城市地铁开敞式TBM施工振动研究

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  摘要:重庆市轨道交通六号线五里店站-山羊沟水库节点工程为开敞式TBM掘进工程。本文把第一个区间前300m作为试验段(里程K17+300~K17+600),对附近的建筑物、桥台以及构筑物等进行了振动的监测和对比分析,通过大量细致的测试工作,获得了重庆市轨道交通六号线一期TBM试验段(第一个区间前300m)振动信息的测试数据,并进行了初步的单体振源振动特性分析及TBM施工过程中沿线建筑物与桥台的振动状态分析,初步得到了六号线一期TBM施工对沿线建筑物与桥台造成的振动影响的特点和规律。
  这是TBM首次应用于城市轨道交通,研究成果为TBM在类似工程中的应用积累了宝贵的经验和参考价值。
  关键词:TBM;振动;监测与分析;
  Abstract: Chongqing rail transit line 6 five-mile store stand - node project of goat ditch reservoir for open type TBM tunneling engineering. This article 300 m as the test section before the first interval (mileage K17 + 300 ~ K17 + 600), in nearby buildings, abutment and the structures of the vibration monitoring and analysis, through a large amount of detailed testing work, won the test section of Chongqing rail transit line 6 issue of TBM (300 m) before the first interval vibration information of the test data, and the vibration characteristic analysis and the initial monomer source during TBM construction of buildings along the abutment and the vibration state analysis, preliminary obtained the line 6 issue of the abutment and TBM construction of buildings along the impact vibration characteristics and laws.
  This is the first time TBM applied in urban rail transit, the research results for the TBM application in similar projects has accumulated valuable experience and reference value.
  Key words: TBM; Vibration; Monitoring and analysis;
  中图分类号:U231+.4文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  1 引言
  重庆市轨道交通六号线一期TBM试验段工程是我国首次采用开敞式TBM开挖的城市地铁隧道,隧道沿线地面交通复杂、高层建(构)筑物众多。
  开敞式TBM作为一种先进的隧道开挖成套设备,在硬岩隧道建设中起着重要作用。但是,在TBM掘进施工过程中,刀盘切屑围岩,以及TBM各设备部件的运行振动等均会引起围岩的振动。这种振动经过围岩介质的传播,将会对工程沿线的建构筑物以及对振动敏感的设备等造成影响。这种影响的强烈程度与振源振动强度、地层的力学性能、建(构)筑物或设备的动力学特性等密切相关[11-12]。
  通过技术分析、文献调研和市场信息调查,最终选取了三套测试系统来完成该工程试验段振动测试分析工作:第一套为适合围岩(地层)振动采集的高精度低频振动测试系统,适合地层、桥台结构等多种测试对象,可全天候动态记录;第二套为适合建(构)筑物振动采集的中低频振动测试系统,适合一般建筑物、桥梁结构等测试对象;第三套为适合机器设备振动采集的高精度高频振动测试系统,适合TBM设备本身及临时轨道结构等测试对象,可形成固定测站或流動测站。
  2研究对象工程概况
  2.1工程概况
  重庆轨道交通六号线一期TBM试验段(五里店~山羊沟敞开段),线路设五里店站、红土地站、黄泥滂站、红旗河沟站、花卉园站、大龙山站、冉家坝站、光电园站共计8个车站。标段隧道全长约11.45km。开敞式TBM纯掘进长度为8091m(双线延米)。
  本次研究选取该工程第一个区间右线开敞式TBM掘进前300米(K17+300~K172+600)作为测试的对象。测试对象为双洞双线隧道,隧道设计为圆形,直径6.28m,线间距13.0-17.0m。隧道围岩为砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩。隧道埋深20~45m,深埋隧道。隧道围岩基本级别为IV级,成洞条件好[11-12]。
  2.2测试对象沿线周边建构筑物情况
  (1) 地表建构筑物情况
  试验段隧道右侧外7~11m有23F/-2F的龙庭蓝天苑楼房,采用桩基础,桩径0.9m,基底标高277.1m~278.8m,桩底距隧道顶中等风化岩石厚度27.2~28.9m[11-12]。
  
  
  图2.2-1龙庭蓝天苑图2.2-2地面立交桥桥面交通情况
  (2) 测试对象沿线立交桥情况
  隧道在里程K17+418~K17+443穿过五童路接五里店立交桥台,左线桥台基底标高265.0~266.2m,右线桥台基底标高263.7~264.5m,桥台基底距隧道顶中等风化岩石厚度18.5~18.9m,大于3倍隧道洞跨[11-12]。
  左线隧道左侧11.7~13.5m的距离有2根五里店立交桥墩19-1、19-2,桥墩桩径1.80m,19-1桩基底标高258.6m,19-2桩基底标高257.3m,桥墩基础位于隧道开挖后潜在滑面(砂岩岩体破裂角67)之外[11-12]。
  3 振动研究的目的与任务
  测试目的主要分析TBM掘进施工对沿线建(构)筑物、桥台、围岩及TBM设备的振动影响,为后续类似工程起到借鉴作用。测试的主要内容为开敞式TBM掘进造成研究测试对象振动的规律。
  通过现场踏勘、量测和比较研究,大致得出沿线建构筑物与桥台的特点,并简要分析在TBM停机状态下,现状振动的振源及引起的振动因素。在分别分析和测试不同振源对沿线建筑物和桥台的振动贡献后,初步推测TBM施工产生的地表建构筑物与桥台振动规律。
  4振动测试的依据及测试方案
  4.1测试分析的依据
  本次研究参考了国内及国际上主要几个国家的相关规范标准标准。例如国内《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJG/T170-2009)、《城市区域环境振动标准》、《城市区域环境噪声测量方法》(GB/T 14623-93)、《城市区域环境噪声标准》(GB3096-93)等等。国际标准主要参考了德国标准DIN4150(1996)、 ISO推荐的建筑物振动标准、英国标准BS7385、日本的振动控制标准、瑞士标准SN640312(1992)等等
  笔者基于国内外标准制定了本次振动测试相关标准或依据[11-12]:
  1)振动影响控制指标一般采用峰值振动速率,因为属性为低频段的结构对振动的响应以振动速率比较显著。此外,振动能量的大小通过振动速率能直接反映出来,结构的破坏也能很的反映。
  2)国际上一般根据建构筑物的损坏情况,把振动对建筑的影响分为以下几类:①对建构筑基本不破坏;②对建构筑物外观上产生细小的裂缝;③对建构筑物产生轻度影响(比如出现疲劳裂缝或装饰开裂等);④对建构筑物产生严重损害,结构出现较大的裂缝。
  3)根据以上因素的考虑,在参考国内、国际标准的基础上。提出了适合于重庆地区开敞式TBM掘进施工引起的沿线建构筑物结构安全和正常使用的振动控制标准:
  ①如果结构振动速率峰值小于3.5 mm/s,则对结构的正常使用及结构的耐久性没有影响,不用采取预防措施;
  ②如果结构振动速率峰值在3.5~5mm/s之间,则对正常使用和耐久性有一定影响,但影响很小,主要依据该结构的重要性来决定是否采取预防措施;
  ③如果结构振动速率峰值位于5~10mm/s之间,则对结构的正常使用和耐久性有很大得影响,需要采取相应的预防措施;
  ④如果结构振动速率峰值大10 mm/s,则对结构的正常使用和耐久性斗有很大的影响,必须采取相应的预防措施。
  4.2振动测试方案
  本次测试研究的主要对象包括:龙庭蓝天苑(高层)、开敞式TBM设备、隧道围岩、五里店立交桥至五童路段道路主1线20号左右桥台。
  笔者从振动理论研究角度出发,针对不同的研究对象,选择了不同的位置进行测试,使得研究很有针对性。并且,这次研究的对象空间跨度大、研究的时效性要求高,为此笔者制定了详细的测试方案,并在现场进行详细测点布置。
  5 振动测试设备及仪器的选择
  5.1测振仪
  本次研究选择了941B型、891-Ⅱ型及891-4型等三种型号的测振仪,三种型号的测振仪都采用无源闭环伺服技术,在超低频特性上获得良好的效果。测振仪设有加速度、小速度、中速度及大速度四个档位。
  5.2 信号采集分析系统
  北京交大和中国地震局工程力学研究所一起开发的G01NET振动测试通用数据采集分析系统作为本次测试信号采集与分析系统。
  本系统包含两个部分:软件和采集仪。软件由数据的采集、信号的分析、模拟形态分析、虚拟的电压表及示波器等组成。采集仪采用NET总线、最高总采样率可以高达到400KHz的16/32通道的数据采集仪器。
  5.3 测试原理
  ⑴ 测振仪[11-12]
  941B型测振仪属于动圈往复式测振仪。测振仪原理如图5.3-1所示,图中Km为微型拨动开关。
  测振仪的测量方向分为垂直向和水平向。H代表水平向,V代表垂直向,水平向和垂直向测振仪测振时应按图5.3-2所示放置。
  
  
  图 5.3-1测振仪原理
  
  
  铅垂向水平向
  图5.3-2 测振仪测量方向图
  (2)放大器
  放大器是用作放大、积分、滤波和阻抗变换。
   (3) 使用方法
  ① 接通电源
  先将电源选择开关K6置于所需位置。如使用交流电源,则把电源电缆的交流插头(三芯)与市电(220VAC)连接,如使用直流电源,则把电源电缆的直流电源线按红接正、黄接负、屏蔽层接地与蓄电池连接,然后将电源电缆插头(七芯)插入放大器电源插座上。将电源开关K 5置于开(此时发光二极管--LED亮),并将表头功能开关K l依次置于“E +”“E -”位置,通过表头检查电源电压是否正常。
  ② 测振仪与放大器的使用
  A.测振仪的安装与调节
  在把测振仪的拨动开关置于适当位置之后,把测振仪与被测点用粘合剂固结牢,并使水平测振仪基本放置呈水平,豎直向测振仪的几何轴线与水平面大致呈垂直,然后将测振仪的输出端与放大器的输入插座相连。
  B.放大器各功能开关的应用
  根据需要把通频带选择开关K4置于相应档位。
  根据需要,把参数选择开关(K3)置于相应档位。
  根据所需振动信号大小,把放大倍数开关K 2置于合适的档位。
  ③ 与记录器配接
  A.与数据采集系统配接
  配按时应注意共地,以免发生串线现象,使用时把所测参量(位移、速度、或加速度)、量纲(m、m/s或m/s2)及测振仪整机灵敏度输入系统中。在时域分析或频率域分析的结果中,自动消去其程控放大器的放大倍数。
  B.与磁带记录器配接
  配接时应注意共地,以防止发生串线现象。整套仪器(包括磁带记录器)灵敏度主要包括:加速度灵敏度、速度灵敏度、速度幅值、位移灵敏度及位移幅值等。
  6TBM试验段振动频谱分析
  6.1 频谱分析目的
  通过重庆市轨道交通六号线一期TBM试验段振动频谱分析,得到试验段沿线建构筑物(龙庭蓝天苑)与桥台(五里店立交桥至五童路段道路主1线20号左右桥台)的振动基本规律。对其频谱特性的分析,可以为重庆市轨道交通六号线一期TBM试验段以及类似工程TBM掘进施工的振源特性提供依据,并且,可对重庆地铁六号线一期开敞式TBM施工及类似工程施工引起的沿线建构筑物结构的振动危害预测提供依据。
  6.2 频谱分析
  根据振动测试方案,笔者对测试不同的对象在不同工况下进行了详细监测。如:
  (1) 地表交通引起工程沿线建筑物与桥台振动情况测试分析:
  在TBM完全关机状态下,测得建筑物与桥台振动波形,分析处理后得到典型时程曲线和频谱分析曲线。
   (2) TBM开机掘进时,在不同的设备掘进参数(刀盘转速、主推力、刀盘贯入度、刀盘扭矩等)、不同地质情况下,建筑物及桥台等的振动情况测试分析。测得建筑物与桥台振动波形,分析处理后得到典型时程曲线和频谱分析曲线。
  7TBM试验段振动分析与结论
  7.1 TBM试验段振动测试分析
  
  (1) 开敞式TBM施工时桥台振动测试情况
  开敞式TBM掘进不同参数(刀盘转速,贯入度,主推力,扭矩,地质情况等)与振动对应关系记录如表7.1-1。
  表 7.1-1 开敞式TBM掘进时桥台振动测试情况
  
  
  结合表中测试结果,初步分析认为开敞式TBM掘进参数不同,特别是刀盘转速、地质情况不同对振动影响较大,但振动问题相对较为复杂,随时空、介质等变化大,很难给出具体的影响关系。
  
  
  
  (2) TBM掘进时龙庭蓝天苑楼房(三楼)振动测试
   为了监测TBM掘进时建筑物振动情况,进行多次、反复测试,得出建筑物的振动情况如表7.1-2。
  表7.1-2 开敞式TBM掘进时龙庭蓝天苑楼房振动测试情况
  
  
  (3) 开敞式TBM掘进时龙庭蓝天苑一楼振动测试情况
  表7.1-3 开敞式TBM掘进时龙庭蓝天苑一楼振动测试情况
  
  
  (3) 开敞式TBM掘进不同刀盘转速下桥台振动情况测试
  在研究过程中,笔者进行了不同刀盘转速下桥台振动情况测试,测试结果与分析见表7.1-4。
  表7.1-4 開敞式TBM掘进时不同刀盘转速下桥台振动情况测试
  
  
  图7.1-1开敞式TBM掘进不同刀盘转速桥台振动情况曲线图
  
  
  (4)开敞式TBM掘进时建筑物、桥台振动最大值
  表7.1-5 开敞式TBM掘进时围岩、桥台振动最大值
  
  
  表7.1-6 开敞式TBM掘进时建筑物(龙庭蓝天苑)振动最大值
  
  
  7.2 开敞式TBM掘进引起各对象振动测试结论
  (1) 开敞式TBM掘进过程中绝大部分时间给地层的振动很小,垂直方向振速<5mm/S,水平振速<4mm/S,振动频率12~18HZ。
  (2)根据测试结果分析,开敞式TBM在掘进过程中引起的振动对建(构)筑物基本没有影响。
  (3) 开敞式TBM掘进引起的振动和刀盘的转速有明显的关系。从不同的刀盘转速测得的数据显示,刀盘转速在3.5转/min左右时,引起的建(构)筑物振动的水平向速度幅值最大。
  (4) 开敞式TBM施工引起的围岩振动在近20m内无明显衰减,其影响范围大概在120m以内,引起的振动影响不会直接造成沿线附近建(构)筑物的破坏。
  
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