時間為變量的時域波形，而無法直接獲取振動的頻率高低、分布區(qū)間以及能量分布等本質信息。通常來說，為了研究振動傳播與衰減規(guī)律，可以針對振動的有效值、峰值或者振幅進行分析。而為了將上述振動監(jiān)測的成果應用到建筑物動力響應的計算中，應用傅里葉變換獲取主要振型的振幅和頻率，并對其隨距離的衰減關系進行分析。

離散傅里葉變換將具有連續(xù)頻譜的實測振動信號視為由多個離散型頻率的簡諧運動疊加而成的離散型線性譜。首先，須要對實測數據進行離散化采樣，得到實測波離散型無窮數值集{x0,x1,…,xn,…}，然后選取合適的步長間距進行離散傅里葉變換(DFT)，獲得有限長離散信號X(n)，n=0,1,…,N-1的DFT定義為：

(1)

為了快速計算，可以利用WN的對稱性和周期性，將N點分解為兩個N/2點進行計算，如此減少一般的計算量，依次繼續(xù)分解下去將N/2分解為N/4點，最終計算量可由O(N2)的復雜度降低為O(N/(2 lg 2N))，也即為快速傅里葉變換。

對測量的連續(xù)波形x(t)，設波形長度L，采樣間隔為Δt，采樣點數為N，可以得到[0,L]區(qū)間上的傅里葉級數：

(2)

通過以上過程可以獲得各個測點的頻譜分布，一般來說，可以將各個測點在x、y、z三個方向上最大峰值振速對應的頻率成為主振頻率，從而可以用于后續(xù)的分析。應用Matlab中的傅里葉分析模塊，獲得各個測點的主振振速和頻率(表2)。

表2 各測點主振振速和頻率Table 2 Peak velocities and frequencies of principle vibrations

3.2 主振方向分析

為分析振動特性沿x、y、z三個方向的分布規(guī)律，將各個測點的頻率以及振速以條形圖方式繪制見圖7和圖8。可見：對于各類施工機械，z方向的振速均大于x向與y向振速。其中，z方向與x、y方向的差異以銑槽機最為顯著。以測孔BS1為例，z方向的峰值振速0.589 mm/s高出x方向峰值振速0.168 mm/s達2.5倍。即使經過一段時間的衰減，在BS6孔，z方向的峰值振速0.096 mm/s仍然顯著高出x方向峰值振速0.056 mm/s。z方向振速較大的原因是因為各類成槽機械均須在豎向沖擊劈裂破巖，造成在z方向較大的振動。這同樣表現(xiàn)在豎向與水平方向頻率的差異上。豎向與水平向破巖方式的差異也使得z方向的主振頻率要顯著小于x向和y向。

在水平方向上，x方向(平行于地下連續(xù)墻方向)的峰值振速基本上略微大于y方向的振速峰值振速(垂直于地下連續(xù)墻方向)。相應地，x方向上的頻率略微小于y方向的頻率。這可能是因為機械開挖的方向通常都順著地下連續(xù)墻的走向破巖，從而使得水平振動的方向更傾向于x方向。這里也不難得出主振振速越大，頻率越低的經驗規(guī)律。而具體到每一種施工機械，相比沖擊鉆和銑槽機，旋挖鉆的開挖方式始終以各向同性的旋轉為主，因而其在x和y方向上振速未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

a—沖擊鉆；b—銑槽機；c—旋挖鉆。 x向振速； y向振速； z向振速。圖7 各測點的峰值振速Fig.7 Peak vibration velocities of monitoring points

總體來說，施工機械引起的振動集中于豎直方向，其振動幅值顯著大于水平方向的振速，且其振動頻率顯著小于水平方向。而在水平方向上，施工引起的平行于地下連續(xù)墻方向的振動僅僅略微大于垂直于地下連續(xù)墻方向上的振動，而其頻率則較為相近。

a—沖擊鉆；b—銑槽機；c—旋挖鉆。 x向主頻； y向主頻； z向主頻。圖8 各測點的振動振動頻率Fig.8 Frequencies of monitoring points

3.3 衰減規(guī)律分析

由實測結果可知：隨著測點遠離振源中心，峰值振速逐漸降低，而測量的頻率在傳播的過程中變化規(guī)律不顯著，主要受測量的偶然誤差影響。因此，以下的分析主要針對振幅與傳播距離的關系。

對于振動波的傳播規(guī)律，一般可采用薩道夫斯基經驗算式[12]進行預測，采用簡單的指數形式描述振速的衰減過程。

(3)

式中：Q為鉆機的功率，或者爆破開挖種的炮眼藥量；α為反映衰減快慢的物理量；K則為與場地相關的經驗參數；γ為傳播的距離。

計算中，通?？梢詫κ?3)兩側取對數轉化為式(4)的線性形式：

(4)

對以上形式采用最小二乘法，將各監(jiān)測點的質點振動速度值及鉆機功率、距離分別代入式(4)，進行回歸分析計算。

對于各種施工機械，由于在監(jiān)測僅針對了一種鉆機功率，在后續(xù)的分析過程中，將K(Q1/3)α合并考慮，擬合的函數具有v=v0r-α的形式。其中v0可以看成振源處的初始振速，α為衰減因子。圖9顯示：振速隨著距振動源距離的衰減關系基本符合薩道夫斯基經驗算式，沖擊鉆的α=0.626～0.661，銑槽機的α=0.466～0.939，旋挖鉆的α=0.968～1.498。這說明振動波的特性介于表面波與體波之間。

a—沖擊鉆；b—銑槽機；c—旋挖鉆。 z方向； y方向； x方向。圖9 各施工機械的衰減特性Fig.9 Attenuation of vibration velocity with increase of space

圖10顯示α主要與振動頻率成正相關關系，即振動頻率越大，能量衰減越快。從施工機械振源處初始振速來評估施工引起的振動，在豎直方向上，旋挖鉆最大，銑槽機次之，沖擊鉆最小。在水平方向上，旋挖鉆最大，沖擊鉆次之，銑槽機最小。但由于沖擊鉆的頻率較低，衰減較慢，與其他兩種機械相比，在傳播距離較大的情況仍可能保持較大的振速，需要特別注意。

沖擊鉆； 銑槽機； 旋挖鉆。圖10 衰減參數α與頻率的關系Fig.10 Relations of attenuation factors and frequencies

4 振動監(jiān)測成果應用

4.1 振動控制標準選取

目前關于振動環(huán)境效應評估的指標包括峰值速度和加速度。其中，加速度主要與人的舒適性、精密儀器的測量相關，如GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》、GB/T 50355—2018《住宅建筑內振動限值及測量方法標準》就采用加速度作為評價指標。建筑物的破壞則與振動引起的微裂縫有關，而控制建筑物微裂縫的發(fā)展的重要指標是應變。應變又是由速度控制，而直接控制裂縫往復開合引起疲勞破壞的速度統(tǒng)計形式是峰值。因此，國內外幾乎所有建筑結構的振動都是以質點振動的速度峰值作為評價量。

根據國際標準化組織ISO推薦的建筑振動控制標準：當峰值振動速度小于2.5 mm/s時，建筑物幾乎不會受損。但以上成果難以滿足我國古建筑物的保護需要。我國學者于2000年開始針對工業(yè)振動對古建筑的影響開展了專項研究，對130多處古建筑結構的動力特性、響應、彈性波傳播速度等進行了現(xiàn)場實測和收集，針對我國特有的古建筑文物形式，編制了GB/T 50452—2008《古建筑防工業(yè)振動技術規(guī)范》。對于古建筑磚、石結構，是以承重結構最高處的水平振動速度作為控制標準；對于古建筑木結構，是以頂層柱頂的水平振動速度作為控制標準：對于石窟，是以石窟頂三向速度作為控制標準。由GB/T 50452—2008提供的容許振動速度可以看出：彈性波在建筑物中傳播的速度越大，說明結構的完整性越好，其容許的水平振動速度也就越大(表3)。

表3 古建筑石結構的容許水平振動速度Table 3 Allowed maximum horizontal vibration velocities for ancient stone structures

4.2 機械施工的安全距離計算

以杭州某古塔作為典型的石塔類古建筑物并基于GB/T 50452—2008的控制標準，將上述振動監(jiān)測的分析結果應用到建筑物動力響應及施工安全距離的計算中。某古塔通體采用白石雕刻砌筑而成，仿木構樓閣式塔的形制，外觀八面九層，每層由塔身、塔檐和平座組成，通高約14.4 m。對塔身的超聲傳播速度進行了測試，測得的彈性波在塔身中的傳播速度平均值為3 460 m/s，按GB/T 50452—2008相關規(guī)定，古塔的容許振動速度取為0.25 mm/s。

GB/T 50452—2008提出，古建筑磚石古塔的水平固有頻率可按式(5)計算：

(5)

式中：fj為結構的第j階固有頻率；aj為結構第j階固有頻率的綜合變形系數；b0為結構底部寬度(兩對邊的距離);H為計算結構總高度(臺基頂至塔剎根部的高度)；ψ為結構質量剛度系數。

計算獲得的古塔信息固有頻率信息見表4。

表4 古塔的固有頻率Table 4 Natural frequencies of the ancient tower

古建筑磚石結構在工業(yè)振源作用下的最大水平速度響應可按式(6)計算：

(6)

式中：vmax為結構最大速度響應；vr為基礎處水平向振動速度；N為振型疊加數，取3；γj為第j階振型參與系數；βj為第j階振型動力放大系數。

計算結果如表5所示。根據衰減經驗算式，考慮水平方向上的振動，計算不同距離下的地表振速vr，并通過式(6)最終計算不同鄰近距離下施工引起古塔的振動響應如圖11所示。

表5 振型參與系數與動力放大系數Table 5 Mode participation factors and dynamic magnification factors

——沖擊鉆；----銑槽機；……旋挖鉆。圖11 不同距離下施工引起古塔的振動響應Fig.11 Vibration of ancient towers excited by construction at different space

從施工機械振源處初始振速來評估施工引起的水平振動，旋挖鉆均最大，沖擊鉆次之，銑槽機最小。但由于沖擊鉆的頻率較低，衰減較慢。因此，若須保證古塔振動符合GB/T 50452—2008中振速不得大于0.25 mm/s的要求，沖擊鉆的安全距離反而是最大的，為59.3 m。而銑槽機由于初始振速顯著小于其他兩者，其安全距離也是最小的，為14.9 m。旋挖鉆雖然振源處的初始振速很大，但由于衰減顯著快于其它兩者，其安全距離為16.7 m。

因此，基于控制振動考慮，在臨近石塔類古建筑物施工時，推薦采用銑槽機結合旋挖鉆進行地下連續(xù)墻成槽施工，且須避免使用沖擊鉆成孔。

5 結束語

為評估地下連續(xù)墻成槽機械施工對鄰近古建筑物的影響并選取合理的施工機械，對距離沖擊鉆、銑槽機、旋挖鉆三種施工機械不同距離的各個測點的振動頻率以及最大峰值速度進行了測量，總結了施工振動的衰減規(guī)律，進而應用到某古塔動力響應的計算中。基于以上的研究內容，得出以下主要結論：

1)對于各種施工機械，施工機械引起的振動集中于豎直方向，其振動幅值顯著大于水平方向的振速，且其振動頻率顯著小于水平方向，表明各類成槽機械豎向沖擊劈裂的破巖過程是引起振動的主要誘因。

2)在水平方向上，平行于地下連續(xù)墻方向的峰值振速總體上略微大于垂直于地下連續(xù)墻方向的振速峰值振速。這可能是因為機械開挖的方向通常都順著地下連續(xù)墻的走向破巖。而具體到每一種施工機械，旋挖鉆的開挖方式以旋轉為主，因此其在平行和垂直地下連續(xù)墻方向上的振速更多地表現(xiàn)為各向同性。

3)振速隨著距振動源距離的衰減關系基本符合薩道夫斯基經驗算式。沖擊鉆的衰減參數α為0.626～0.661，銑槽機的衰減參數α為0.466～0.939，旋挖鉆的衰減參數α為0.968～1.498，說明振動波的特性介于表面波與體波之間。

4)從施工機械振源處的初始振速來評估施工引起的振動，在豎直方向上，旋挖鉆最大，銑槽機次之，沖擊鉆最小。在水平方向上，旋挖鉆最大，沖擊鉆次之，銑槽機最小。但由于沖擊鉆的頻率較低，衰減較慢，與其他兩種機械相比，在傳播距離較大的情況仍可能保持較大的振速，需要特別注意。

5)將工程實測數據用于典型石塔結構的響應計算中，若須保證古塔的振速不大于0.25 mm/s的要求，在臨近古塔施工時，安全距離，沖擊鉆最大、旋挖鉆次之、銑槽機最小。建議采用銑槽機結合旋挖鉆進行地下連續(xù)墻成槽施工，須避免使用沖擊鉆成孔。