利用喷射灌浆屏障减轻地下隧道在冲击桩施工过程中的振动影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Vibration mitigation for underground tunnels using jet-grouted barriers subjected to impact pile driving

地下隧道中喷射混凝土（JG）屏障对打桩振动抑制效果研究，通过小规模实验和原型数值模拟验证，发现JG屏障厚度和高度对振动衰减影响显著，其减振效率（68%）优于橡胶砂混合物（56%-62%）和轮胎骨料（70%），接近开放沟渠（80%），但需注意深部施工风险。

　　

Syed Muhammad Faheem Rizvi|王国才|吴俊涛

浙江工业大学土木工程学院，中国杭州310023

摘要

冲击桩施工会产生地面振动，这些振动可能会损坏附近的基础设施，尤其是地下隧道。振动可能导致隧道衬砌开裂并引发不均匀沉降。传统的减振措施（如开放式沟槽和填充屏障）存在关键局限性：其效果取决于深度，深度较大的挖掘会增加坍塌风险；当沟槽被水饱和或填充材料的阻抗与周围土壤相似时，减振效果会降低。本研究通过小规模实验和原型级数值模拟，探讨了使用喷射灌浆（JG）屏障作为减振措施的效果。数值模型通过实验结果进行了验证。随后进行了参数分析，以评估JG屏障参数（包括屏障厚度、高度、杨氏模量（E）和距离冲击桩的距离）的影响。最后，将JG屏障的效果与开放式沟槽、轮胎碎石混合物（TDA）和橡胶砂混合物（RSM）屏障进行了比较。结果表明，JG屏障能有效减少传递到隧道的振动。增加屏障厚度和高度可显著提升减振效果，而其他参数的影响相对较小。尽管开放式沟槽的平均效率最高（80%），但提高JG屏障的高度后，其平均效率提升至68%，这一数值与TDA屏障（70%）相当，并超过了RSM-70（62%）和RSM-30（56%）屏障。

引言

随着城市化进程的加快，在现有建筑和地下隧道附近建造结构基础变得越来越普遍。在各种基础技术中，通过冲击荷载打入的预制桩基础因其成本效益和施工效率而受到关注。然而，冲击桩施工过程中产生的振动会对附近结构（包括地下隧道）带来显著风险（Cola?o等人，2023b；Tavasoli和Ghazavi，2018）。这些振动来自两个不同的源头：桩尖和桩身。在桩尖处，冲击会产生压缩波（P波），以球形波前向外传播；沿桩身则产生剪切波（S波），以圆锥形波前传播。这两种体波都会穿过地面，并在到达地表时形成表面波，主要是瑞利波（R波）。部分能量会反射回地下，如图1所示。反复施加冲击荷载会导致地面振动，这些振动可能通过损坏隧道衬砌或引起渗水等方式影响隧道结构完整性。此外，还会发生地面沉降，影响隧道结构和周围土壤。

多项研究探讨了不同的减振方法，如重质块、开放式和填充式沟槽、周期性桩、金属混凝土屏障以及声子晶体屏障（Baziar和Shahbazan，2024；Baziar和Shahbazan，2025；Bose等人，2018；He等人，2025；Jauhari等人，2024；Li，2024；Luo和Deng，2025；Pu和Shi，2019；Rizvi等人，2022a；Rizvi等人，2025；Shi等人，2025）。现场测试表明，开放式沟槽能有效减少高速列车引起的振动，沟槽的深度和位置对其效果至关重要（?stegün等人，2023）。与此研究结果一致，Cola?o等人（2023a）对开放式沟槽和重质表面质量在冲击桩施工下的效果进行了数值和实验分析，发现开放式沟槽更有效，且深度越大效率越高。同样，Surapreddi和Ghosh（2023）报告称，在谐波荷载作用下，开放式沟槽和竹材填充沟槽分别减少了75%和70%的垂直地面振动。Hamidi和Farshi Homayoun Rooz（2021）指出，在连续冲击桩施工情况下，沟槽深度必须达到振动显著影响土壤的深度。

周期性桩屏障也被研究证明可以在饱和和非饱和土壤中减少振动传播（álamo等人，2019；He等人，2025；Li，2024；Wang等人，2023；Wu和Shi，2023）。另一种技术是波阻抗块（WIB），放置在地面下，已被证明能有效减弱振动，但其效果很大程度上取决于刚度和厚度（Chen等人，2022；Gao等人，2020；Thompson等人，2015；Wu等人，2022）。

在现有的减振方法中，开放式沟槽通常被认为是可靠且有效的。然而，其效果强烈依赖于深度，这对稳定性构成挑战。过深的沟槽会增加沟壁坍塌的风险，而高地下水位可能导致水分渗透，从而显著降低减振效果（Feng等人，2020）。此外，在需要保护地下隧道免受冲击桩振动影响的场景中，沟槽屏障必须延伸到隧道深度和桩嵌入深度以下，以有效拦截通过土壤传播的压缩波和剪切波。但由于施工限制，这种深沟挖掘在实际应用中不可行。周期性钻孔混凝土桩提供了一种替代方案，但成本较高，且钻孔过程本身也会产生振动（Liang等人，2022），可能威胁附近隧道的完整性。

鉴于这些限制，迫切需要经济高效且可靠的地面振动减振策略。这类策略应能有效保护地下隧道免受冲击桩施工的影响，同时保持结构稳定性和屏障效率。喷射灌浆最近被认作是一种有效的土壤改良技术（Díaz等人，2024）。该方法通过小直径喷嘴向土壤中径向注入灌浆料，增强土壤强度并降低变形性（Modoni等人，2006）。与其他土壤改良技术相比，喷射灌浆通常更具成本效益且施工更方便。它可以达到30米的处理深度和超过3米的处理区域直径（Ochmański等人，2015；Shan等人，2024），且不会产生不良的地面振动。

以往的研究主要探讨了喷射灌浆处理区域在需要较高土壤强度情况下的有效性（Díaz等人，2024；Modoni等人，2006；Zhang等人，2020）。只有少数研究探索了将喷射灌浆（JG）屏障作为减振措施，这些研究主要针对交通引起的谐波振动（Siao等人，2024；Thompson等人，2015；Van Hoorickx等人，2017；Yarmohammadi等人，2018）。在评估JG屏障减振效果方面仍存在明显的研究空白，尤其是针对冲击桩施工产生的瞬态地面振动，特别是在需要较大屏障深度的地下隧道保护场景中。

本研究通过小规模实验和原型级数值模型填补了这一研究空白。这些方法用于评估JG屏障在减少冲击桩施工引起的振动和保护地下隧道方面的效果。数值模型通过实验数据进行了验证，随后进行了参数分析，以研究屏障厚度、高度、杨氏模量和密度对振动减少的影响，并将其效果与其他减振方法进行了比较。本研究的结果为需要有效保护地下隧道免受冲击桩振动影响的工程应用提供了依据。

模型与仪器

小规模实验在具有适当长度、宽度和高度的钢制立方体箱内进行，以最小化边界效应，如图2所示。为进一步减少来自箱壁的波反射并确保测量结果的可靠性，在箱体的四个内侧和底部铺设了50毫米厚的膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫（Liu等人，2024）。在本研究中，模型与原型的几何比例设置为1:30。

数值建模

为了进一步评估JG屏障在减少冲击桩施工引起的地面振动方面的效果，进行了详细的数值研究。开发了一个原型级数值模型，并通过实验结果进行了验证，以确保其准确性和可靠性。验证后，进行了全面的参数分析，以分析关键JG屏障参数对振动衰减的影响。

参数分析

通过将数值模型与实验结果进行比较进行验证后，进行了详细的参数分析，评估了不同JG屏障参数对振动减减的效果。同时，将JG屏障的效果与开放式沟槽和填充屏障进行了比较。桩和隧道的几何和物理属性与第3节中定义的相同，土壤属性也与描述的一致。

结论

本研究通过小规模实验和原型有限元模型，评估了JG屏障在减少冲击桩施工引起的地下隧道振动传播方面的有效性。数值模型通过实验结果进行了验证，以确保其准确性和可靠性。随后使用验证后的数值模型进行了参数分析，研究了JG屏障参数（包括厚度和高度）的影响。

作者贡献声明

Syed Muhammad Faheem Rizvi：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，数据整理，概念构思。王国才：验证，监督，资源获取。吴俊涛：撰写——审稿与编辑，形式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52178364和51278466）的支持。