地铁地下连续墙施工诱发的环境振动实测与分析

刘庆杰，胡孟达，雷晓燕，张鹏飞

（1.华东交通大学“铁路环境振动与噪声”教育部工程研究中心,南昌 330013；2.南昌轨道交通集团有限公司,南昌 330013）

地铁地下连续墙施工诱发的环境振动实测与分析

刘庆杰1，胡孟达2，雷晓燕1，张鹏飞1

（1.华东交通大学“铁路环境振动与噪声”教育部工程研究中心,南昌 330013；2.南昌轨道交通集团有限公司,南昌 330013）

在地铁的地下连续墙施工过程中，施工机械产生的环境振动会影响周边居民的工作生活，并对文物保护建筑的健康造成威胁。选取南昌地铁1号线子固路站—八一馆站区间为测试地点，针对地下连续墙施工常用的两种施工机械（冲击钻和成槽机）进行了地面振动的现场实测，分析了施工过程中两种施工机械引起地面振动的特性和传播衰减规律。分析表明，成槽机施工过程中产生振动较小，可用于对振动敏感的建筑物周边的施工。冲击钻会产生较大振动，距离振源60 m范围内的建筑物需要考虑环境振动问题，在施工方案制定前应评估其对周边建筑物和居民生活的影响。

振动与波；环境振动；地铁；地下连续墙；Z振级

地铁在缓解城市交通拥堵问题上起到了积极作用，但同时由其引发的环境振动污染问题影响了居民的生活和工作[1，2]。总体说来，该问题可从地铁施工期和运营期两个阶段分别进行研究。对于地铁运营期间列车诱发所产生的环境振动，雷晓燕教授利用有限元法对高层建筑在列车通过时的振动相应进行分析，并与实测结果进行对比[3-5]。刘维宁、夏禾建立数值仿真模型模拟地铁列车引起的地面振动，并对地面振动放大区和地层相应主要频带进行了析[6，7]。谢伟平对不同建筑物类型的振动衰减规律进行分析[8]；柴元四，贾敏才等则对一般建筑物施工过程中所产生的环境振动传播规律与影响进行了相关评价[9-12]，但是针对地铁施工过程中所产生的环境振动问题的研究还存在不足。以南昌地铁1号线的施工过程为研究背景，本文对地铁施工过程中所产生的环境振动进行实测分析与研究。

地下连续墙是地铁车站和明挖区间的围护结构形式之一，在基坑深、地质条件差、地下水位高时，一般都需要采用地下连续墙作为基坑的围护结构[1]。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，其施工持续时间较长，施工机械产生振动大。因此，在地下连续墙施工之前应对施工机械产生的振动进行评估，确定合理的施工方案，以保障周边居民的正常生活及文物保护建筑的安全。挖槽施工中常用的机械有冲击钻和成槽机，如图1、图2所示。

图1 冲击钻

图2 液压抓斗成槽机

地铁施工产生的振动主要会产生两方面的危害，即对周边的建筑结构安全产生危害及对周围居民工作生活产生影响。因此，在评价施工振动的影响时，要从这两个方面入手。对于古建筑或文物保护建筑，我国标准以振动速度峰值作为评价指标，按照建筑的保护级别和结构类型规定了不同的容许限值，表1为全国重点文物保护单位的振动速度峰值的限值。对于环境振动评价以振动加速度作为评价指标，按照建筑物所在的区域和重要程度对建筑物进行分类。不同建筑类别有不同的评价标准，表2为部分区域Z振级限值。由于人体对不同频率的感受不同，评价时往往需要对振动加速度进行修正。图3为我国环境振动评价的相关标准和适用范围。

表1 全国文物保护单位速度峰值的限值（/mm/s）

表2 部分区域Z振级限值

图3 中国振动评价体系

1 测试设备与测点布置

1.1 测试设备

采用德国Head公司DATaRec 4 DIC 24数据采集仪和Artemi S数据采集分析软件进行数据采集与分析，传感器采用中国地震局工程力学研究所941 B型振动传感器。

1.2 施工机械参数

测试区段地下连续墙成槽施工采用两种机械：冲击钻和液压抓斗成槽机，其中冲击钻提升高度为2～3 m，锤重为2.8（t锤头直径800 mm)～3.6 t(锤头直径1000 mm)。液压抓斗成槽机的成槽宽度为0.35 m～1.5 m，最大提升力为600 kN，卷扬机单绳拉力为2×300 kN，抓斗重量为15 t～30 t，主机重量（不含抓斗）为92.1 t。

1.3 测点布置

为了分析地下连续墙施工诱发环境振动的特征、幅值和分布衰减规律，选取南昌地铁1号线八一馆—子固路站区间（简称子八区间）作为测点。八一馆站位于中山路与象山北路的交叉口，属于繁华的商业区，区间穿过居民区，国家级文物保护单位八一起义纪念馆距离施工地点仅有50 m。子八区间采用明挖法施工，地下连续墙围护结构，在区间内同时有冲击钻和成槽机进行开挖作业。区间两侧既有大型商业中心、居民楼，也有国家级文物保护单位八一起义纪念馆，因此需要对环境振动进行详细的评估与分析。

测试规定z向为垂直地面方向，x、y为水平向，其中x向指向振源（施工机械），y向与x向垂直。本次测试选择了2个测点，如图4所示。测点1靠近象山北路路口，该处采用冲击钻施工，在距冲击钻2 m、4 m、8 m、12 m、16 m处的地面布置测点，测试地面三向的振动速度和加速度。测点2位于近胜利路步行街口，用于测试成槽机施工的振动，测点布置在成槽机履带旁2 m处。

图4 测点布置

2 施工机械振动特性分析

在冲击钻施工过程中，振动由钻头冲击大地产生，振源的位置非常明确。成槽机产生的振动包括：液压抓斗作业诱发振动、成槽机走形设备（履带）产生的振动以及设备动力系统振动，其中后两者为振动主要来源，通过成槽机履带传入大地。因此，选取冲击钻孔边的地面和成槽机履带旁地面进行振动特性的对比分析。

图5和图6分别为冲击钻和成槽机在施工过程中，距离振源2 m处地面垂向振动时程曲线，每次测试持续300 s，图的左侧为全程振动时程曲线，右侧为振动最大值出现时间附近的振动时程。

图5 冲击钻施工振动时程曲线

图6 成槽机施工的振动时程曲线

从图5中可以看到，冲击钻施工具有明显的周期特性，约6 s冲击一次（与孔的深度有关），每次冲击产生的振动持续时间很短（约0.5 s）。而成槽机施工振动没有明显的规律性。

分别对成槽机和冲击钻施工300 s全程振动数据进行频谱分析。图7为频谱分析图，从图中可以看到，成槽机施工振动的频率成分较为丰富，在11.8 Hz、15.2 Hz和32.3 Hz出现峰值，振动能量主要集中在10 Hz～25 Hz。冲击钻施工振动频率较为单一，分别在1.95和15.1 Hz时出现峰值。在振源处，二者频率分析的峰值都出现在15 Hz附近，冲击钻振动在此频率的最大值为1.65 mm/s，远远大于成槽机的0.12 mm/s。

图7 两种施工机械振动信号的频谱分析

3 施工引起的地面振动的衰减规律

图8为冲击钻施工时距离振源不同距离测点振动速度最大值。从图中可以发现，地面振动z向振动最大，x向次之，y向最小。地面振动速度随距离增大而减小，衰减趋势先急后缓，成对数曲线衰减，且在8 m处有放大。z向振动峰值在距振源16 m处，仍可以达到5.35 mm/s，远高于我国对古建筑的允许限值。成槽机产生的振动速度远小于冲击钻，在距离振源2 m处，x向振动最大，其次是z向振动，y向振动较小。

人体对振动的感觉与振动频率、振动加速度的大小有关[9]，我国对于环境振动的评估采用Z振级作为评价指标。Z振级是根据国际标准化组织建议的1 Hz～80 Hz等感度曲线进行修正后得来的。其计算公式为

图8 不同方向振动最大值随距离衰减

式中Δf为不同频率的振级修正值。

对采集到的速度信号进行微分得到振动速度信号，利用Matlab软件编写Z振级计算公式，可得到冲击钻施工时不同距离地面的Z振级，同时计算出距离成槽机履带2 m处Z振级，如图9所示。

图9 Z振级随距离的衰减及拟合

从图中可以发现：

（1）Z振级随距离增大而衰减，具有明显的对数曲线性质。利用该性质，距离的对数和Z振级进行线性拟合，可已得到Z振级衰减公式为

该拟合公式的R2=0.992 7，说明拟合曲线与实测一致性较好。可以用于预测不同距离的振动级。按照该公式，当x=272.54 m时，VLZ=75 dB，也就是说对于测点所在的区域（混合区、商业中心区）在距离振源272.54范围内，都需要考虑冲击钻的影响。

（2）成槽机施工时的振动Z振级远远小于冲击钻施工，只有79.51 dB。

4 结语

以南昌地铁1号线地下连续墙施工为工程背景，对挖槽施工中采用的两种施工机械进行了振动测试，分析了施工振动的特性和传播衰减规律，并从对文物保护建筑的影响和对居民工作生活的影响两个方面对两种施工方法进行了分析和对比。通过分析研究，可以得到以下结论：

(1)成槽机施工振动较小，对于振动敏感建筑物附近的挖槽施工应优先选用；冲击钻施工过程中会产生较大的振动，应对其可能产生的环境危害进行评估；

(2)冲击钻施工振动具有明显的周期性，产生振动主频在15.1 Hz附近。成槽机施工振动具有随机性，振动能量集中在10～25 Hz的频率范围内；

(3)冲击钻施工地面振动速度随距离增大而减小，衰减趋势先急后缓，成对数曲线衰减。z向振动峰值在距振源16 m处，仍可以达到5.35 mm/s，远高于我国对古建筑的允许限值，在研究施工方案时应予以考虑。成槽机产生的振动速度远小于冲击钻；

(4)Z振级随距离增大而衰减，成槽机施工时的振动Z振级远小于冲击钻施工。

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Field Testing andAnalysis of Environment Vibration Induced by Construction of Underground Diaphragm Walls of Subways

LIU Qing-jie1，HU Meng-da2,LEI Xiao-yan1,ZHANG Peng-fei1
(1.Engineering Research Center of Railway Vibration and Noise of Ministry of Education, East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China; 2.Nanchang Rail Transit Group Limited Corporation,Nanchang 33001,China)

During the construction of underground diaphragm walls,the vibration induced by construction machines has harmful influence on the adjacent residents and historic preservation buildings.In this paper,Nachang Metro Line1 was selected as a spot for field testing.The ground vibrations induced by two types of construction machines,impact drill and trenching machine,were measured.The characteristics and attenuation rule of the vibration were analyzed.The results show that the vibration induced by trenching machine is low,so it can be used in the vibration-sensitive areas.While the impact drill can yield large vibration,so the buildings near the vibration source will be influenced greatly by the machine.This influence should be assessed before construction planning.

vibration and wave;environment vibration;metro;underground diaphragm wall;Z vibration level

U211.3

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.030

1006-1355(2015)03-0140-04

2014－12－14

国家自然科学基金（51368021）；南昌轨道交通集团有限公司技术开发课题资助(2013001)

刘庆杰（1982－），男，河北高碑店人，博士生，主要研究方向：轨道结构动力学、铁路环境振动。

雷晓燕（1968－），男，江西丰城人，博士生导师。E-mail:xiaoyanlei2013@163.com