桥梁桩基施工振动对邻近埋地管道影响试验研究

佘艳华，苏华友

(1.长江大学 土木工程系，湖北 荆州 434023；2.西南科技大学 交通工程系，四川 绵阳 621010)

0 引 言

随着我国公路、铁路等基础设施的大量修建，不可避免地出现与既有埋地输油(气)管道并行或交叉的情况，一般采用桥梁方式跨越。目前，桥梁桩基常见的施工方式为冲击钻孔施工，其具有连续施工特征，产生较大振动冲击荷载，必然对埋地管道周围的岩土层产生一定的扰动，对埋地管道的安全稳定运行造成威胁。而油气管道一旦发生爆管、破裂或渗漏，造成的后果严重。因此，对桥梁桩基工程冲击钻孔施工过程中产生的振动对埋地管道的影响，必须进行有效的安全监测与控制。

而施工冲击振动荷载对管道与土耦合体的影响与作用非常复杂，无论是在理论分析方面还是在数值计算上局限性都相当大。因此，笔者通过场地进行的微地震试验，采用微地震信号采集系统[1]，对桩基施工产生的振动波传播信号数据进行分组记录，分析其频谱特性，揭示振动波在岩土体介质中的传播规律及其影响范围，从而对施工振动对埋地管道的影响进行相应评估。通过本次研究，为桩基施工振动控制分析提供现场试验方法，也为微地震监测技术在岩土工程中的应用作进一步探索。

1 微地震监测研究

1.1 微地震研究概况

冲击产生的振动会使得岩土体介质产生一定形变，进而在地层的内部形成了弹性波，而一系列弹性波在介质中传播便形成了所谓的地震波。此施工冲击振动频率比较低，其信号频带小于1 kHz，因振动信号在地层的传播过程中高频分量均被衰减了，所以一般称之为微地震[2]。微地震事件即由震源点产生的微地震信号，接收到的一次微地震信号就为一个微地震事件，其频率一般为0～50 Hz，振动能量一般为102～1010J。微地震波的相位变化、幅值和走时均反映了岩土层材料的内部信息与破裂状况。微地震监测技术是一种地球物理技术，基础是声发射学和地震学，是依据观测及其分析工程实践的过程中所产生的微地震事件，以此来监测工程实践活动所造成的地下状态、影响及效果。目前，国内外研究者已在众多领域对微地震技术作了不同程度的探索及应用，如油气开采[3]、采矿工程[4-6]、地下工程[7]、岩土工程[8]等，均取得了丰富的研究成果，但是在理论研究和应用领域中还存在着诸多待进一步解决的问题。

为分析邻近埋地管道施工产生的振动对管道的影响，笔者开展了现场微地震监测试验研究，场地位于张(家口)石(家庄)高速公路涞源—涞水段拒马河第八号大桥的施工段。场区桥址稳定性较好，无不良地质现象，岩土体承载力高。该桥在第4、5孔之间跨越陕京天然气管道，其与管道的最近距离为6.3 m。桥梁桩基浅部、中部、深部地质分别为淤泥质粉质黏土、砂卵石层、花岗岩层，据此，桥梁桩基施工方式以冲击钻孔为主。本次试验现场的具体状况如图1。

图1 试验现场状况Fig.1 The testing field

1.2 试验布置

埋地管道与冲击桩孔中心的距离为8.12 m，管道的埋深为1 m。以管道轴向为x轴，径向为y轴布置测点。3个测点在x轴方向进行布置，4个测点在y轴方向进行布置，其中3 #和5 #测点在管道上进行布置，其余测点在地表布置，测点1，4，6，7分析整栋随距离的衰减规律，测点3，4分析管道上与地表振速关系，测点1，2，3，4，5分析冲击振动能量和振源性质。测点坐标如表1，三分量传感器的布置图如图2，微地震现场实时监测情况见图3。

表1测点布置坐标

Table1Coordinateofeachmeasuringpoint

图2 三分量传感器的布置Fig.2 Arrangement of three component sensor

图3 微地震系统监测Fig.3 Micro-seismic monitoring system

1.3 信号采集

实时采集重m=5 t、底面半径R=0.9 m的冲锤从地表冲击开始直至冲孔深度达到h=10 m时的一系列微地震信号数据(微地震事件)。当h=1.3 m，震源在这个时候基本上跟管道是处于一个水平平面，其震源的坐标是(0,8.12,1.30)，此时分别采集冲程s为0.5～2.5 m时的微地震事件。

从试验现场直接测定，并按照一定规则挑选出的1#、3#、4#、6#测点的典型微地震数据如图4 和图5。图中e、n、v的振动速度信号为三分量的传感器依次在水平切向、水平径向以及竖直方向上测得。

图4 各冲程微地震事件典型振动速度波形Fig.4 Typical vibration velocity waveforms of micro-seismic events of each stroke

图5 各震源位置的微地震事件典型振动速度波形Fig.5 Typical vibration velocity waveforms of microseismic events for each vibration sourcee

从图4和图5中可以看出，在e，n，v三个方向量测的微地震事件振动波形有较明显的差异，但是都显示出面波是比较发育的。通过进一步的分析可知，当冲程在0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m时，两次相邻的冲击间隔时间依次为3.3，4.0，5.5，6.6，7.5 s。统计分析显示，所有测点的振动波形，它们最大的持续时间在190～1 010 ms范围内。其中，冲击振源位于地表时，其振动最大持续时间为350～1 010 ms；当在地表下4 m处冲击时，其振动最大持续时间为230～960 ms；当在地表下10 m冲击时，其振动最大持续时间为200～550 ms。由此可知，振源深度愈增加，引起振动的最大持续时间越短。

2 试验的数据整理及分析

2.1 振动的特性与对邻近埋管的影响

将典型的微地震信号在频域上进行相关分析，由此得出在频域上的功率谱特征和在时间域上的频率特征，见图6、图7。从图中可以得到，振动波能量集中于低频率范围内，为10～50 Hz，且信噪比比较高，而振动波信号在其它频段内的能量很小。

图6 微地震信号功率谱分析Fig.6 Power spectrum analysis of micro-seismic signal

图7 微地震信号时频分析Fig.7 Time-frequency analysis of micro-seismic signal

不计管道的影响时，一般地，地表振动衰减的规律表现为[9]：能量主要集中于竖向振动方向，并且在3个方向上的振动能量均随着传播距离的增加而呈乘幂关系特点进行衰减，其初期的衰减速度是非常快的，但是当达到一定距离后振动衰减的幅值有所下降。同时，相比其他两个方向，水平径向的能量衰减指数明显要高，如图8。

图8 随传播距离增加的振动波衰减特性Fig.8 Characteristics of vibration wave attenuation with the distance increase

当H=1.3 m、s=0.5～2.5 m时，管道上试验测点3和地表测点1、4、6的峰值振速表现为图9中的变化曲线。由图9可见，振动速度在埋地管道前后测点上呈现出先减小后增大的规律。由此得出，埋地管道的存在，使振动能量的幅值有一定程度的放大。

图9 随距离增加的峰值振速变化曲线性Fig.9 Peak velocity curve with the increasing distancee

对各冲击震源位置进行考虑，埋地管道上方地表测点与管道上布置的测点，它们在3个方向上的振动速度见表2。

表2测点在不同振源位置时的峰值振速

Table2MeasurethepeakvibrationvelocityoftestingpointsinDifferentsourcepositions

/(cm·s-1)

根据表2得出，管道上的测点，当震源位于地表时其竖向的振动速度最大，而当震源位于地表以下时，振动速度最大的为水平径向方向；但是管道上方的地表测点振动速度却不受冲击震源位置的影响，最大值始终位于竖向方向。另外，对于地表冲击，管道上的测点峰值振动速度小于地表。而对于地表下冲击，管道上的测点峰值振速大于地表，且冲击在与管道同一水平面时，管道上的测点振速最大。测点峰值振速随震源深度的变化曲线见图10。

图10 随振源深度增加的峰值振动速度变化曲线Fig.10 The peak vibration velocity curve with the source depth increasinge

一般情况下，桥梁桩基的桩孔是由人工掘进0.5～1.0 m后才开始冲击施工的，故根据上面的分析，在常规振动监测中，针对邻近埋地管道桩基施工的，以监测管道上方地表的竖向振动速度为主。文献[10]以地震烈度为5度的峰值速度作为基准，并参照《桩基工程手册》及瑞士标准SN 640312—1992中的相关规定，得出了冲击钻孔施工振动对埋地天然气管线影响的安全判据。由此可知，只要控制地表峰值振速在安全范围，即可保证管道的安全。此外，在施工桩孔与管道距离较近的情况下，可采取人工掘进桩孔至深度位于管道水平面以下后再冲击施工，以有效减小管道的振动速度继而保证埋地管道的运营安全。

2.2 冲击破裂区范围的确定

检波器接受冲击震源产生的声波信号见图11，根据微地震的定位原理及其定位的方法，在得出微地震事件震源位置的情况下，便可将冲击破裂区的范围进行确定。倘若管道位于冲击破裂区的范围之外，则可判断出埋地管道不会遭致破坏。这样结合前面的工况分析，就可进一步对埋地管道的安全状况进行评估，以此来指导现场的桩基施工。

图11 微地震信号产生Fig.11 The generation of microseismic signal

选取与管道在同一平面的震源，即坐标为(0,8.12,1.30)，当冲程s为1.50 m时，对测点1#、2#、3#、5#的微地震事件作震源定位分析。图12为某一微地震事件P波到时的拾取，图13为其定位的结果，得出的震源位置为(0,8,1.50)。该结果与实际比较符合。

图12 P波到时拾取Fig.12 Picking out arriving time of P-wave

图13 微地震事件的定位分析Fig.13 Location of micro-seismic events location

对在同一试验条件下所采集的有效微地震事件作定位分析，得到了一个由振动引起岩土体破裂的区域，区域的半径为冲锤半径的3倍左右，如图14。据此研究结论得出，倘若埋地管道位于3倍冲锤半径(3R)以外的范围，即可保证冲击施工过程中所产生的振动不会对管基的岩土层造成破坏，继而避免威胁到管道的安全。因此，应对在距离埋地管道3R范围内进行的施工严格禁止；而当拟建公路和既有管道出现交叉的情况时，在公路路线设计方案的初期公路建设单位就应该将桥梁桩位设计在与埋地管道的距离大于3R处，防止管基岩土体遭到施工冲击振动的破坏。

图14 施工振动破裂的区域(单位：m)

3 结 论

1)位于埋管前后的测点，其振速呈现先降低后增大的趋势，即振动能量的幅值因埋管的存在有一定程度放大。

2)震源位置对管道上测点和地表测点的振速影响较大，位于地表冲击和地表下冲击时，管道上测点的振动速度分别在竖向和水平径向上最大；但对于地表测点振动速度的最大值始终位于竖向方向。另外，冲击震源位于地表时，地表测点峰值振动速度大于管道上的测点峰值振动速度；而对于冲击震源位于地表以下时，地表测点峰值振动速度小于管道上的测点峰值振动速度，且冲击震源位于与管道同一水平面时，管道上的测点振速最大。

3)在常规振动监测中，针对邻近埋管桩基施工的，主要监测管道上方地表的竖向振动速度。当施工桩孔与管道距离较近的情况下，可采取人工掘进桩孔至深度位于管道水平面以下再冲击施工，以有效减小管道的振动速度继而保证埋地管道的安全运行。

4)对微地震信号作震源的定位分析与研究，得到由施工冲击振动引起岩土体破裂的区域半径为冲锤半径的3倍左右。据此研究结论得出，如果埋管位于3倍冲锤半径(3R)之外的范围，即可保证冲击施工过程中所产生的振动不会对管基的岩土层造成破坏，继而避免威胁到管道的安全。为桥梁桩基施工振动的研究提出了新的研究手段。

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