劉加華 蔣 通

（1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 ，201103，上海；2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，200092，上?！蔚谝蛔髡?，高級(jí)工程師）

高科技園區(qū)或高等研究所等機(jī)構(gòu)往往設(shè)置有精密加工線或精密儀器和設(shè)備。當(dāng)城市軌道交通線路途徑上述區(qū)域時(shí)，其施工及運(yùn)營(yíng)期間引起的振動(dòng)，均有可能使上述精密設(shè)備出現(xiàn)信噪比低、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、重復(fù)性變差、準(zhǔn)確度下降，甚至不能正常工作等問(wèn)題。近年來(lái)的事例有：北京地鐵4號(hào)線近距離經(jīng)過(guò)北京大學(xué)物理試驗(yàn)樓，北京地鐵10號(hào)線途經(jīng)中國(guó)科學(xué)院微電子所，北京地鐵16號(hào)規(guī)劃線路經(jīng)過(guò)北京大學(xué)精密儀器試驗(yàn)樓，上海軌道交通2號(hào)線近距離途經(jīng)張江高科園區(qū)等。隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，將越來(lái)越多地面臨這類問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這類問(wèn)題的研究絕大部分集中在運(yùn)營(yíng)期間的振動(dòng)影響實(shí)測(cè)及分析［1－4］，對(duì)施工期間的振動(dòng)影響研究則極為少見(jiàn)。本文結(jié)合上海某工程實(shí)例，通過(guò)實(shí)測(cè)分析了軟土地層條件下采用盾構(gòu)法施工引起周邊環(huán)境振動(dòng)的水平，以及不同掘進(jìn)參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響，通過(guò)與精密儀器設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的容許振動(dòng)值進(jìn)行對(duì)比研究，為工程建設(shè)和管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 精密儀器設(shè)備的容許振動(dòng)值

容許振動(dòng)值是指保證精密儀器、設(shè)備能正常工作時(shí)其支撐結(jié)構(gòu)處的最大振動(dòng)量值。國(guó)內(nèi)對(duì)精密儀器與設(shè)備的容許振動(dòng)值在GB 50463—2008《隔振設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］中規(guī)定了光刻設(shè)備在頻域?yàn)?～80Hz范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值。目前《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》正在制定中，其中對(duì)精密設(shè)備、儀器的容許振動(dòng)值也進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定。鑒于精密儀器和設(shè)備的用途不同、制造商眾多，且隨著納米、微電子、光電等技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備制造與檢測(cè)的精度要求也在不斷提升。目前，國(guó)際上尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，引用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)為VC準(zhǔn)則和NIST－A準(zhǔn)則。VC準(zhǔn)則最早于1983年由Eric Ungar和Colin Gorden針對(duì)振動(dòng)敏感設(shè)備而提出，原應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，后由美國(guó)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)學(xué)會(huì)（IEST）所采納。該學(xué)會(huì)發(fā)布的指導(dǎo)性文件《潔凈室設(shè)計(jì)的考慮》推薦使用該準(zhǔn)則［6］，并被世界各國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所引用。VC準(zhǔn)則采用振動(dòng)速度的均方根值（RMS）作為評(píng)價(jià)量，對(duì)豎向、水平正交的兩個(gè)方向共三個(gè)軸向分別評(píng)價(jià)。NIST－A準(zhǔn)則最早于上世紀(jì)90年代由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）先進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室提出，原應(yīng)用于計(jì)量科學(xué)，后在納米科學(xué)領(lǐng)域被普遍采用。NIST－A準(zhǔn)則在1／3倍頻程中心頻率為20 Hz以上時(shí)，與VC準(zhǔn)則的VC－E曲線一致，但在20 Hz以下頻段時(shí)采用0.025μm的位移作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目概況

上海城市軌道交通線路某區(qū)間施工采用外徑6.2m的單圓盾構(gòu)，覆土厚度約12m。盾構(gòu)區(qū)間沿既有道路呈東西走向，與微振動(dòng)敏感建筑物平行。該建筑物位于線路北側(cè)，距離線路最近側(cè)的下行線162m，地面的地勢(shì)平坦空曠（見(jiàn)圖1）。該振動(dòng)敏感建筑物為12英寸規(guī)格硅片的主生產(chǎn)廠房，在鄰近線路側(cè)配置諸多精密檢測(cè)設(shè)備的失效分析實(shí)驗(yàn)室。廠方根據(jù)生產(chǎn)要求，提出設(shè)備容許振動(dòng)應(yīng)滿足VC準(zhǔn)則的VC－D曲線標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)為VC－D標(biāo)準(zhǔn)）。

圖1 某振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目平面示意圖

2.1 測(cè)試目的及步驟

測(cè)試主要目的是：在盾構(gòu)掘進(jìn)施工經(jīng)過(guò)廠區(qū)之前，對(duì)其所引起的場(chǎng)地振動(dòng)影響做出評(píng)估，據(jù)此提出相應(yīng)的措施，以保障敏感建筑物不受施工的影響。

研究工作分為兩個(gè)步驟：①在盾構(gòu)掘進(jìn)施工通過(guò)主廠房之前，在距離主廠房20m時(shí)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工的振動(dòng)影響進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，了解盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起場(chǎng)地振動(dòng)的分布特點(diǎn)，評(píng)估其對(duì)主廠房場(chǎng)地振動(dòng)的影響；并提出相應(yīng)的措施，以保障盾構(gòu)掘進(jìn)施工通過(guò)主廠房時(shí)不影響主廠房的正常生產(chǎn)。②在盾構(gòu)掘進(jìn)施工通過(guò)主廠房時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解盾構(gòu)掘進(jìn)施工振動(dòng)對(duì)主廠房生產(chǎn)的影響，并研究盾構(gòu)掘進(jìn)不同技術(shù)參數(shù)對(duì)激發(fā)環(huán)境振動(dòng)的影響規(guī)律，檢驗(yàn)所提出的相關(guān)措施的有效性。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)截取振動(dòng)速度樣本（不少于20條），計(jì)算每條速度樣本值，并取所有樣本速度的平均值作為該測(cè)點(diǎn)該時(shí)段的評(píng)價(jià)值?？傻酶鳒y(cè)點(diǎn)的東西方向、南北方向和豎向三個(gè)方向的速度1／3倍頻程的平均值。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 盾構(gòu)通過(guò)廠房前的測(cè)試

盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)廠房前第一次測(cè)線距離廠房西側(cè)邊緣約20m，其布置如圖1所示。測(cè)線上1～6號(hào)各測(cè)點(diǎn)與盾構(gòu)掘進(jìn)中心線的距離分別為3.1m、7.9 m、85.1m、93.0m、113.0m 和162.0m。

3.1.1 不同測(cè)試條件下的結(jié)果

根據(jù)測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，分為三種測(cè)試環(huán)境狀態(tài)：平靜環(huán)境狀態(tài)（即盾構(gòu)掘進(jìn)不作業(yè)，地面道路無(wú)重載車輛行駛）、盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)境狀態(tài)（即盾構(gòu)掘進(jìn)正在作業(yè)，地面道路無(wú)重載車輛行駛）和重載車輛通過(guò)地面道路狀態(tài)（盾構(gòu)掘進(jìn)不作業(yè)）。

在這三種測(cè)試環(huán)境狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振動(dòng)速度1／3倍頻程平均值分布如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可見(jiàn)：

1）平靜環(huán)境狀態(tài)下：在第1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)處存在較大的背景振動(dòng)，這是由于這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)鄰近道路，背景振動(dòng)為道路的一般車輛通行所引起；而在廠區(qū)內(nèi)的第3、4、5、6號(hào)點(diǎn)處振動(dòng)速度隨著離線路中心的距離增加而迅速衰減，各點(diǎn)振動(dòng)速度平均值均不超過(guò)VC－D標(biāo)準(zhǔn)。

2）在盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)境狀態(tài)下：臨近掘進(jìn)隧道的第1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)處顯現(xiàn)出盾構(gòu)掘進(jìn)的主要振動(dòng)頻率南北方向和豎向?yàn)閱晤l12.5Hz；東西方向?yàn)?.5Hz、6.3Hz和12.5Hz三個(gè)頻率；而在廠區(qū)內(nèi)的第3、4、5、6號(hào)點(diǎn)振動(dòng)速度迅速衰減，各點(diǎn)振動(dòng)速度平均值均不超過(guò)VC－D標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度1／3倍頻程平均值（南北方向分量）

圖3 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度1／3倍頻程平均值（東西方向分量）

圖4 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度1／3倍頻程平均值（豎向分量）

3）重載車輛通過(guò)地面道路狀態(tài)下：臨近隧道的第1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)處顯現(xiàn)出載重土方車激發(fā)出的主要振動(dòng)頻率為4～6Hz，而且測(cè)點(diǎn)速度三分量的平均值都有大幅增加（與平靜環(huán)境狀態(tài)相比，增大10倍以上；與盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)境狀態(tài)相比，增大1.7倍以上），特別是豎向振動(dòng)速度大大超過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的振動(dòng)（增大3倍以上）。盡管在廠區(qū)內(nèi)的第3、4、5、6號(hào)點(diǎn)的振動(dòng)速度依然迅速衰減，但地面重載交通使各測(cè)點(diǎn)速度三個(gè)方向分量的平均值都有大幅增加，特別是豎向振動(dòng)速度大大超過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的振動(dòng)。

3.1.2 鄰近廠房的豎向振動(dòng)

現(xiàn)對(duì)鄰近廠房的6號(hào)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析。圖5～圖7分別給出了平靜時(shí)段、盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)段和地面載重土方車通過(guò)時(shí)段所有振動(dòng)速度實(shí)測(cè)樣本的1／3倍頻程。由圖7～圖9可見(jiàn)：

1）夜間安靜時(shí)段實(shí)測(cè)結(jié)果：圖7中的粗橫線為VC－D標(biāo)準(zhǔn)，各速度樣本的1／3倍頻程都處于VC－D標(biāo)準(zhǔn)值以下；廠區(qū)場(chǎng)地的環(huán)境振動(dòng)沒(méi)有超過(guò)VC－D標(biāo)準(zhǔn)。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)段實(shí)測(cè)結(jié)果：在圖6中的樣本大多數(shù)處于VC－D標(biāo)準(zhǔn)以下，少數(shù)樣本略有超過(guò)，而平均值達(dá)標(biāo)。這表明盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)場(chǎng)地的振動(dòng)是有影響的，需要采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧绊懹邢蕖?/p>

3）地面載重土方車行駛時(shí)段實(shí)測(cè)結(jié)果：在圖7中的30個(gè)樣本均大大超過(guò)VC－D標(biāo)準(zhǔn)值，表明載重土方車對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)有很大影響。

圖5 6號(hào)測(cè)點(diǎn)處安靜時(shí)段測(cè)試結(jié)果（豎向分量）

圖6 6號(hào)測(cè)點(diǎn)處盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)段測(cè)試結(jié)果（豎向分量）

圖7 6號(hào)測(cè)點(diǎn)處地面載重土方車經(jīng)過(guò)時(shí)段測(cè)試結(jié)果（豎向分量）

3.1.3 減小施工振動(dòng)影響的措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，提出以下2項(xiàng)減振措施：

1）在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)降低掘進(jìn)速度；

2）嚴(yán)格控制載重土方車通過(guò)鄰近敏感建筑的地面道路。

3.2 盾構(gòu)通過(guò)廠房時(shí)的測(cè)試

第二次實(shí)測(cè)的目的有兩個(gè)：一是檢驗(yàn)不同盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)其激發(fā)環(huán)境振動(dòng)的影響；二是驗(yàn)證減振措施的有效性，并檢測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)時(shí)引起環(huán)境振動(dòng)是否符合VC－D標(biāo)準(zhǔn)的要求。第二次測(cè)線布置在失效分析實(shí)驗(yàn)室前（見(jiàn)圖1），測(cè)線上1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)與掘進(jìn)中心線的距離分別為63.0m、87.4m、111.0m和162.0m。

3.2.1 三種不同掘進(jìn)工況的對(duì)比

在控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度的前提下，為進(jìn)一步了解盾構(gòu)掘進(jìn)速度對(duì)地面振動(dòng)的影響，在盾構(gòu)通過(guò)隧道265、266、267環(huán)時(shí)分別采用了不同的掘進(jìn)速度，形成三種掘進(jìn)工況（具體技術(shù)參數(shù)如表1所示）。各環(huán)掘進(jìn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度1／3倍頻程如圖8～圖10所示。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)

從圖8～圖10的結(jié)果分析可得出：

1）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)（刀盤(pán)扭矩、土壓力、推力、推進(jìn)速度等）對(duì)距掘進(jìn)線路63m以外的場(chǎng)地環(huán)境振動(dòng)影響不大，三種工況下的環(huán)境振動(dòng)水準(zhǔn)大致相同。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)的地面環(huán)境振動(dòng)中，測(cè)點(diǎn)速度的三個(gè)分量大小可以此排列為豎向分量＞南北向分量＞東西向分量。在距線路中心線110m以內(nèi)場(chǎng)地上的豎向速度平均值1／3倍頻程結(jié)果略大于VCD標(biāo)準(zhǔn)，而南北向、東西向的水平速度分量滿足VCD標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)線路中心線110m以外場(chǎng)地上的南北向、東西向和豎向三分量速度平均值均滿足VC－D標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)廠區(qū)時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

圖11為盾構(gòu)掘進(jìn)施工通過(guò)廠區(qū)時(shí)失效分析實(shí)驗(yàn)室外地面（距離盾構(gòu)162m，盾構(gòu)處在265環(huán)位置）的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。圖11中，水平粗虛線為VC－D振動(dòng)限值標(biāo)準(zhǔn)，粗實(shí)線為40個(gè)振動(dòng)樣本的平均值。圖11中的數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)所測(cè)到的40個(gè)振動(dòng)樣本絕大多數(shù)未超過(guò)VC－D的振動(dòng)限值標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與建議

圖8 265環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的測(cè)試結(jié)果

1）盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)的地面環(huán)境振動(dòng)，在距離線路162m的精密儀器所在廠房附近場(chǎng)地上的豎向振動(dòng)速度1／3倍頻程平均值能滿足VC－D標(biāo)準(zhǔn)，其最大值略大于VC－D標(biāo)準(zhǔn)，而水平速度滿足VC－D標(biāo)準(zhǔn)；在距離線路85m以外場(chǎng)地上三個(gè)分量速度的平均值均滿足VC－D標(biāo)準(zhǔn)要求。振動(dòng)速度隨著與線路中心的距離增加而迅速衰減。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)（刀盤(pán)扭矩、土壓力、推力、推進(jìn)速度等）對(duì)63m以外場(chǎng)地環(huán)境振動(dòng)影響不大，三種工況下的環(huán)境振動(dòng)水準(zhǔn)大致相同。

3）在地面道路有重載車輛行駛的情況下，特別是重載土方車通過(guò)時(shí)所引起的環(huán)境振動(dòng)遠(yuǎn)大于盾構(gòu)掘進(jìn)引起的振動(dòng)，并遠(yuǎn)超過(guò)VC－D標(biāo)準(zhǔn)，需嚴(yán)格予以控制。

圖9 266環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖10 267環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖11 盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)廠區(qū)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

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