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原文传递地铁隧道双护盾TBM施工振动影响规律及预测模型研究

论文题名：	地铁隧道双护盾TBM施工振动影响规律及预测模型研究
关键词：	地铁隧道;双护盾TBM;振动特性;预测模型
摘要：	TBM以其掘进速度快、自动化程度高已经广泛应用到青岛、重庆等硬岩为主的城市地铁隧道施工中。然而TBM的广泛应用，使得其产生的施工振动问题也日益突出，尤其是双护盾TBM。双护盾TBM施工振动严重干扰隧道沿线居民的日常生活，甚至出现居民因震感强烈而引发集中信访等社会民生问题。双护盾TBM引入到城市地铁施工时间不长，其振动产生的机理、传播衰减特征及振动影响规律亟待进一步研究和探明。基于此，本文依托青岛地铁四号线某地铁隧道双护盾TBM施工区间，采用现场监测、理论分析、数值计算，及智能算法等，研究了地铁隧道双护盾TBM施工振动影响规律及预测方法。本文主要研究内容及成果如下: 　　(1)通过开展双护盾TBM不良地质段振动加速度现场监测，研究了不同施工工序下振动峰值加速度和加速度有效值，分析了TBM施工振动的时程、频谱和时频特性。研究表明，双护盾TBM掘进阶段产生的峰值加速度是其他工序的10倍，TBM施工振动主要是由开挖掘进引起的。双护盾TBM施工振动持续时间约为1800s,X,Y,Z向振动步调一致，振动加速度均随掘进的开始而增加，随后趋于平稳，最后随掘进的结束而减小，峰值加速度均出现在平稳阶段。X,Y,Z向峰值加速度最大分别为174.57mm/s2,122.97mm/s2,207.60mm/s2,振动的频率主要集中在10～60Hz的中频段，且双护盾TBM施工振动不具有时变特性，振动频谱与振动持续时间无关。　　(2)研究了双护盾TBM施工振动在素填土、中粗砂及花岗岩三种地层中的传播特性，揭示了TBM施工振动加速度在不同地层中的衰减规律。分析了三种不同地层的频谱和倍频程谱，得到了TBM施工振动频谱随空间距离的变化规律。结果表明，不同地层中振动加速度最大值方向不同，双护盾TBM振动监测需考虑三向振动。TBM到达监测段面前，振动加速度随刀盘距监测断面距离减小而逐渐增加，到达监测断面时达到最大，穿过监测断面后迅速减小。素填土中振动加速度在-20m和-10m存在两个振动放大区，中粗砂和花岗岩中仅在-20m存在振动放大现象，且中粗砂放大幅值较花岗岩中大。加速度有效值与峰值加速度衰减规律相似。素填土和中粗砂中存在多个频率峰值，花岗岩频谱呈宽频带分布，无明显峰值。随着刀盘距离监测断面距离增加，振动主频由高频段向低频段移动。三种地层振动能量主要集中在25～50Hz。　　(3)评价了不同计权方式在TBM施工振动中的适用性，研究了Z振级和分频最大振级两种频率计权振级随空间距离的变化特征，基于两种计权振级确定了双护盾TBM隧道施工环境振动的精确影响范围。结果表明，双护盾TBM施工环境振动影响纵向距离大于横向，夜间影响距离大于昼间，隧道轴线8m范围内纵向影响距离更远。特殊住宅及居民区纵向影响范围超过70m,商业中心纵向影响距离为50m,工业集中区纵向影响范围为30m,且存在卫星影响区。基于数值模态方法，计算了建筑文物主要振型，分析了TBM施工振动不同方向激励下建筑文物动态响应特征。研究表明，双护盾TBM施工振动对古建筑等文物存在影响。单向峰值激励下建筑文物的总变形和等效应力均较小，竖向激励下建筑文物室内地面存在应力集中和振动超限。双护盾TBM下穿建筑文物最有利角度为150°，角度为90°时最为不利，横向最小的安全距离为20m。　　(4)研究了推力、扭矩、转速、贯入度和掘进速度五种主要掘进参数与振动加速度的散点关系，采用Spearman相关系数法得到了推力与振动加速度相关系数为0.72～0.76,扭矩与振动加速度的相关系数为0.47～0.61,分别属于强相关和中等程度相关。通过显著性P值检验，推力、扭矩与振动加速度的相关性显著。改进了GA-BP神经网络算法，建立了三种基于掘进参数的振动加速度预测模型，通过对比分析得到引入掘进参数可以提高振动加速度预测模型的精度，基于推力和距离的振动加速度预测模型均方误差最小，预测效果最佳。最后，结合实际工程验证了振动加速度预测模型的准确性。
作者：	卢泽霖
专业：	岩土工程
导师：	王旭春
授予学位：	博士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023