T/CI489—2024敞開式TBM施工隧道振動監(jiān)測技術規(guī)程TechnicalspecificationforvibrationmonitoringinopenTBMtunnel2024-09-02發(fā)布2024-09-02實施發(fā)出布發(fā)出布版Ⅰ前言 Ⅲ 2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4基本規(guī)定 5監(jiān)測設備 6振動監(jiān)測程序 7數據處理程序 8報告編制 附錄A（資料性）敞開式TBM振動監(jiān)測主要設備的規(guī)格參數 附錄B（資料性）常用敞開式TBM振動數據處理方法 附錄B（資料性）常用敞開式TBM振動數據處理方法 ⅢT/CI489—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由東北大學提出。本文件由中國國際科技促進會歸口。本文件起草單位：東北大學、川藏鐵路技術創(chuàng)新中心有限公司、北方重工集團有限公司、中鐵隧道局集團有限公司、中鐵第一勘察設計院集團有限公司、中國水利水電第十四工程局有限公司、中鐵十二局集團有限責任公司、中國科學院武漢巖土力學研究所、曼徹斯特大學、中鐵二院工程集團有限責任公司、四川華能瀘定水電有限公司、廣西大學、中國電建成都勘測設計研究院有限公司、中國水利水電第三工程局有限公司、四川公路橋梁建設集團有限公司、中國水利水電第十一工程局有限公司。1T/CI489—2024敞開式TBM施工隧道振動監(jiān)測技術規(guī)程本文件規(guī)定了敞開式TBM關鍵部位及掌子面后方圍巖振動監(jiān)測與數據處理的方法與技術要求。本文件適用于敞開式TBM關鍵部位（刀盤、撐靴、護盾）的振動監(jiān)測，也應用于敞開式TBM開挖振動效應引起掌子面后方圍巖表面振動監(jiān)測。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。JJG676測振儀檢定規(guī)程3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。敞開式TBM關鍵部位keypositionofopenTBMTBM（全斷面硬巖掘進機：TunnelBoringMachine）施工過程中與圍巖接觸，其振動可引起圍巖性質敞開式TBM施工振動TBMvibration敞開式TBM在掘進過程中刀盤不斷切削擠壓巖體產生一種波并呈球形向周圍巖體擴散引起圍巖振動。敞開式TBM振動有害效應adverseeffectsofTBMvibration敞開式TBM振動對掌子面附近圍巖產生擾動引起的地質災害如塌方、巖爆等地質災害和主軸承、主驅動電機等機械構件設備等振動引起的有害效應。質點振動速度particlevibrationvelocity在敞開式TBM施工引起的振動作用下，介質中的質點在其平衡位置做往復運動的速度。質點振動加速度particlevibrationacceleration敞開式TBM施工振動引起質點振動的加速度。主振頻率mainvibrationfrequency介質質點振動幅值-頻率曲線中最大幅值對應的頻率。2T/CI489—2024直接或間接設置在監(jiān)測對象上并能反映其振動變化特征的觀測點。4基本規(guī)定4.1敞開式TBM振動監(jiān)測分為敞開式TBM關鍵部位振動監(jiān)測和敞開式TBM開挖擾動圍巖振動監(jiān)測。4.2敞開式TBM振動監(jiān)測可采取連續(xù)更換傳感器無線監(jiān)測和長期有線監(jiān)測兩種方式。4.3振動監(jiān)測應采取儀器監(jiān)測、宏觀調查和巡視檢查相結合的方法。4.4振動監(jiān)測主要包括質點振動速度和質點振動加速度等監(jiān)測。4.5監(jiān)測前進行現場踏勘及掘進資料收集，應編制監(jiān)測實施方案，包括工程名稱、工程概況、測點位置、監(jiān)測范圍、監(jiān)測方法、監(jiān)測設備、監(jiān)測步驟和預期成果等內容。5監(jiān)測設備5.1振動監(jiān)測設備測試等級應優(yōu)于JJG676要求，監(jiān)測設備采集速度和加速度范圍、采樣頻率、采樣精度應滿足采集要求，敞開式TBM振動監(jiān)測主要設備的規(guī)格參數詳見附錄A。5.2監(jiān)測設備投入使用前，應經過檢定和校準，監(jiān)測過程中應定期進行監(jiān)測設備的維護保養(yǎng)。5.3監(jiān)測設備的安裝應滿足敞開式TBM振動監(jiān)測方案、監(jiān)測目的和施工要求。5.4振動監(jiān)測設備工作溫度、防護等級、尺寸大小適應現場惡劣施工條件，并符合下列規(guī)定：a）傳感器監(jiān)測頻率范圍應符合監(jiān)測要求；b）監(jiān)測儀器防塵、防潮性能應滿足IP65防護等級要求，耐高溫和低溫性能宜滿足-20℃~50℃的監(jiān)測環(huán)境要求；c）在含瓦斯隧道中監(jiān)測時振動傳感器應滿足現場防爆等級要求。6振動監(jiān)測程序6.1一般規(guī)定6.1.1敞開式TBM振動監(jiān)測選取的試驗段應具有典型性，監(jiān)測結果應能滿足測試目的且能為后續(xù)室內試驗、數值模擬提供依據。6.1.2敞開式TBM圍巖振動監(jiān)測斷面在軸向上和徑向上監(jiān)測點應不少于3個。6.1.3完整的敞開式TBM振動監(jiān)測過程分為3個階段，分別是監(jiān)測準備階段、現場監(jiān)測階段、數據回放處理階段，監(jiān)測流程見圖1。3T/CI489—2024圖1TBM振動監(jiān)測流程圖6.1.4應記錄監(jiān)測時的掌子面樁號、測試點與掌子面之間的地質信息等。本條提到的地質信息重點是對地質災害區(qū)域的整體情況，包括巖性、地質災害、結構面、滲水情況等，進行詳細描述記錄，同時還應采取測量、攝影或錄像等手段進行宏觀調查，并對照振動監(jiān)測結果，評估地質災害受敞開式TBM開挖擾動影響的程度，主要包括輕微、中等、重。敞開式TBM施工前后對比的主要內容應包括：a）災害區(qū)域的深度、寬度進一步變化情況；b）災害區(qū)域破碎程度有無進一步加深情況；c）節(jié)理裂隙有無進一步發(fā)育情況。6.1.5敞開式TBM施工掌子面后方圍巖振動測點的布設應避開溝槽、破碎帶、空洞等存在不良地質作用和地質災害的位置，且宜選擇同一基巖平面。6.1.6傳感器布置要考慮應力集中區(qū)、結構面、斷層等關鍵地質因素。6.2監(jiān)測準備6.2.1布設表面應進行清潔處理，清除表面異物。6.2.2進行多次現場預測試，調試出適合該次試驗段監(jiān)測的觸發(fā)電平、采集時間等采集參數。6.2.3監(jiān)測前應將傳感器與底座擰緊，并在底座上標記出傳感器XY方向。6.2.4應對傳感器進行統(tǒng)一編號，并保持傳感器方向與所監(jiān)測振動的徑向和軸向一致，且傳感器安裝角度誤差不大于3°。6.2.5在振動監(jiān)測時，傳感器與被測部位宜剛性連接。在圍巖內部安裝時，充填材料波阻抗應與圍巖波阻抗一致。6.3現場監(jiān)測項目及流程6.3.1敞開式TBM刀盤振動監(jiān)測應按下列流程進行：a）現場調研，選取典型的監(jiān)測試驗段；b）將振動傳感器通過焊接的方式安裝在敞開式TBM刀盤處，將線捋順并做好防護；c）將配電箱及網關安裝在主梁前端，用來接收振動傳感器信號；d）設備開機，連接上位機軟件，設置采集時間、采集模式、采集段數、觸發(fā)模式、觸發(fā)電平等參數；e）進行設備調零，敲擊測試，查看波形，同時記錄XYZ傾角；f）啟動采集，采集結束后取下設備。6.3.2敞開式TBM護盾及撐靴振動監(jiān)測應按下列流程進行：4T/CI489—2024b）布設測點時，借助磁力和膠水將傳感器底座耦合在護盾和撐靴上，其X方向應指向掌子面；c）將振動傳感器和底座剛性螺接、旋緊，傳感器X方向應指向掌子面；d）設備開機，連接上位機軟件，設置采集時間、采集模式、采集段數、觸發(fā)模式、觸發(fā)電平等參數；e）進行設備調零，敲擊測試，查看波形，同時記錄XYZ傾角；f）啟動采集，采集結束后取下設備及讀取數據。6.3.3敞開式TBM施工圍巖振動監(jiān)測應按下列流程進行：a）現場調研，選取合適的錨桿墊片；b）布設測點，借助磁力和膠水將傳感器底座耦合在錨桿墊片上，布設時將X方向均朝向掌子面；6.3.4圍巖內部振動監(jiān)測應按下列流程進行：a）現場調研，選取合適的監(jiān)測斷面，設計試驗方案；b）根據試驗方案設置多個斷面、鉆孔；c）利用定制接管安裝傳感器，傳輸線引出孔口并用膠管防護；d）利用泵輸送封堵材料到鉆孔中固定傳感器；7數據處理程序7.1一般規(guī)定7.1.1應對現場監(jiān)測數據進行整理、分析和清洗。7.1.2數據下載時，因數據量很大，應先根據掘進信息初步篩選掉掘進時間段外的數據。7.1.3監(jiān)測數據應輸入專用分析系統(tǒng)進行處理，確定各監(jiān)測物理量的振速峰值、頻率值。7.1.4數據處理時，應根據現場實際掘進情況并結合記錄波形篩選數據。7.1.5作圖時選取典型敞開式TBM振動數據，完整波形圖應含兩段或兩段以上。7.1.6應記錄掘進參數和地質數據，并加以分析統(tǒng)計。7.2數據處理流程7.2.1數據處理分為數據篩選、數據預處理和數據分析三大部分，數據處理方法詳見附錄B，監(jiān)測到的振動數據處理流程宜按圖2進行。5T/CI489—2024數字濾波數字濾波去除異常值去除空值圖2數據處理流程圖7.2.2數據篩選階段通過地質數據、掘進參數數據、振動數據三部分合并匹配和清洗篩選得到最終數據。7.2.3數據預處理應通過加減直流量、數字濾波、直線滑動平均進行處理。7.2.4數據分析階段可通過量綱分析、數據擬合等方法對不同類型數據之間的關系進行分析。8報告編制8.1敞開式TBM振動測試完成后應進行成果整理，數據記錄表參見附錄C。8.2敞開式TBM振動測試報告應包括以下內容。a）工程地質背景。敞開式TBM振動測試前應編制監(jiān)測實施方案，宜包含工程名稱、工程概況、測量目的、測點位置、監(jiān)測范圍、監(jiān)測方法、監(jiān)測設備、監(jiān)測步驟和預期成果等內容。b）編制依據。c）記錄監(jiān)測過程中實際的測量設備和測量步驟。d）敞開式TBM振動測試數據分析與成果整理。e）結論與建議。f）測試過程與數據的附圖與附表。8.3各類監(jiān)測報告均應以表格、圖形等表示出監(jiān)測對象的狀態(tài)變化情況，每日測試完成后，應及時進行數據處理和分析，形成日報。8.4監(jiān)測工作全部完成后，對各類監(jiān)測數據和宏觀調查信息進行匯總、分析和說明，對整個現場監(jiān)測工作進行分析評價，形成整個工程監(jiān)測的成果報告。8.5報告中的不常用符號應作說明，有參考引文的應標明引文的作者、名稱等信息。6T/CI489—2024（資料性）敞開式TBM振動監(jiān)測主要設備的規(guī)格參數敞開式TBM振動監(jiān)測主要設備的規(guī)格參數見表A.1表A.1敞開式TBM振動監(jiān)測主要設備的規(guī)格參數傳感器類型尺寸測量范圍測量精度工作溫度℃加速度g速度三軸智能振動傳感器iSV-4200.001~400.01~400.5%-20~60SV-3160.001~400.01~400.5%-20~60微型智能振動傳感器32×32×12±40±1000.5%-20~60注：微型智能振動傳感器適用于灌封結構體振動監(jiān)測，可用于圍巖內部振動監(jiān)測7T/CI489—2024（資料性）常用敞開式TBM振動數據處理方法常用敞開式TBM振動數據處理方法見表B.1。表B.1常用敞開式TBM振動數據處理方法參數計算方法備注FFT（快速傅里葉變換）——幅度譜、相位譜Ф=atan2(b,a)X(k)是頻率域的復數輸出，x(n)是時間域的輸入，N是樣本數量，j是虛數單位，A是幅度，Ф是相位角。功率譜P(f)P(f)=X(f)2時域信號x(t)，其傅里葉變換為X(f)，功率譜P(f)通常計算為X(f)的幅度的平方。功率譜密度S(f)x(t)是時域信號，X(f)是其傅里葉變換，T是信號的總時間長度。傳遞幅度譜/相位譜f(x)=f(x)1-f(x)2f(x)1，f(x)2兩個不同通道的FFT幅度譜/相位譜速度信號V(f)（頻域）A(f)是加速度信號a(t)的傅里葉變換8T/CI489—2024（資料性）常用敞開式TBM振動數據處理方法敞開式TBM振動測試記錄表見表C.1。表C.1敞開式TBM振動測試記錄表測量人：記錄人：儀器型號：日期：年月日掌子面樁號工程地質特征描述測點樁號與掌子面距離m傳感器安裝方向振動監(jiān)測數據敞開式TBM掘進參數傾角(°)速度cm/s加速度g主振頻率Hz1T/CI489—2024條文說明4基本規(guī)定4.1本條中的敞開式TBM關鍵部位指的是敞開式TBM施工過程中與圍巖接觸，其振動可引起圍巖性質變化的部位如刀盤、護盾、撐靴等。4.1.1刀盤是敞開式TBM破巖的核心部件，長期工作在長距離、大埋深的環(huán)境中，還可能會遇到高硬度、高石英含量的極端圍巖環(huán)境，且刀盤滾刀具有多點破巖的特點，使刀盤在工作過程中承受多點強沖擊破巖載荷，極易引起刀盤的劇烈振動，而長期的振動往往會造成刀盤面板開裂、主軸承密封失效、齒輪崩齒、連接螺栓斷裂等嚴重的工程問題，極大地影響隧道施工的效率和安全。4.1.2敞開式TBM護盾的主要作用之一是提供支護，以防止巖石坍塌，護盾緊緊嵌入破碎巖石之中。而敞開式TBM護盾振動傳導到周圍巖體必定會引起圍巖損傷加劇，通過監(jiān)測護盾振動效應，可以評估敞開式TBM施工對周圍巖體的影響。4.1.3敞開式TBM主要應用在硬巖地質條件下，巖層強度多變，從刀盤傳遞過來的扭矩也隨之改變，由此會產生不規(guī)律的高頻振動。撐靴作為支撐結構，相當于給刀盤提供一個掘進反力，撐靴位置處必然會產生高頻振動，撐靴位置處的振動對圍巖破壞模式和機理的影響不可忽視。4.2本條的敞開式TBM振動監(jiān)測根據監(jiān)測方法分為有線式和無線式，根據監(jiān)測時間可分為長期監(jiān)測和臨時監(jiān)測。根據監(jiān)測方案必要時可采取永臨結合、統(tǒng)籌兼顧的監(jiān)測方法。4.3本條是監(jiān)測機構遵循的監(jiān)測工作的基本程序，宏觀調查的試驗段應大于儀器監(jiān)測測量點的部位。宏觀調查、巡視檢查應按本文件附錄D進行記錄，并于儀器監(jiān)測數據進行綜合分析。5監(jiān)測設備圖3TBM振動監(jiān)測系統(tǒng)5.2本條是由于測振儀中某些元器件的電氣性能和機械性能會因使用和存放時間發(fā)生變化，而傳感器屬于敏感器件，現場使用環(huán)境條件差，顛簸振動較大，容易受損。測試儀器應經計量部門檢定或校準，檢定或校準周期不宜超過1年。6TBM振動監(jiān)測6.1一般規(guī)定6.1.5本條是由于地質構造的復雜性和介質的非均質性，振動波在傳播過程中受地應力、應力集中區(qū)、結構面、斷層、地層巖性等關鍵環(huán)境因素影響較大。傳感器布置時應重點考慮這些特殊因素進行布置。6.2監(jiān)測準備6.2.1本條在于在巖石介質或其余表面上安裝設備前，對安裝點表面進行表面平整、清理或清洗。2T/CI489—20246.2.2本條是由于在內觸發(fā)的條件下，微小的波動信號進入輸入通道后也有可能會造成誤觸發(fā)而導致采集數據的不準確。因此在正式的振動監(jiān)測前，必須做一兩次探索性的振動監(jiān)測試驗以獲得合適觸發(fā)電平，這樣既可阻止干擾引起的誤觸發(fā)，又能保證可靠觸發(fā)。6.2.3本條中傳感器應注意定位方向，約定傳感器的X方向為水平軸向，Y方向為水平徑向，Z方向為垂直向。安裝時應統(tǒng)一使傳感器的X方向均指向掌子面方向，便于后續(xù)數據處理分析。6.2.5本條是由于傳感器是反映被測信號的關鍵設備，為了能正確反映所測信號，除了傳感器本身的性能指標滿足一定要求外，傳感器的安裝、定位也是極為重要的。為了可靠地得到TBM振動或結構動力響應的記錄，傳感器必須與被測點的表面牢固地剛性結合在一起確保傳感器與被測體同步振動，同時應避免TBM開挖施工時傳感器松動、滑落，使記錄的振動信號失真。6.3現場監(jiān)測項目及步驟6.3.1刀盤振動監(jiān)測因其安裝難度，建議采用長期網絡傳輸方式監(jiān)測，通過網線將主梁前端安裝的網關接入TBM控制室網口，傳入施工現場的服務器，同時現場服務器內部使用專用通訊軟件通過因特網將數據傳入在其子網下的本地服務器，實現振動數據的遠程采集。6.3.2敞開式TBM護盾及撐靴振動監(jiān)測傳感器實際安裝位置如圖4~圖5所示。圖4護盾尾部傳感器安裝示例圖5撐靴位置傳感器安裝示例6.3.3敞開式TBM施工圍巖振動監(jiān)測傳感器實際安裝位置如圖6所示。3T/CI489—2024圖6圍巖表面?zhèn)鞲衅靼惭b示例6.3.4本條是由于TBM圍巖內部振動傳感器的監(jiān)測是由于隨著與洞壁距離的增加，圍巖承載能力下降，能量積聚與釋放特性也不同，圍巖破壞由脆性拉破壞逐漸過渡到延性剪破壞，TBM擾動效應也不同。因此應基于隧道圍巖地質資料及數值模擬結果，確定隧道圍巖承載能力變化的位置，探究圍巖內部不同徑向深度部位TBM開挖擾動效應。7數據分析與成果整理7.1一般規(guī)定7.1.1本條是由于敞開式TBM振動監(jiān)測的現場條件非常復雜、影響因素眾