桥梁桩基施工对隧道套拱的影响分析

桥梁桩基施工对隧道套拱的影响分析

刘思源

中铁十一局集团第二工程有限公司 湖北十堰 442300

摘要：利用冲击振动理论对冲击钻施工进行分析、计算，得到冲击振动对临近结构物（隧道）的影响程度；根据冲击钻施工的特性，判断冲击钻施工是否影响临近结构物，是否有必要增加防护措施。结论中给出了合理的施工建议。

关键词：冲击钻；施工振动；防护措施；振动特性；振动影响范围

1工程概况

萍莲项目白竺3号隧道，起点位于萍乡湘东区白竺乡大园里村附近，终点位于萍乡市湘东区白竺乡江坝榨下村附近，为分离式隧道，隧道起讫桩号：左线，ZK26+205～ZK27+280,全长1075m；右线，YK26+200～YK27+295,全长1095m；左右线隧道进口位于缓和曲线上，隧道为人字坡，两侧纵坡分别为2.2%和2.447%。隧道进口左洞洞门里程ZK26+205，套拱端头里程ZK26+210，明暗交界里程ZK26+212，而小里程紧邻太阳升一号桥14号桥台，桥台中心里程ZK26+207.86，桥台设2根直径2m的摩擦桩，设计桩长35m，桩长范围内的地层主要为强风化页岩和土状破碎带。按此距离推算设计桩边距套拱边缘仅1.14m。桥台桩基准备采用冲击钻施工，本文通过对冲击式钻机施工引起的振动进行分析以及打桩引起的地面质点振动的规律，为桩基施工对已完工隧道套拱的安全性影响程度提供了依据。

2.冲击式钻机成孔工艺和原理

冲击式钻机通过冲击式装置或者卷扬机将钻锤提升，以此进行反复提锤、落锤，以此来对孔底地层进行冲击，将地层当中的泥沙以及石块劈裂、劈碎成碎渣，一些土石挤入到井壁当中。通过泥浆悬浮钻渣，使得钻锤每次都可以对孔底新地层进行冲击。冲击钻机适用的土质层较为普遍，主要有粘性土、砂类土、砾石、卵石、漂石、软岩、硬岩等。冲击式钻机钻锤通常分为空心钻锤以及十字钻锤和实心钻锤，自身的重量一般保持在0．5t～12t不等，按照钻孔桩成孔直径以及地质柱状图和地层特性等有效选取。钻机在提锤和落锤中，钻锤从不同的高度产生相应的冲击性，这样在成孔当中，对于冲击面会有一定的冲击能量，这样就会造成冲击面和周边产生一定的振动情况。

3.冲击振动的机理和特征

冲击钻在施工中产生的振动主要是一种脉冲衰减的瞬间锤击强迫振动，振动波不断向四周进行辐射，从而产生振动影响场，振线呈现出闭环，和平静的湖面中投入的一枚石子一样产生涟漪，不断散开和消失。

进行冲击钻动中，锤击能量通常只有很小的一部分在锤垫的压缩及重锤与土的摩擦方面损失，大部分能量都是在钻头部位向外进行扩散以及振动的传递，能量有效转化为体波和面波，桥梁钻孔桩当中的冲击钻其振频通常和岩土体固有频率有着很大的差异，其之间不会产生共振情况，振动能量小，并且每次打桩间隔时间比振动持续时间大，所以每次打桩产生的振动能量不能叠加。

冲击振动能量和钻头尺寸、形状有直接的关联性，但不是很显著，其这主要是由于其和土体岩性特性有直接的关联性。土体是振动波的主要传递介质，土体坚硬质密实，所产生的衰减性也就小，反之也就越大啊，比如，在岩层当中，土体密实，钻孔桩也就越难打，造成的振动也就越大，衰减就越小，在一些松散砂土当中，振动衰减也就越大。

4监测数据收集及处理

4.1数据收集注意事项

（1）观测数据前，应检查仪表设备是否完好，如发现问题及时修理或更换；检查测点是否松动或人为损坏，确认测点状态良好时方可进行测试工作。

（2）每次观测数据时，都要做好记录。应严格按照附表1～附表4的格式进行填写，并应提前填写记录时间、记录人等基本信息，以保证原始数据的准确性。

（3）钻孔桩施工过程中，必须严格按照监控方案中要求的频次进行监测，以便及时分析数据，为现场施工安全提供依据。

（4）必须确保施工监测采用的机械和电子仪器具有良好的使用状态，保证监测数据准确、可靠。

（5）可在现场进行粗略计算，若发现变形较大时，应及时通知现场负责人，采取相应措施，并将监控量测数据信息及时反馈给项目负责人。

4.2数据处理注意事项

（1）数据处理要及时。每次测量结束后，对量测资料应认真检查、审核和计算，并立即开始进行数据处理工作。

（2）及时将资料填入有关图表，使能了解数据反映的变化规律，便于各测点和不同量测手段之间的对比。

（3）将最终的监控分析结果与套拱、边仰坡的允许变化最大值进行对比，如发现监控结果超出最大限界，应立即采取相应措施，并将检测结果如实上报给相关负责人。各监测项目的允许变化最大值如下表所示：

表1  各监测项目允许最大值

5桩基施工对隧道套拱影响分析

5.1施工标准要求

目前没有确切的关于对地下构筑物旁非爆破开挖桩基施工的规定或规范要求，类比国内关于桩基施工的研究资料，一般将质点振动速率作为判断构筑物是否安全的依据。根据《爆破安全规程》（GB6722-2011）中13.2关于爆破振动安全允许距离规定：“地面建筑物、电站(厂)中心控制室设备、隧道与巷道、岩石高边坡和新浇大体积混凝土的爆破振动判据，采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率。安全允许标准，交通隧道安全允许质点振动速度为10～12cm/s”。

5.2振动速度计算

根据冲击振动理论，下落重锤通常具有势能E=mgh，重锤下落过程中克服阻力做功W，作用在钻头上，钻头克服岩土体的摩擦力，其中的一大部分转化成钻头落点岩石的振动。冲击振动在土状破碎带中传播时，由于土质疏松，振动能量大部分被吸收，可以不用考虑其对周围结构物的影响。这里主要计算强风化页岩中振动的传播特征。

杜小娟、李鹏飞等人在《桥梁桩基冲击钻孔振动衰减特性试验分析》一文中试验场地桩基地质主要为强弱风化花岗岩，岩层密度比强风化页岩密度更高，强风化页岩振动衰减更迅速，所以可以利用杜小娟、李鹏飞等人在《桥梁桩基冲击钻孔振动衰减特性试验分析》一文中的数据对强风化页岩中的振动情况进行分析。根据杜小娟、李鹏飞等人在《桥梁桩基冲击钻孔振动衰减特性试验分析》一文中的数据：在冲击能量为77910J时，钻锤振动在砂砾岩中的振动速度可以用如下的经验公式表示：V=，当r=1.14m时，=4.348cm/s，振动速度小于5cm/s，所以当冲击能量为77910J时，该地区冲击钻孔能满足衬砌结构安全要求。

钻机落锤能量公式W=mgh，式中W为落锤能量，类比工程冲击能量为77910J控制施工，m为桩锤质量，钻锤质量为7000kg；g为冲力加速度9.8m/s2；h为桩锤落锤高度即钻锤冲程，当钻锤质量一定时，钻锤冲程对振动影响具有绝对影响，故施工时冲击钻孔成孔施工期间，桩锤冲程不应太大，应严格控制在1.1m范围内，冲击频率为40~48次/分钟为宜，以减小对隧道衬砌的扰动。

6结论

（1）根据振动学理论计算出相邻结构物的最大振动速度为4.348cm/s，满足安全施工控制指标，但必须保证冲击能量小于等于77910J，在锤头质量（7t）及重力加速度一定的情况下，必须严格控制冲程，冲程应小于等于1.1m，冲击频率为40~48次/分钟为宜，以减小对隧道衬砌的扰动。

（2）因为冲击钻在施工当中造成的影响很难通过理论实施定量分析，因此就需要重视监测和实测的重要性，对施工参数合理调整，从而将桩基施工不良影响降低。在打桩区域之外进行相应监测点的布置，加强对水平以及竖向和裂缝等情况的观测，若是有异常状况，就需要及时停工处理以及及时合理调整。

参考文献

[1]杜小娟.李鹏飞.苏华友.桥梁桩基冲击钻孔振动衰减特性试验分析[J]．福建建设科技，2011(1)：69-71；

[2]晋伟.冲击钻施工振动的特征及其对桩孔的影响性评价[J]．施工技术，2015(3)：

[3]柴元四.冲击式钻机施工振动规律测试与研究[J].山西建筑，2012(3);72-74;