周洋 肖鵬飛 馮志耀 劉奧林 楊澤斌 王樹(shù)英

摘 要：為探明盾構(gòu)機(jī)穿越既有車(chē)站地下連續(xù)墻誘發(fā)的車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，監(jiān)測(cè)盾構(gòu)刀盤(pán)切削地連墻過(guò)程中引起的振動(dòng)，并對(duì)振動(dòng)影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，停機(jī)狀態(tài)下，背景振動(dòng)的主頻為30.8 Hz，磨墻過(guò)程中，刀盤(pán)產(chǎn)生振動(dòng)主頻為89.3 Hz，相比于背景振動(dòng)，磨墻產(chǎn)生的振動(dòng)加速度峰值和有效值至少增加一個(gè)數(shù)量級(jí)；振動(dòng)波傳遞至車(chē)站顯著衰減，加速度峰值最大衰減率能達(dá)到近98.35%；除了31.5 Hz，車(chē)站測(cè)點(diǎn)各頻段的最大振級(jí)均小于規(guī)范控制值；盾構(gòu)穿墻引起車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度為1.3 mm/s，小于國(guó)內(nèi)外規(guī)范給定的標(biāo)準(zhǔn)值。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；盾構(gòu)機(jī)；振動(dòng)；下穿；地下連續(xù)墻；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8023（2023）03-0161-11

Abstract：To investigate the vibration response law of station structure vibration induced by shield machine passing through the underground diaphragm wall of the existing station， the vibration caused by the shield cutter head cutting the underground diaphragm wall was measured by the method of field measurement， and the impact of the vibration was evaluated. The research results showed that the main frequency of the background vibration was 30.8 Hz in the stop state， and the main frequency of the vibration generated by the cutter head was 89.3 Hz in the process of cutting the wall. Compared with the background vibration， the peak value and effective value of the vibration acceleration generated by the cutting wall increased at least one order of magnitude. The vibration wave transmitted to the station was significantly attenuated， and the maximum attenuation rate of the acceleration peak value can reach nearly 98.35%. Except for 31.5 Hz， the maximum vibration level of each frequency band of the station measurement point were all smaller than the standard control value. When the shield tunneling through the underground diaphragm wall， the maximum response value of the vibration speed was 1.3 mm/s， which was less than the standard value given by domestic and foreign specifications.

Keywords：Shield tunnel; shield machine; vibration; underpass; underground diaphragm wall; field measurement

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52022112）

第一作者簡(jiǎn)介：周洋，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。E-mail： 771728502@qq.com

*通信作者：王樹(shù)英，博士，教授。研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。E-mail： sywang@csu.edu.cn

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)需求的日益高漲，盾構(gòu)法施工因其安全、高效等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為一種主要的施工方法。在地鐵隧道修建過(guò)程中，由于換乘等需求，新建地鐵隧道有時(shí)需要近距離下穿既有地鐵車(chē)站，且由于既有車(chē)站的地連墻結(jié)構(gòu)往往深入車(chē)站底板以下一定的深度，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削地下連續(xù)墻的情況。而在刀盤(pán)與玻璃纖維混凝土墻體接觸并緩慢磨墻的過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)一步地會(huì)誘發(fā)上部車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)，輕則引起車(chē)站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂痕，影響車(chē)站結(jié)構(gòu)正常使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻變形和屏蔽門(mén)脫軌等風(fēng)險(xiǎn)，危及列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全。因此有必要研究盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)磨墻引起的既有車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)于盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中誘發(fā)的振動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。王鑫等[1]通過(guò)在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)獲得了盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)下的振動(dòng)速度時(shí)程曲線(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)地層中卵石層占比越大，刀盤(pán)產(chǎn)生的振動(dòng)越大。張波等[2]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)探究了盾構(gòu)機(jī)在砂卵石層掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)規(guī)律及其傳播規(guī)律，同樣發(fā)現(xiàn)卵石含量是導(dǎo)致刀盤(pán)產(chǎn)生振動(dòng)增大的主要原因。New[3]對(duì)卡地夫電纜隧洞施工引起的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)直徑與地層條件是影響盾構(gòu)施工振動(dòng)大小的主要因素。Hiller等[4]研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中造成的地面振動(dòng)影響，并對(duì)引起的地表振動(dòng)響應(yīng)水平進(jìn)行了探究。郭飛等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，識(shí)別出盾構(gòu)施工誘發(fā)振動(dòng)主要由刀盤(pán)與地層相互作用、渣土運(yùn)輸車(chē)輛和盾構(gòu)內(nèi)部設(shè)備引起，并發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)掘進(jìn)誘發(fā)振動(dòng)頻帶較寬，主頻主要集中于20～90 Hz。郭飛等[6]依托蘭州某砂卵石地層盾構(gòu)隧道，通過(guò)隧道和地表同步采集三向振動(dòng)加速度，研究盾構(gòu)施工誘發(fā)振動(dòng)在地表50 m×50 m范圍內(nèi)的時(shí)域、頻域傳播規(guī)律。楊龍[7]利用FLAC軟件建立二維動(dòng)力分析模型，分析了TBM開(kāi)挖過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)對(duì)地表的影響較大，施工振動(dòng)的影響范圍在4～6倍洞徑內(nèi)。黃明利等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段監(jiān)測(cè)TBM掘進(jìn)時(shí)地表橋臺(tái)及圍巖巖石的振動(dòng)響應(yīng)，認(rèn)為對(duì)振動(dòng)影響最大的因素為地質(zhì)條件及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，并得到了刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。仇兆明[9]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法評(píng)估了盾構(gòu)施工誘發(fā)微電子工業(yè)廠區(qū)的振動(dòng)影響。綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于盾構(gòu)施工振動(dòng)的研究主要集中在盾構(gòu)機(jī)與土層相互作用，特別是卵石地層，以及振動(dòng)波在土層中的傳播規(guī)律。尚未有學(xué)者研究過(guò)盾構(gòu)機(jī)下穿越既有車(chē)站過(guò)程中磨墻誘發(fā)車(chē)站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題。

為此本研究依托南寧地鐵5號(hào)線(xiàn)下穿既有1號(hào)線(xiàn)廣西大學(xué)站工程，通過(guò)對(duì)下穿期間盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部以及車(chē)站進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，揭示了盾構(gòu)穿越地下連續(xù)墻誘發(fā)車(chē)站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，并依據(jù)振動(dòng)控制相關(guān)規(guī)范，對(duì)地鐵車(chē)站振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。以期提升對(duì)盾構(gòu)機(jī)磨墻穿越既有車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律及風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)水平，供今后類(lèi)似工程參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

南寧地鐵5號(hào)線(xiàn)新廣區(qū)間范圍內(nèi)主要揭露第四系、古近系及泥盆系地層，包括素填土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉砂層、圓礫層、粉砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖層，整個(gè)區(qū)間隧道的覆土厚度為10.5～20 m。地下水類(lèi)型主要包括上層滯水、第四系松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水，且地下水主要賦存于砂層及圓礫層中（圖1）。由圖1可知，下穿1號(hào)線(xiàn)廣西大學(xué)站主要穿越地層為上部圓礫土，下部粉砂質(zhì)泥巖。

1.2 隧道設(shè)計(jì)施工概況

南寧地鐵5號(hào)線(xiàn)新廣區(qū)間右線(xiàn)總長(zhǎng)1 322.9 m，區(qū)間上覆土厚度約19 m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。新建區(qū)間隧道以55°的水平夾角下穿既有廣西大學(xué)站，下穿過(guò)程中刀盤(pán)需磨穿地連墻，地連墻為C30玻璃纖維結(jié)構(gòu)，厚度為0.8 m，如圖2所示。既有車(chē)站主體為兩層三跨矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂板覆土約1.5 m，底板埋深約16.5 m，下穿段隧道拱頂與既有車(chē)站底板最小凈距僅2.6 m。

采用的是中鐵裝備的CTE6250型盾構(gòu)機(jī)，整機(jī)總長(zhǎng)約80 m，開(kāi)挖直徑6 280 mm。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的基本結(jié)構(gòu)采用準(zhǔn)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示，刀盤(pán)整體開(kāi)口率為34%，中心開(kāi)口率為38%。刀具布置如下：中心可更換撕裂刀為6把，正面可更換撕裂刀為6把，單刃滾刀為16把，單刃鑲齒滾刀為12把，邊刮刀為12把，刮刀為40把，焊接撕裂刀為12把，超挖刀為1把。

1.3 工程問(wèn)題

在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削地連墻過(guò)程中，刀盤(pán)會(huì)與玻璃纖維混凝土以及圓礫地層等介質(zhì)接觸，刀盤(pán)與其相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)波再經(jīng)地連墻直接向車(chē)站結(jié)構(gòu)傳遞，或是通過(guò)土層向車(chē)站傳播，從而誘發(fā)車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)。容易造成車(chē)站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂痕，影響車(chē)站結(jié)構(gòu)正常使用，甚至還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻變形和屏蔽門(mén)脫軌等風(fēng)險(xiǎn)，危及車(chē)站日常運(yùn)營(yíng)。并且不同的介質(zhì)與不同的掘進(jìn)參數(shù)引起的振動(dòng)是不一樣的，振動(dòng)整體呈現(xiàn)出較大的隨機(jī)性。因此刀盤(pán)磨墻是下穿期間最重要的一個(gè)施工環(huán)節(jié)，是決定工程質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

2 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

2.1.1 盾構(gòu)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)誘發(fā)的振動(dòng)較為復(fù)雜，除了盾構(gòu)刀盤(pán)磨墻引起的振動(dòng)，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部多個(gè)運(yùn)行裝備也會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，其中磨墻產(chǎn)生的振動(dòng)為主要的振源。本研究重點(diǎn)考慮的是盾構(gòu)刀盤(pán)磨墻引起的振動(dòng)，但是由于刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)和密封艙的存在，無(wú)法對(duì)刀盤(pán)直接進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試?？紤]盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的實(shí)際情況，最終選擇在靠近刀盤(pán)的人艙處設(shè)置測(cè)點(diǎn)DNZ-1，如圖4所示。測(cè)試該處的三向加速度，包括豎向加速度、橫向加速度和縱向加速度，測(cè)試儀器如圖5所示。

2.1.2 車(chē)站結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置

南寧1號(hào)線(xiàn)廣西大學(xué)站主體為兩層三跨矩形結(jié)構(gòu)形式，擬定于車(chē)站內(nèi)布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于第一道地連墻上方的軌道區(qū)，如圖6和圖7所示。其中CZZ-1和CZZ-2布置于車(chē)站負(fù)二層結(jié)構(gòu)側(cè)墻上，車(chē)站結(jié)構(gòu)側(cè)墻與地連墻相接，在盾構(gòu)機(jī)磨地連墻期間有發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此在側(cè)墻處的測(cè)點(diǎn)主要采集其垂直墻體方向的加速度信號(hào)。軌行區(qū)布置有2個(gè)測(cè)點(diǎn)，CZZ-3位于基礎(chǔ)處，CZZ-4位于鋼軌處，軌行區(qū)更多的是關(guān)注其是否會(huì)發(fā)生脫軌的風(fēng)險(xiǎn)，因此該處測(cè)點(diǎn)主要采集其豎向加速度信號(hào)，CZZ-5位于屏蔽門(mén)底座，采集豎向加速度信號(hào)。

2.2 測(cè)試方案

2.2.1 測(cè)試過(guò)程

振動(dòng)測(cè)試采用的是由MGCplus數(shù)據(jù)采集儀和Silicon Designs Model 2220系列加速度傳感器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測(cè)試時(shí)間選擇在1號(hào)線(xiàn)地鐵運(yùn)行的天窗期內(nèi)（0：00—3：00），測(cè)試對(duì)象為既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的側(cè)墻、軌行區(qū)和屏蔽門(mén)等關(guān)鍵構(gòu)件。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)即將穿越地連墻時(shí)，首先在測(cè)點(diǎn)DNZ-1和CZZ1-4位置布置加速度傳感器，并將上述加速度傳感器與采集系統(tǒng)相連接，待盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始磨墻時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制同步采集加速度數(shù)據(jù)。整個(gè)測(cè)試流程遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》（GB 10071—1988）[10]，并利用MATLAB等軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線(xiàn)校正、濾波等處理分析工作[11-12]。

2.2.2 采樣頻率的選擇

對(duì)于測(cè)試中采樣頻率的選擇，應(yīng)滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理[13]，即采樣頻率必須高于信號(hào)成分中最高頻率的2倍，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，通常希望采樣頻率大于信號(hào)頻率約5倍。對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)引起的振動(dòng)，由于無(wú)法確定其振動(dòng)信號(hào)成分中的最高頻率。因此在測(cè)試時(shí)分別將采樣頻率設(shè)置成50、100、200、300、400、600、1 200 Hz。

對(duì)各采樣頻率下振動(dòng)信號(hào)的加速度峰值及加速度有效值進(jìn)行分析，加速度峰值即指整段時(shí)間內(nèi)的加速度絕對(duì)值最大值，加速度有效值則是指該段時(shí)間內(nèi)振動(dòng)信號(hào)加速度幅值的平均值，通過(guò)式（1）計(jì)算得到

式中：arms為加速度有效值；T為測(cè)試總時(shí)間；a（t）為某一時(shí)刻的加速度值。

圖8為不同采樣頻率下振源處豎向加速度峰值及加速度有效值，由圖8可知，隨著采樣頻率的增大，二者均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)采樣頻率達(dá)到600 Hz時(shí)，采樣頻率加速度有效值基本不再發(fā)生變化，因此在振動(dòng)測(cè)試中可將采樣頻率選定為600 Hz，以保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 背景振動(dòng)

由于所測(cè)的振動(dòng)主要包含2部分，一部分是目標(biāo)振源所產(chǎn)生的振動(dòng)，這部分振動(dòng)在所測(cè)到的振動(dòng)中占主要部分；另一部分是背景振動(dòng)，這部分振動(dòng)相比于目標(biāo)振源所產(chǎn)生的振動(dòng)，雖然量值很小，但是很難避開(kāi)。在盾構(gòu)機(jī)穿越地下連續(xù)墻時(shí)，除了刀盤(pán)磨墻產(chǎn)生的振動(dòng)外，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的一些后配套設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生一些振動(dòng)，這部分振動(dòng)即為背景振動(dòng)。為了測(cè)試背景振動(dòng)，選擇在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。圖9為盾構(gòu)停機(jī)時(shí)測(cè)點(diǎn)的三向加速度時(shí)程曲線(xiàn)，由圖9可以看，出盾構(gòu)在停機(jī)狀態(tài)下也存在一定的振動(dòng)，此振動(dòng)是由于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)后配套設(shè)備運(yùn)行的影響產(chǎn)生的；豎向加速度峰值及振動(dòng)幅度均稍大于橫向、縱向加速度峰值及振動(dòng)幅度；盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下，豎向加速度峰值為0.014 7 m/s2，加速度有效值為0.003 8 m/s2；橫向加速度峰值為0.015 6 m/s2，有效值為0.002 9 m/s2；縱向加速度峰值為0.011 0 m/s2，有效值為0.001 9 m/s2。圖10為環(huán)境振動(dòng)加速度的頻譜圖，環(huán)境振動(dòng)加速度的豎向、橫向和縱向主頻基本一致，均為30.8 Hz左右。

3.2 盾構(gòu)機(jī)內(nèi)振動(dòng)分析

3.2.1 盾構(gòu)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域分析

圖11為盾構(gòu)穿越地連墻掘進(jìn)狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)處的三向加速度時(shí)程曲線(xiàn)，相比于背景振動(dòng)，穿墻時(shí)加速度振動(dòng)幅度提升了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)一步說(shuō)明了盾構(gòu)下穿地連墻時(shí)，刀盤(pán)與地連墻相互作用是產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。對(duì)該振動(dòng)信號(hào)的加速度峰值及加速度有效值進(jìn)行分析，加速度峰值即指整段時(shí)間內(nèi)的加速度絕對(duì)值最大值，加速度有效值則是指該段時(shí)間內(nèi)振動(dòng)信號(hào)加速度幅值的平均值[14]。與停機(jī)狀態(tài)相比，掘進(jìn)時(shí)豎向加速度峰值從0.014 7 m/s2增大至0.498 0 m/s2，加速度有效值從0.003 8 m/s2增大至0.077 9 m/s2；橫向加速度峰值從0.015 6 m/s2增大至0.558 0 m/s2，加速度有效值從0.002 9 m/s2增大至0.084 0 m/s2；縱向加速度峰值從0.011 0 m/s2增大至0.679 0 m/s2，加速度有效值從0.001 9 m/s2增大至0.095 6 m/s2；加速度峰值和有效值提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，變化如圖12所示。

3.2.2 盾構(gòu)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的頻域分析

圖13為盾構(gòu)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)三向加速度的頻譜圖。

在盾構(gòu)磨墻過(guò)程中，豎向振動(dòng)以30～100 Hz的中高頻為振動(dòng)主頻帶。橫向振動(dòng)同樣以30 Hz以上的中高頻為振動(dòng)主頻帶，30～100、150～230 Hz均為其主頻帶?？v向振動(dòng)則出現(xiàn)了多個(gè)主頻帶，分別為20～40、100～120、170～200、210～240 Hz，同樣為中高頻。三者的第一主頻均為89.3 Hz。

3.3 車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析

3.3.1 車(chē)站測(cè)點(diǎn)時(shí)域分析

盾構(gòu)穿越地連墻時(shí)車(chē)站測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖14所示。

由圖14可以看出，掘進(jìn)時(shí)側(cè)墻處測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2的加速度振動(dòng)幅度基本相當(dāng)，均在0.005 m/s2附近。軌行區(qū)測(cè)點(diǎn)3及測(cè)點(diǎn)4的時(shí)程曲線(xiàn)加速度出現(xiàn)了很明顯的突增現(xiàn)象，其余時(shí)刻加速度振動(dòng)幅度穩(wěn)定在0.005 m/s2處。而屏蔽門(mén)測(cè)點(diǎn)5與其他測(cè)點(diǎn)相比振動(dòng)更不穩(wěn)定，振動(dòng)幅度也遠(yuǎn)大于其他測(cè)點(diǎn)，加速度峰值達(dá)0.01 m/s2以上，表明施工振動(dòng)傳遞至屏蔽門(mén)時(shí)，由混凝土結(jié)構(gòu)到屏蔽門(mén)過(guò)程中出現(xiàn)一定增大的現(xiàn)象。

3.3.2 車(chē)站測(cè)點(diǎn)頻域分析

圖15為測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的傅里葉頻譜圖。結(jié)構(gòu)側(cè)墻2個(gè)測(cè)點(diǎn)的縱向振動(dòng)主頻在20～100 Hz頻段。軌行區(qū)2個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)以中高頻為主，測(cè)點(diǎn)3的主頻帶為30～90 Hz，測(cè)點(diǎn)4的主頻帶為65～95 Hz，140 Hz也有分布。與盾構(gòu)測(cè)點(diǎn)相比較，振源振動(dòng)傳遞至車(chē)站豎向振動(dòng)主頻衰減不明顯，仍以中高頻為主，而縱向振動(dòng)100 Hz以上的高頻傳遞至車(chē)站后大幅衰減。

3.4 振動(dòng)衰減

從上述加速度時(shí)程曲線(xiàn)中提取峰值加速度，對(duì)比分析從盾構(gòu)機(jī)內(nèi)到車(chē)站結(jié)構(gòu)處加速度峰值的變化情況，峰值加速度衰減率（η）[15]定義為

式中：ac為盾構(gòu)機(jī)內(nèi)振源處的加速度峰值；ad為車(chē)站結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值。

由圖16和圖17可知，從盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部振源位置到既有車(chē)站的各測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)波均發(fā)生顯著衰減，其中側(cè)墻上2側(cè)點(diǎn)的峰值加速度衰減率為98.35%（CZZ-1）和98.25%（CZZ-2）；軌行區(qū)2側(cè)點(diǎn)的峰值加速度衰減率為93.8%（CZZ-3）和90.96%（CZZ-4）；屏蔽門(mén)底座上測(cè)點(diǎn)的峰值加速度衰減率為71.49%。屏蔽門(mén)相比于其他測(cè)點(diǎn)加速度衰減的要小，是因?yàn)槠帘伍T(mén)采用不銹鋼材質(zhì)布置于站臺(tái)邊緣，其自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，因此在微弱的振動(dòng)激勵(lì)下也能產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)。

4 車(chē)站振動(dòng)的環(huán)境與安全評(píng)價(jià)

4.1 環(huán)境評(píng)價(jià)

1/3倍頻程譜是一種常用的振動(dòng)測(cè)試頻域分析方法[11]。1/3倍頻程濾波器是恒百分比帶寬濾波器，其定義為

式中：fu為恒百分比帶寬濾波器的上限頻率；fl為恒百分比帶寬的下限。

1/3倍頻程表示在任意2個(gè)相差1倍的頻率內(nèi)正好有3個(gè)帶寬[16]。橫百分比帶寬分析下的中心頻率fc表示為

現(xiàn)有研究扣除背景振動(dòng)的方法常采用振級(jí)修正法[17-18]。根據(jù)我國(guó)頒布的《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]，加速度振級(jí)的定義為

式中：La為振動(dòng)加速度級(jí)，dB；ar為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度值，a0=10-6m/s2。

在評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，常常將振動(dòng)加速度級(jí)轉(zhuǎn)化為振級(jí)（VLZ）。其定義為

式中：La，i為第i個(gè)中心頻率上所測(cè)得的振動(dòng)加速度級(jí)，dB；Wi為該頻率上的記權(quán)因子，dB。

進(jìn)一步地，可以計(jì)算扣除環(huán)境振動(dòng)盾構(gòu)振動(dòng)，公式為

式中，VLZ、VLZ1和VLZ2分別代表包含背景振動(dòng)的盾構(gòu)振動(dòng)、背景振動(dòng)和扣除背景振動(dòng)后的盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)。

對(duì)車(chē)站內(nèi)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行1/3倍頻程計(jì)算，得到各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程振級(jí)結(jié)果如圖18所示。結(jié)構(gòu)側(cè)墻（高）和結(jié)構(gòu)側(cè)墻（低）的縱向加速度低頻振級(jí)要大于中高頻振級(jí)，而道床基礎(chǔ)以及鋼軌的豎向加速度振級(jí)均在25 Hz處達(dá)到最大，屏蔽門(mén)處的最大豎向加速度振級(jí)位于31.5 Hz處，最大值為77.97 dB。地鐵車(chē)站附近為商業(yè)住宅混合區(qū)，根據(jù)GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[20]規(guī)定，混合區(qū)的晝夜振動(dòng)加速度振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值分別為75、72 dB，車(chē)站測(cè)點(diǎn)各頻段的最大振級(jí)均小于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值。盡管車(chē)站測(cè)點(diǎn)多數(shù)頻段的最大振級(jí)小于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，但31.5 Hz處的振級(jí)可能會(huì)超出規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，建議磨墻期間有必要采取合適的減振措施來(lái)減小因盾構(gòu)磨墻引起車(chē)站振動(dòng)的影響。

4.2 結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

對(duì)振動(dòng)加速度進(jìn)行積分，得到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，其中車(chē)站結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)速度達(dá)1.3 mm/s，如圖19所示。國(guó)內(nèi)外對(duì)于建筑物的安全振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)陸續(xù)實(shí)行了一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)頒布的《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]中則明確規(guī)定了地鐵結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度安全控制指標(biāo)值需小于或等于2.5 cm/s。總的來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)穿墻引起車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最大響應(yīng)值顯著小于規(guī)范給定的標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明盾構(gòu)穿墻對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響不是很大。

5 結(jié)論

依托南寧地鐵5號(hào)線(xiàn)下穿既有1號(hào)線(xiàn)廣西大學(xué)站工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試獲得盾構(gòu)穿越地連墻期間盾構(gòu)機(jī)內(nèi)及車(chē)站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，探究盾構(gòu)磨墻誘發(fā)的車(chē)站振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，并進(jìn)行了相應(yīng)的振動(dòng)評(píng)價(jià)，得到了以下主要結(jié)論。

1）盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下，背景振動(dòng)的豎向加速度峰值及振動(dòng)幅度均稍大于橫向、縱向加速度峰值及振動(dòng)幅度，三者的主頻基本一致，均為30.8 Hz左右。在盾構(gòu)機(jī)磨墻過(guò)程中，三向加速度的峰值和有效值至少增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中豎向加速度峰值為0.498 m/s2，橫向加速度峰值為0.558 m/s2，縱向加速度峰值為0.679 m/s2，三者的主頻均為89.3 Hz左右。

2）振源振動(dòng)經(jīng)由地連墻以及地層的傳遞至車(chē)站產(chǎn)生了顯著衰減，其中側(cè)墻上兩側(cè)點(diǎn)的加速度峰值的衰減率為98.35%（CZZ-1）和98.25%（CZZ-2）；軌行區(qū)兩側(cè)點(diǎn)的加速度峰值的衰減率為93.8%（CZZ-3）和90.96%（CZZ-4）；屏蔽門(mén)底座（CZZ-5）上測(cè)點(diǎn)的加速度峰值的衰減率為71.49%。

3）從車(chē)站測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程振級(jí)圖可以看出，結(jié)構(gòu)側(cè)墻處的縱向加速度低頻振級(jí)要大于中高頻振級(jí)，道床、鋼軌及屏蔽門(mén)處的最大豎向加速度振級(jí)位于中頻段。車(chē)站測(cè)點(diǎn)多數(shù)頻段的最大振級(jí)小于規(guī)范所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，但31.5 Hz處的振級(jí)仍有可能會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)值。

4）盾構(gòu)穿墻引起車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度最大響應(yīng)值為1.3 mm/s，小于國(guó)內(nèi)外規(guī)范給定的標(biāo)準(zhǔn)值。

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