黃明利，伍志勇，徐 飛

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044;2.中隧集團(tuán)股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

目前，在中國越來越多的大城市正在建設(shè)和籌建自己的軌道交通。城市地鐵因安全、高效、快捷等特點(diǎn)，在人們的生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，在人口密集的大城市發(fā)展軌道交通已成為解決日益嚴(yán)重的交通問題的首選方案。城市地鐵建設(shè)受城市特殊環(huán)境的限制，要求對環(huán)境的影響降到最小，同時(shí)還應(yīng)滿足施工速度、工程質(zhì)量等要求。

在地鐵工程區(qū)間隧道的建設(shè)中，鉆爆法和軟巖式盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用越來越多。鉆爆法［1－4］作為一種傳統(tǒng)的施工方法，占用場地小、適用范圍廣、不受隧道斷面尺寸和形狀的限制，適用于各類圍巖。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件變化時(shí)，各種參數(shù)和施工工藝可隨之變化，施工設(shè)備的組裝、運(yùn)輸方便，重復(fù)利用率高，因此在工程實(shí)踐中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是采用鉆爆法施工也有一些缺點(diǎn)，施工造成的地表沉降較難控制，對地面建筑物及地下管線影響較大甚至引起破壞。同時(shí)，施工為保證無水作業(yè)要在地面施工大量的降水井，不僅提高了工程造價(jià)，還造成了對地下水的污染，而且在城區(qū)道路狹窄和地面建筑物密集區(qū)，沒有施做降水井的條件。鉆爆法由于人工開挖和支護(hù)，因此施工進(jìn)度慢，作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性差，施工的防水質(zhì)量不易保證。

盾構(gòu)法［5－9］作為一種先進(jìn)的施工方法，具有施工速度快，安全程度高，對地面的干擾小等優(yōu)點(diǎn)。但是盾構(gòu)法主要用于城市軟巖的環(huán)境中，而利用TBM機(jī)在城市硬巖環(huán)境中的施工，在國內(nèi)還沒有先例。近年來，硬巖TBM掘進(jìn)機(jī)先后在鐵路、公路建設(shè)、水利水電等領(lǐng)域廣泛采用，比如，桃花鋪隧道、大伙房輸水工程、引洮工程、錦屏水電站等工程就是其中的典型代表。［10－18］相比于鉆爆法施工，TBM施工具有明顯的優(yōu)勢。鑒于TBM施工的巨大優(yōu)勢，在重慶地鐵六號線一期中采用了開敞式TBM法施工。本文通過對其中的TBM試驗(yàn)段(里程K17+300～+600)沿線重點(diǎn)建(構(gòu))筑物以及隧道洞內(nèi)圍巖及支護(hù)等的監(jiān)控量測，對大型硬巖TBM機(jī)在城市這種特殊環(huán)境中的施工進(jìn)行重點(diǎn)試驗(yàn)研究，搞清TBM掘進(jìn)對周邊環(huán)境的影響程度，為TBM在城市環(huán)境中的應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)和資料。

1 工程概況

1.1 工程及水文地質(zhì)條件

重慶市軌道交通六號線300 m TBM試驗(yàn)段位于六號線五里店—紅土地區(qū)間(里程 K17+300～+600)，本段為雙線雙洞隧道，洞跨6 m，洞高6 m，左線與右線相距13.0 m。本段地貌上屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地面高程262～294 m，地形坡度一般5～10°，局部坡度達(dá)40°。地質(zhì)構(gòu)造上屬于龍王洞背斜東翼，線路走向與地質(zhì)構(gòu)造線走向呈大角度相交。

該段出露的地層由上而下依次為第四系全新統(tǒng)填土層(Qml4)、殘坡積粉質(zhì)粘土(Qel+dl4)及侏羅系中統(tǒng)砂溪廟組(J2S)層積巖層。隧道巖性主要為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖。該區(qū)段泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖巖石飽和抗壓強(qiáng)度12.6～17.2 MPa，砂巖飽和抗壓強(qiáng)度 29.9 ～36.7 MPa。巖體較完整，水文地質(zhì)條件簡單，基巖裂隙水，大氣降水補(bǔ)給。預(yù)測基坑單位涌水量5.5 L/(min·10 m)。隧道濕潤，圍巖級別Ⅳ級，成洞條件好。地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile

1.2 TBM試驗(yàn)段周邊建(構(gòu))筑物概況

1.2.1 地表建筑物概況

重慶市軌道交通六號線TBM試驗(yàn)段右線隧道右側(cè)外7～11 m有23F/－2F的龍庭藍(lán)天苑，采用樁基礎(chǔ)，樁徑0.90 m，基底標(biāo)高 277.1 ～278.8 m，樁底距隧道頂中等風(fēng)化巖石厚度27.2～28.9 m。

1.2.2 周邊橋梁概況

重慶市軌道交通六號線TBM試驗(yàn)段隧道在里程K17+418～+443穿過五童路接五里店立交橋臺(tái)，左線橋臺(tái)基底標(biāo)高265.0～266.2 m，右線橋臺(tái)基底標(biāo)高263.7～264.5 m，橋臺(tái)基底距隧道頂中等風(fēng)化巖石厚度18.5 ～18.9 m，大于3 倍隧道洞跨。

擬建左線隧道左側(cè)11.7～13.5 m的距離有2根五里店立交橋墩19 －1、19 －2，橋墩樁徑1.80 m，19 －1樁基底標(biāo)高258.6 m，19－2樁基底標(biāo)高257.3 m，橋墩基礎(chǔ)位于隧道開挖后潛在滑面(砂巖巖體破裂角67°)之外。

重慶市軌道交通六號線TBM試驗(yàn)段隧道在里程K17+530處穿過五里店立交一匝道橋臺(tái)，該橋臺(tái)尚未施工。根據(jù)立交設(shè)計(jì)方案，橋臺(tái)基底預(yù)計(jì)標(biāo)高273.6 m，橋臺(tái)基底距隧道頂部中等風(fēng)化巖石厚度27 m左右，大于3倍洞跨。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)形式及支護(hù)參數(shù)

本段區(qū)間隧道TBM施工段斷面采用圓形斷面，預(yù)備洞采用馬蹄形斷面，區(qū)間右線預(yù)備洞長120 m，區(qū)間左線預(yù)備洞長70 m，左、右線始發(fā)洞長20 m為圓型洞室。

TBM掘進(jìn)段，開挖斷面設(shè)計(jì)為圓形，Ⅳ圍巖占掘進(jìn)段比例的99%以上，洞室開挖直徑為6.39(最小直徑6.36)m，采用“錨－網(wǎng)－拱架－噴混凝土”支護(hù)作為初期支護(hù)，支護(hù)參數(shù)表詳見表1。襯砌混凝土采用C40，P10模筑鋼筋混凝土，厚30 cm。

左右線TBM掘進(jìn)段斷面形式見圖2。

2 監(jiān)控量測方案

2.1 監(jiān)控量測內(nèi)容

根據(jù)設(shè)計(jì)資料以及現(xiàn)場實(shí)際情況，為全面監(jiān)測TBM施工對周邊環(huán)境的影響狀況，在重慶軌道交通六號線TBM300 m試驗(yàn)段施工過程中需對場區(qū)內(nèi)及周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，見表2。

2.2 地表及洞內(nèi)監(jiān)測斷面選取

斷面選取原則:在該試驗(yàn)段所選取的斷面，要盡可能的包含不同的埋深、不同的地質(zhì)情況，地表包含五里店立交的橋臺(tái)、橋樁、高層住宅樓以及人行天橋，也有地表比較平坦開闊的斷面。為此，選取以下7中不同情況的斷面，以摸清TBM施工過程中在不同地形、不同地質(zhì)情況下圍巖的變形規(guī)律、振動(dòng)傳播規(guī)律、對地表建筑物等城市環(huán)境的影響情況。

表1 TBM掘進(jìn)段初期支護(hù)參數(shù)表Table 1 Parameters of primary support at TBM tunneling section

圖2 TBM掘進(jìn)斷面圖Fig.2 Cross-section of TBM tunneling section

表2 TBM試驗(yàn)段監(jiān)控量測必測項(xiàng)目Table 2 Monitoring items of TBM testing section

選取泥巖、砂巖和泥質(zhì)砂巖3種地質(zhì)條件進(jìn)行圍巖壓力、型鋼應(yīng)力、錨桿軸力、單點(diǎn)位移、混凝土應(yīng)力、拱頂沉降、水平收斂的監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果分析比較。

各斷面基本情況見表3。

2.3 地表及洞內(nèi)測點(diǎn)布置

隧道內(nèi)測點(diǎn)布置見圖3和圖4。

隧道內(nèi)的布點(diǎn)除在選取的7個(gè)斷面布設(shè)外，在每個(gè)斷面之間要加布一個(gè)斷面。

按照設(shè)計(jì)要求布置地表沉降測點(diǎn)如圖5所示。

表3 工程地質(zhì)分段評價(jià)Table 3 Geological estimations

圖5 地表沉降測點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of ground settlement monitoring points

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 洞周收斂和變形控制標(biāo)準(zhǔn)

洞周收斂和拱頂沉降的變形控制標(biāo)準(zhǔn)以保證圍巖穩(wěn)定性和保證襯砌施做襯砌限界為準(zhǔn)，表4中給出了設(shè)計(jì)要求不同類別的圍巖的變形控制標(biāo)準(zhǔn)參考值，結(jié)合本工程狀況，變形標(biāo)準(zhǔn)建議拱頂沉降不大于20 mm，兩幫收斂不大于30 mm。

表4 隧道變形控制參考值Table 4 Parameters of tunnel deformation control mm

3.2 微振動(dòng)測試與分析依據(jù)

根據(jù)GB 3096—2008《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》，在某規(guī)定時(shí)間內(nèi)A聲級的能量平均值又稱等效連續(xù)A聲級，用Leq表示，單位為dB。

式中:LA為t時(shí)刻的瞬時(shí)A聲級;T為規(guī)定的測量時(shí)間段。

GB 3096—2008《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于等效聲級的規(guī)定見表5。

日本煙中元弘歸納的建筑物振動(dòng)限值見表6。

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 TBM施工引起地表沉降規(guī)律分析

4.1.1 地表沉降歷時(shí)曲線

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，選取具有代表性的斷面進(jìn)行地表沉降監(jiān)測。分別為:K17+390斷面、K17+420斷面、K17+473斷面、K17+580斷面。所得各個(gè)斷面的地表沉降測點(diǎn)的沉降歷時(shí)曲線如圖6所示。

表5 等效聲級LeqTable 5 Equivalent noise levels dB

由圖6可以看出:由于采用TBM掘進(jìn)區(qū)間隧道，掌子面施工時(shí)間短支護(hù)及時(shí)，有效地控制了地表沉降，沉降速率比較小，最大沉降量均未超過4 mm。當(dāng)掌子面離監(jiān)測斷面大于5倍洞徑時(shí)變形就較為緩慢，相對于本項(xiàng)目預(yù)備洞采用礦山法施工引起的20 mm的沉降要小很多。

4.1.2 地表沉降槽曲線

K17+390、K17+420、K17+473、K17+580 斷面的橫向沉降槽隨時(shí)間發(fā)展曲線以及隧道拱頂正上方地表點(diǎn)縱向沉降曲線相似。見圖7。

由圖7看出:橫向沉降槽的范圍較小，在距隧道中線1倍洞徑處地表沉降是中線處的60%左右。掌子面超前影響范圍約22 m。各個(gè)斷面的沉降值差異較小，最大值均未超過4 mm。由圖7可知TBM掘進(jìn)機(jī)對圍巖的擾動(dòng)較小，而且TBM掘進(jìn)特點(diǎn)是隨挖隨支護(hù)，雖然掘進(jìn)速度很快，但支護(hù)比較也很及時(shí)，有效地控制了地表沉降。

表6 建筑物振動(dòng)限值Table 6 Limits of buildings vibration

4.2 TBM施工圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

4.2.1 圍巖壓力分布規(guī)律

在砂巖地質(zhì)A斷面K17+390里程、泥巖地質(zhì)C斷面K17+473里程、泥質(zhì)砂巖地質(zhì)D斷面K17+531里程每個(gè)斷面的拱頂和拱腰處各布置了1個(gè)圍巖壓力計(jì)。各點(diǎn)圍巖壓力的時(shí)間歷時(shí)曲線如圖8所示。

圖8 圍巖應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線圖Fig.8 Curves of surrounding rock stress

由圖8可看出:在開挖掌子面到初支完成這段時(shí)間內(nèi)圍巖壓力的變化最快，很快即到達(dá)峰值，最終趨于平緩。3種不同地質(zhì)條件下斷面拱頂和邊墻的圍巖壓力基本相等，三者之間的差別非常小。左右側(cè)導(dǎo)坑拱頂處(即初支拱腰部位)的土壓力最大，最大土壓力拱頂處的值為0.02～0.07 kPa。由于TBM掘進(jìn)機(jī)對周邊圍巖的擾動(dòng)很小，又能夠及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)封閉，使得拱架和周邊圍巖形成完整的支護(hù)體系，有效地減緩了周邊圍巖的松動(dòng)。

4.2.2 混凝土壓力分布規(guī)律

在砂巖地質(zhì)A斷面K17+390里程、泥巖地質(zhì)C斷面K17+473里程、泥質(zhì)砂巖地質(zhì)D斷面K17+531里程處在拱頂、邊墻分別布設(shè)1個(gè)混凝土應(yīng)力計(jì)，測試噴射混凝土的應(yīng)力。各點(diǎn)混凝土壓力的應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線如圖9所示。

圖9 噴射混凝土應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線Fig.9 Curves of shotcrete

由圖9可以看出:3種圍巖地質(zhì)條件下混凝土應(yīng)力的變化有比較大的差別，由A，C曲線可看拱頂以及拱腰基本都是受拉;但由D可以看出，拱頂和拱腰的混凝土都是受壓。(此項(xiàng)的理論分析不做重點(diǎn)研究，提出此現(xiàn)現(xiàn)象，對以后設(shè)計(jì)提供參考)。

4.2.3 錨桿軸力分布規(guī)律

為了了解在施工過程中圍巖的內(nèi)力變化情況，選取泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖條件下來監(jiān)測錨桿軸力的變化情況。在每個(gè)斷面共埋設(shè)4組錨桿軸力計(jì)，分別布設(shè)在拱頂、拱肩、拱腰和拱底處，每組3個(gè)軸力計(jì)，設(shè)在隧道圍巖0.8 m，2.2 m，3.4 m 深度處。各點(diǎn)錨桿軸力的時(shí)態(tài)歷時(shí)曲線圖如圖10所示。

由圖10可以看出:在這3種圍巖地質(zhì)條件下錨桿的軸力的變化趨勢都是一樣的，都是離斷面最近的圍巖軸力最大，越遠(yuǎn)離斷面圍巖的軸力越小;但這3種圍巖條件下最大圍巖軸力值相近，沒有較大的差別。此外，由圖10可以看出，錨桿軸力按照距離斷面的位置越遠(yuǎn)值越小，在達(dá)到2.2 m左右時(shí)錨桿軸力的值就比較小了，因此在大于2.2 m時(shí)就可以不用考慮圍巖之間的壓力。

4.2.4 初支鋼拱架內(nèi)力的分布規(guī)律

分別在K17+390、K17+580和K17+531 3個(gè)斷面鋼拱架的拱頂、拱肩、拱腰和拱底處布設(shè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)的鋼架內(nèi)外側(cè)各布設(shè)1個(gè)表面應(yīng)變計(jì)。其中在K17+390和K17+580 2個(gè)斷面上每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)(只布設(shè)一半的斷面)，在K17+531斷面上共布設(shè)了7個(gè)測點(diǎn)(全斷面布設(shè))。型鋼拱架應(yīng)力的時(shí)間歷時(shí)曲線如圖11所示。

由圖11可以看出:初支型鋼拱架的拱頂內(nèi)外側(cè)均受拉，拱腰、拱肩處外側(cè)受拉內(nèi)側(cè)受壓，其他部分鋼架內(nèi)外側(cè)均為受壓。拱頂最大應(yīng)力在22.9 MPa左右，拱肩最大應(yīng)力達(dá)59.17 MPa，拱腰最大應(yīng)力達(dá)25.9 MPa，拱底處的最大應(yīng)力達(dá)44.1 MPa。在拱架安裝的前幾天型鋼應(yīng)力計(jì)就能較快達(dá)到最大峰值，隨著掌子面的遠(yuǎn)離，型鋼應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，變化也趨于平緩。

4.3 TBM施工圍巖變形規(guī)律分析

4.3.1 洞周表面圍巖變形規(guī)律分析

1)隧道拱頂沉降規(guī)律

為了了解在施工過程中隧道拱頂沉降的變化情況，分別選取泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖條件來監(jiān)測隧道拱頂沉降的變化規(guī)律。

各斷面拱頂沉降歷時(shí)曲線見圖12。

圖12 隧道拱頂點(diǎn)沉降曲線Fig.12 Settlement curves of tunnel crown

從圖12可以看出:隧道拱頂變形累計(jì)沉降值基本在4 mm以內(nèi);拱頂沉降初始前3 d變形較大，占到了整個(gè)變形的50%以上，在7 d后沉降基本平穩(wěn)，不再顯著增加，可能與TBM施工速度較快、支護(hù)比較及時(shí)有關(guān);在距掌子面6倍洞徑后變形基本平穩(wěn);砂巖、泥巖和兩者交互段變形規(guī)律基本相同。

2)隧道洞內(nèi)凈空位移變化規(guī)律

為了了解在施工過程中隧道洞內(nèi)凈空位移的變化情況，分別選取泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖條件來監(jiān)測隧道洞內(nèi)的凈空位移變化規(guī)律。

各斷面洞內(nèi)凈空位移曲線見圖13。

圖13 隧道拱頂點(diǎn)沉降曲線Fig.13 Settlement curves of tunnel crown

從圖13可以看出:3個(gè)典型斷面水平收斂累積量基本在6mm以內(nèi);水平收斂也和拱頂沉降表現(xiàn)了類似的變化規(guī)律，前3 d變形較大，占到了整個(gè)變形的50%以上，在7 d后沉降基本平穩(wěn)，可能與TBM施工速度較快時(shí)支護(hù)比較及時(shí)有關(guān);在距掌子面6倍洞徑后變形基本平穩(wěn);砂巖、泥巖和兩者交互段變形規(guī)律基本相同。

4.3.2 深部圍巖變形規(guī)律分析

為了了解在施工過程中圍巖的位移變化情況，結(jié)合錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線變化來進(jìn)一步說明周邊圍巖的變化情況，同樣選取了泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖地質(zhì)條件，來監(jiān)測圍巖的位移變化情況。

在每個(gè)斷面的拱頂、拱肩和拱底處分別布設(shè)單點(diǎn)位移計(jì)，每組單點(diǎn)位移計(jì)在圍巖中的埋置深度分0.5，1.5，2.5，3.5 m 4 種情況。各點(diǎn)單點(diǎn)位移的時(shí)曲線見圖14。

由圖14可以看出:整體上深部圍巖變形很小，在3.5 m處圍巖基本沒有變形。深部圍巖變形從里向外逐漸增加，距表面0.5 m處變形最大為1.4 mm。這說明圍巖基本處于完好狀態(tài)，擾動(dòng)很小。

與砂巖地段相比，圍巖松動(dòng)范圍稍大，松動(dòng)圈在0.5 m以內(nèi)，整體上深部圍巖變形很小，距表面0.5 m處變形最大為3.5 mm。這說明圍巖基本處于完好，擾動(dòng)很小。

與砂巖地段和泥巖地段相比，泥巖砂巖過渡地段的松動(dòng)圈介于兩者之間，3種地質(zhì)的深部圍巖變形規(guī)律相似。

4.4 微振動(dòng)測試分析

4.4.1 TBM掘進(jìn)時(shí)橋臺(tái)振動(dòng)測試情況

TBM推進(jìn)施工參數(shù)(刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、總推力、扭矩、地質(zhì)與巖土情況)與振動(dòng)對應(yīng)關(guān)系記錄見表7，初步分析認(rèn)為刀盤轉(zhuǎn)速、地質(zhì)與巖土情況對振動(dòng)影響最大，但振動(dòng)問題相對較為復(fù)雜，隨時(shí)空、介質(zhì)等變化大，難以給出具體的影響關(guān)系。

從表7可以看出:垂直振動(dòng)速度幅值一般在4 mm/s以下，主頻12～48 Hz;水平振動(dòng)速度幅值一般在3 mm/s以下，主頻2～48 Hz。

在2009年12月19日—2010年1月15日測試期間監(jiān)測到2次來自TBM掘進(jìn)引起的橋臺(tái)振動(dòng)水平振動(dòng)速度幅值達(dá)20 mm/s，主頻19～29 Hz;22.6 mm/s(2010－01－07—08)，主頻12～26 Hz;持續(xù)時(shí)間不足30 s?？赡苤饕捎谒淼涝跇蚺_(tái)正上方有關(guān)，也可能與特定圍巖介質(zhì)、施工參數(shù)耦合而成。

4.4.2 TBM掘進(jìn)時(shí)建筑物(龍庭藍(lán)天苑房屋)振動(dòng)測試情況

為了監(jiān)測TBM掘進(jìn)時(shí)建筑物(龍庭藍(lán)天苑)振動(dòng)情況，進(jìn)行多次測試，得出當(dāng)時(shí)的振動(dòng)情況見表8。

表7 TBM掘進(jìn)時(shí)橋臺(tái)振動(dòng)測試情況Table 7 Vibration tests on abutment when TBM tunneling

表8 TBM掘進(jìn)時(shí)建筑物(龍庭藍(lán)天苑)振動(dòng)測試情況Table 8 Vibration tests on the buildings(Longtinglantian village)when TBM tunneling

從表8可以看出，TBM施工引起的龍庭藍(lán)天苑3層結(jié)構(gòu)振動(dòng)大部分情況下:

垂直振動(dòng)速度幅值一般在0.5 mm/s以下，主頻15～35 Hz;水平振動(dòng)速度幅值一般在0.4 mm/s以下，主頻15～21 Hz。

但測試中，測得垂直振動(dòng)速度幅值一般在2.149 mm/s，主頻16～30 Hz;持續(xù)時(shí)間20 s。水平振動(dòng)速度幅值一般在1.267 mm/s，主頻21～22 Hz;持續(xù)時(shí)間20 s。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本原理，在本建筑高層存在低頻震動(dòng)為5 mm/s的水平振動(dòng)。

4.4.3 不同轉(zhuǎn)速下橋臺(tái)與圍巖巖石振動(dòng)情況測試

2010年1月2 日進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下橋臺(tái)與圍巖巖石振動(dòng)情況測試，測試結(jié)果與分析見表9和圖15。

4.4.4 振動(dòng)傳播規(guī)律測試分析

主要在巖石和地面場地兩點(diǎn)，研究TBM掘進(jìn)圍巖和地表的傳播規(guī)律及測試方法。測點(diǎn)不動(dòng)，監(jiān)測TBM掘進(jìn)不同的里程(記錄刀盤到測點(diǎn)的距離)測點(diǎn)的振動(dòng)情況。記錄了TBM掘進(jìn)時(shí)振動(dòng)在圍巖傳播特性以及TBM掘進(jìn)時(shí)振動(dòng)在地面?zhèn)鞑ヌ匦?，分別見表10—表11及圖16。

表9 TBM掘進(jìn)時(shí)不同轉(zhuǎn)速下橋臺(tái)與圍巖巖石振動(dòng)情況測試Table 9 Vibration testing results of abutment and surrounding rocks under different speeds when TBM tunneling

通過監(jiān)測，初步發(fā)現(xiàn)TBM施工引起的巖層振動(dòng)在近20 m內(nèi)無明顯衰減，其影響范圍大致在120 m以內(nèi)。

通過上述現(xiàn)象及分析，初步得出如下結(jié)論:

1)TBM掘進(jìn)過程中絕大部分時(shí)間給地層的振動(dòng)很小，垂直方向振速小于5 mm/s，水平振動(dòng)頻率12～18 Hz，振速小于 4 mm/s。

2)對建筑物的影響(在龍庭藍(lán)天苑3層處，刀盤距測點(diǎn)小于20 m時(shí)測得):垂直振速小于4 mm/s，水平振速小于3 mm/s。TBM在掘進(jìn)過程中的振動(dòng)對建筑物基本沒有影響。

表10 TBM掘進(jìn)時(shí)振動(dòng)在圍巖傳播和衰減測試研究Table 10 Vibration test on surrounding rocks spread and attenuation when TBM tunneling

表11 TBM掘進(jìn)時(shí)振動(dòng)在地面?zhèn)鞑ズ退p測試研究Table 11 Vibration test on spread and attenuation on the ground when TBM tunneling

3)TBM掘進(jìn)引起的地層振動(dòng)和刀盤的轉(zhuǎn)速有明顯的關(guān)系。從不同的刀盤轉(zhuǎn)速測得的數(shù)據(jù)顯示，刀盤轉(zhuǎn)速為3.5 r/min左右，引起的橋臺(tái)振動(dòng)的水平向速度幅值最大達(dá)到22.6 mm/s(持續(xù)時(shí)間約30 s)，建筑物一層窗臺(tái)位置振動(dòng)的水平向速度幅值達(dá)到1.26 mm/s。

4)TBM掘進(jìn)過程中，刀盤附近圍巖振動(dòng)的水平向速度幅值為20.7 mm/s，豎直向速度幅值為16.9 mm/s。刀盤周邊TBM設(shè)備支架振動(dòng)加速度幅值約為2 g，動(dòng)力部分設(shè)備支架振動(dòng)加速度幅值約為0.06 g，尾部軌道振動(dòng)的水平加速度幅值達(dá)到70 mm/s2，豎直加速度幅值達(dá)到30 mm/s2。

5 結(jié)論

通過對TBM 300 m試驗(yàn)段的現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)對比分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)總體來看，TBM隧道施工的變形和受力都在控制范圍之內(nèi)，隧道圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全，施工沉降對周邊環(huán)境影響很小。

①從地表變形來看:最大沉降變形不超過4 mm，主要發(fā)生在拱頂上方，且與隧道施工掌子面位置變化存在明顯依存關(guān)系。

②根據(jù)錨桿軸力和單點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測結(jié)果和分析可知:TBM掘進(jìn)機(jī)對周邊圍巖的擾動(dòng)較小。通過錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線可以看到在開挖斷面往圍巖方向0.8 m處所測的錨桿軸力最大，2.2 m處的軸力就已經(jīng)減小，而且隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定，3.5 m處的錨桿軸力從初測開始就非常小，而且根據(jù)其錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線可以清楚的看到其軸力變化非常小，變化很平緩。

③由TBM試驗(yàn)段拱頂沉降歷時(shí)曲線、洞徑收斂歷時(shí)曲線以及型鋼應(yīng)力的歷時(shí)曲線與預(yù)留洞(采用礦山法施工)內(nèi)拱頂沉降和洞徑收斂歷史曲線相比較可知，TBM掘進(jìn)機(jī)開挖導(dǎo)致的圍巖拱頂沉降和水平收斂較小而且一般在3 d之內(nèi)就達(dá)到峰值，相比較礦山法施工的預(yù)留洞監(jiān)測的拱頂沉降和收斂值到達(dá)峰值的時(shí)間歷程較長而且跟它的施工工法有關(guān)，其最大沉降值和收斂值也大，大約是TBM掘進(jìn)機(jī)施工所導(dǎo)致的拱頂沉降峰值和水平收斂峰值的1.5～2.0倍。并且根據(jù)TBM試驗(yàn)段初支拱架內(nèi)力的監(jiān)測結(jié)果可知，監(jiān)測所得的初支拱架拱頂處的內(nèi)力最大值為56.7 MPa，比鋼筋應(yīng)力規(guī)范的警戒值和標(biāo)準(zhǔn)值小，有較大的安全儲(chǔ)備。

2)根據(jù)與TBM預(yù)備洞鉆爆法施工支護(hù)參數(shù)和變形結(jié)果比較，TBM在試驗(yàn)段支護(hù)參數(shù)存在較大優(yōu)化空間。

采用鉆爆法施工的TBM預(yù)備洞洞頂變形最大8 mm，洞周收斂最大為10 mm以內(nèi)，而TBM試驗(yàn)段拱頂最大僅為4.36 mm，水平收斂為5.04 mm。而兩者巖性基本相同。TBM段的錨桿受力和鋼拱架受力都很小，存在較大安全儲(chǔ)備。

分析發(fā)現(xiàn):TBM施工與鉆爆法相比存在以下優(yōu)點(diǎn):①洞周表面光滑，減少了應(yīng)力集中;②隧道為圓形隧道，受力很好;③支護(hù)及時(shí)。

3)TBM穿越不同巖性段隧道變形和結(jié)構(gòu)受力有所差異，但不是很顯著。通過對泥巖、砂巖和泥質(zhì)砂巖這3種不同地質(zhì)條件下各斷面的拱頂沉降、水平收斂、錨桿軸力、圍巖位移、圍巖土壓力、混凝土應(yīng)力、初支拱架內(nèi)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)其變化差異很小，基本上沒有什么較大變化。

4)TBM施工引起的巖層振動(dòng)在近20 m內(nèi)無明顯衰減，其影響范圍大致在120 m，其振動(dòng)影響不會(huì)直接造成試驗(yàn)段內(nèi)橋臺(tái)及建筑物的破壞;試驗(yàn)段內(nèi)TBM施工造成的地表噪聲一般不會(huì)引起地表顯著噪聲污染;當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為3～4 r/min時(shí)，對橋臺(tái)及周邊地表的震幅較大，當(dāng)大于4 r/min時(shí)，震幅有逐漸減小的趨勢，因此TBM正常掘進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于4 r/min。

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