莫鼎革

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波315207）

大直徑鋼管樁錘擊沉樁對鄰近取水隧道的影響

莫鼎革

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波315207）

采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了算山碼頭1號泊位碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程大直徑鋼管樁沉樁引起的振動效應(yīng)對鄰近取水隧道安全性的影響。首先通過2、3號墩臺沉樁試驗，測試獲得了打樁引起周邊地層土體動力響應(yīng)、孔隙水壓力與水平位移，確定了沉樁振動對周邊土體的擾動及影響范圍；再利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值反演、對比；最后利用數(shù)值計算模型預(yù)測了1號墩臺沉樁施工對取水隧道安全性的影響。結(jié)果表明：2、3號墩打樁過程對土體的擾動較小，數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近，較為可靠；1號系纜墩沉樁有風(fēng)險，不推薦錘擊沉樁。

大直徑鋼管樁；錘擊沉樁；取水隧道；數(shù)值模型

0 引言

采用振動法打設(shè)大直徑樁時，可導(dǎo)致鄰近建構(gòu)筑物產(chǎn)生裂紋或破壞。國內(nèi)外學(xué)者對該問題開展了諸多研究，高彥斌等[1]對某工程樁基施工過程中的地面振動進(jìn)行現(xiàn)場測試，并利用實測數(shù)據(jù)分析了場地土特性及打樁入土深度對地面振動的影響規(guī)律。李業(yè)勛等[2]結(jié)合港珠澳大橋東人工島結(jié)合部非通航孔橋支架樁工程實例，對高頻振動打樁過程中樁周土體動側(cè)摩阻力及平均可打樁深度進(jìn)行了研究。楊祁等[3]利用有限元軟件Abaqus建立大變形三維模型，對高頻打樁進(jìn)行數(shù)值模擬，研究高頻打樁對臨近基樁的影響。Henke等[4]提出了評估打樁對鄰近建筑影響的三維有限元分析方法，并比較了靜壓打入和振動打入對周圍土體的影響。李怡聞等[5]采用ANSYS建立基于動力接觸的樁-土-隧道動力相互作用模型，分析不同打樁距離，打樁深度和打樁能量對隧道振動的影響規(guī)律。李颯等[6]根據(jù)渤海海域36根樁的打樁記錄，對其中的黏性土土層的打樁記錄進(jìn)行了反分析，分析了打樁過程中黏土層中土阻力的變化特點。董軍鋒等[7]論述了建筑施工振動的常見類型、打樁引起的振動特性，分析了打樁振害與地震震害的區(qū)別以及打樁振動對建筑物影響形式。目前，打樁對地下埋管或隧道的振動影響研究較少。楊振琨等[8]分析了打樁對隧道可能產(chǎn)生的振動影響，并根據(jù)現(xiàn)場測得的加速度，采用數(shù)值方法計算了打樁荷載的分布形式及幅值，分析了打樁對隧道的影響。

寧波算山碼頭1號泊位改造項目位于某電廠附近，碼頭樁與電廠取水隧道（直徑4.8 m，壁厚0.3 m，襯砌混凝土為C50，抗?jié)B標(biāo)號為S6）的最小距離為24.8 m，且沉樁數(shù)量較多，沉樁施工引起的振動可能對電廠取水隧道安全運行產(chǎn)生影響。為此，本文利用監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果就2、3號墩打樁過程對取水隧道的安全影響進(jìn)行研究，再對1號墩臺沉樁施工對取水隧道的安全性影響進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而判定1號墩沉樁施工對取水隧道安全的影響，為碼頭結(jié)構(gòu)加固改造提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

算山碼頭位于杭州灣金塘水道南岸北侖港區(qū)的西部，共有6個泊位，其中1號泊位在碼頭最東部，西與2號泊位以人行橋相連，東與某電廠取水口和煤碼頭相鄰。1號泊位原為25萬噸級原油泊位，擬通過加固改造提升為30萬噸級原油泊位，改造內(nèi)容為：1號泊位碼頭作業(yè)平臺、系纜墩均在原有的基礎(chǔ)上向海側(cè)擴(kuò)建10 m，改造后碼頭作業(yè)平臺尺寸40 m×33 m，原工作平臺上輸油臂及輸油臂前集合管朝海側(cè)順移10 m，新建3個系纜墩尺寸均為10 m×10 m，每個承臺下8根樁，采用φ1 200鋼管樁，樁間距為3.25 m，距承臺邊緣0.75 m，樁長為69 m。

根據(jù)鉆孔揭露地基土層的成因時代、巖性特征、物理力學(xué)性質(zhì)及埋藏深度等，將勘探深度內(nèi)的巖土體劃分為8個工程地質(zhì)層組，13個工程地質(zhì)層，相關(guān)土層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)Table 1Geomechanical parameters

由算山碼頭前期鋼管樁沉樁經(jīng)驗和表1所示的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，本工程選用D100型柴油錘進(jìn)行沉樁作業(yè)。在正常錘擊沉樁時，錘擊次數(shù)約為42擊/min。對于69 m的樁，凈錘擊時間一般約為15 min。

2 沉樁振動監(jiān)測

由于1號泊位距鄰近取水隧道僅為24.8 m（圖1），鋼管樁沉樁施工過程中的振動效應(yīng)可能影響對鄰近取水隧道的安全。為此，通過制定施工方案，先施工3號墩（單樁距取水隧道最近76.3 m）、再2號墩（距取水隧道47.4 m），最后1號墩（距取水隧道24.8 m），同時通過監(jiān)測對打樁引起的孔隙水壓力、速度和位移進(jìn)行監(jiān)測，以判定大直徑鋼管樁沉樁對取水隧道的影響。

2.1 振動監(jiān)測

2.1.1 測點布置

對2、3號墩樁基施工進(jìn)行孔隙水壓力、速度以及深層水平位移監(jiān)測，平面布置見圖1。

圖1 監(jiān)測點平面布置Fig.1Layout of monitoring point

測試點位布置5個，共15個鉆孔，總計布設(shè)速度傳感器21個，孔隙水壓力計12個，深層位移計16個。1號鉆孔中速度三向傳感器、孔壓傳感器分別布設(shè)于-23.7 m（隧道中心所在深度）、-17.7 m、-36.5 m處；2號鉆孔布設(shè)于-24.8 m、-21.0 m、-29.4 m處；3號鉆孔布設(shè)于-23.7 m、-12.4 m、-28.1 m處；4號鉆孔布設(shè)于-24.8 m、-13.2 m、-28.9 m處；5號鉆孔速度三向傳感器布設(shè)于-28.1 m處。

2.1.2 監(jiān)測頻率

深層位移監(jiān)測打樁時每根樁打設(shè)完成后測試，不打樁時每天監(jiān)測1~2次；遇到特殊情況或位移變化較大時視情況加密觀測?？紫端畨毫Υ驑稌r實時監(jiān)測，遇到特殊情況或孔隙水壓力變化較快時視情況加密觀測。速度監(jiān)測全程貫穿打樁過程，實時觀測速度曲線，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)立即停止施工。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 孔隙水壓力

本次測試中，沉樁與測點距離最小的是3號墩6號樁，與1-1、1-2測點的距離分別為11 m和14 m，在5倍樁徑以外。對2號、3號墩共16根樁打樁過程引起的孔隙水壓力變化測試表明，各樁施工過程中孔隙水壓力變化幅值均不大于3 kPa，約1%。以2號墩2號樁打樁過程測點1-1以及5號樁打樁過程測點1-2孔隙水壓力時程變化為例進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示，可以看出：2號墩2號樁打樁過程測點1-1的最大孔隙水壓力為220.15 kPa，最小值為219.25 kPa；2號墩5號樁打樁過程測點1-2的最大孔隙水壓力為383.04 kPa，最小值為382.2 kPa，兩個測點孔隙水壓力變化幅值分別為0.9 kPa和0.84 kPa，說明打樁過程中土體內(nèi)部孔隙水壓力變化很小，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖22 號墩打樁引起的孔隙水壓力時程變化曲線Fig.2Time-histories changing curve of pore water pressure caused by piling of No.2 piers

2.2.2 振動速度

由于沉樁振動引起土體振動速度的影響因素（樁入土深度、沉樁位置、監(jiān)測位置等）較多，實際沉樁過程中較難定量分析貫入度對沉樁時土體振動峰值速度的影響。通過對2、3號墩1~8號樁振動速度數(shù)據(jù)的采集、整理，得到了在打樁過程中各測點的最大速度值，除3-6號樁外，打樁引起取水隧道附近振動速度最大值為7.72 mm/s，小于模型計算得到的破壞速度值20~30 mm/s，取水隧道處于安全狀態(tài)。在3-6號和3-2號樁打樁過程中，各測點速度值有明顯增大。

2.2.3 土體水平位移

為了防止淤泥層出現(xiàn)較大位移對取水隧道產(chǎn)生擠壓作用，對土體深層位移進(jìn)行了監(jiān)測。以測點3-4為例，土體深層水平位移變化結(jié)果如圖3所示，可以看出，在取水隧道高程-24.8 m處，土體最大水平位移為5.98 mm，隧道處于安全狀態(tài)。測點3-3的水平位移情況與3-4測點規(guī)律相同，土體最大水平位移為5.12 mm，同樣不會對隧道產(chǎn)生擠壓破壞。

圖33 -4號測點土體水平位移沿深度變化曲線Fig.3Horizontal displacement curve of soil along the depth of soil for No.3-4

采用自由場邊界兩種邊界條件來減少模型邊界上的波的反射，在模型四周生成二維和一維網(wǎng)格的方法來實現(xiàn)這種自由場邊界條件，采用局部阻尼，并取局部阻尼系數(shù)為0.157 1。

3 打樁過程數(shù)值模擬

3.1 計算模型

由于1號墩距離隧道最近，沉樁對隧道的影響較大。為了預(yù)測沉樁對隧道的影響，利用FLAC3D模擬沉樁引起的振動，建立數(shù)值計算模型。模型范圍為水平取500 m，豎直取樁底以下100 m，局部效果如圖4所示。土的有限元模型采用Mohr-Coulomb模型，黏聚力、內(nèi)摩擦角參數(shù)見表1，動力載荷如下：

圖4 沉樁振動模擬有限元網(wǎng)格Fig.4Finite element mesh of pile-driven vibration simulation

3.2 計算結(jié)果分析

對各測點和隧道振動速度進(jìn)行計算，結(jié)果表明各測點最大速度均在5 mm/s以下，且測點所在土體速度大小與距打樁點遠(yuǎn)近有關(guān)，并表現(xiàn)為淺層土體速度較大，深層土體速度較小。3號墩臺4號樁沉樁引起的各測點合速度及X、Y、Z方向土體的速度分布表明，連續(xù)2次錘擊引起的土體速度呈衰減趨勢，第1次錘擊后，速度先是急劇增大到峰值，最大合速度為4.8 mm/s，隨后振蕩衰減。第2錘擊的速度峰值較前一次小。隧道位移和速度（0.50 s時刻）計算結(jié)果表明：在0.5 s時刻，離沉樁最近的隧道段的速度峰值約4.3 mm/s，最大位移約0.56 mm。由此可見，本文建立的模型可以較好地計算沉樁引起的土體和隧道的振動速度和位移。

3.3 監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

將模型預(yù)測結(jié)果與后續(xù)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，各測點最大速度對比見表2，孔壓見表3。

表2 最大速度預(yù)測值與實測值對比Table 2Comparison between the predicted and measured values of maximum velocity mm·s-1

表3 孔壓最大值預(yù)測與實測對比Table 3Comparison between the predicted and measured values of maximum pore pressure kPa

由表2、表3可以看出：1）模型預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近，反映出來的規(guī)律也與實際相符，因此可作為預(yù)測打樁動力響應(yīng)的有效手段；2）打樁過程對土體的擾動較小，各測點計算速度均小于6.5 mm/s，并表現(xiàn)為近處測點速度稍大（1.5~6.5 mm/s），遠(yuǎn)處測點速度?。?.1~1.5 mm/s）。淺層土體速度稍大，深層土體速度較??；3）打樁過程對土體孔壓也影響較小，樁錘敲擊樁頂時，周邊土體孔壓上升不到0.5%，隨后又迅速恢復(fù)到原孔壓；4）由數(shù)值計算可預(yù)測，在新樁施工時，隧道附近土體速度應(yīng)在1.0 mm左右，孔壓變化小于0.5%。

3.41 號墩沉樁對取水隧道影響預(yù)測

為預(yù)測最后施工的1號系纜墩大直徑鋼管樁沉樁施工對取水隧道安全性的影響，利用數(shù)值模型對1號墩沉樁引起的振動進(jìn)行計算，獲得取水隧道處土體最大振動峰值速度為3.75 mm/s，小于沉樁振動控制速度（20~30 mm/s）；沉樁振動對土體孔隙水壓力影響較小，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；1號系纜墩沉樁時引起的取水管周圍土體最大位移預(yù)測值為10.58 mm，已超出位移控制標(biāo)準(zhǔn)（8~10 mm），沉樁有一定的風(fēng)險，故不推薦采用錘擊沉樁。

4 結(jié)語

本文結(jié)合算山碼頭1號泊位2、3號墩臺大直徑鋼管樁沉樁施工過程，測試了沉樁引起的孔隙水壓力、振動速度和水平位移，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，分析沉樁對鄰近取水隧道安全的影響，主要結(jié)論如下：

1）2、3號墩打樁過程對土體的擾動較小，各測點計算速度均小于6.5 mm/s；打樁過程對土體孔壓也影響較小，樁錘敲擊錘頂時，周邊土體孔壓上升不到0.5%，隨后又迅速恢復(fù)到原孔壓。

2）數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近，反映出的規(guī)律也與實際相符，可作為后續(xù)沉樁施工響應(yīng)預(yù)測的有效手段。

3）1號墩樁基施工引起的取水隧道處土體最大位移值為10.58 mm，超出位移控制標(biāo)準(zhǔn)，沉樁有一定的風(fēng)險，不推薦錘擊沉樁。

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Influence of large-diameter steel pipe pile hammer piling on adjacent water intake pipeline

MO Ding-ge
（Zhenhai Refining&Chemical Company of SINOPEC,Ningbo,Zhejiang 315207,China）

Using the method of field monitoring combined with numerical simulation,we studied the influence of the vibration effect of large-diameter steel pipe pile hammer piling on the safety of water intake pipeline during reconstruction of Suanshan Pier No.1 berth.Firstly,through the piling test of the No.2 and No.3 piers,the dynamic response,pore water pressure and horizontal displacement of the surrounding strata are obtained by piling,and the disturbance and influence range of the pile swarm vibration are determined.Secondly,the monitoring data is used for numerical inversion and comparison.Finally,the numerical calculation model is used to analyze the safety effect of the No.1 piers on the safety of the water intake tunnel.The results show that the piers of the piling process of the No.2 and No.3 piers have fewer disturbances to the soil,and the numerical simulation results are closer to the measured data,the calculation model is more reliable;No.1 cable pier piles are at risk,it is not recommended piling.

large diameter steel pipe pile;hammer piling;water intake pipeline;numerical model

U655.544.1；TU473.13

A

2095-7874（2017）07-0035-05

10.7640/zggwjs201707008

2017-03-13

2017-05-04

國家自然科學(xué)基金項目（51478228）

莫鼎革（1969—），男，浙江寧波人，高級工程師，土木工程專業(yè)。E-mail：modg.zhlh@sinopec.com