大直径钢管桩锤击沉桩对邻近取水隧道的影响

莫鼎革

（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波315207）

大直径钢管桩锤击沉桩对邻近取水隧道的影响

莫鼎革

（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波315207）

采用现场监测和数值模拟相结合的方法，研究了算山码头1号泊位码头结构加固改造工程大直径钢管桩沉桩引起的振动效应对邻近取水隧道安全性的影响。首先通过2、3号墩台沉桩试验，测试获得了打桩引起周边地层土体动力响应、孔隙水压力与水平位移，确定了沉桩振动对周边土体的扰动及影响范围；再利用监测数据进行数值反演、对比；最后利用数值计算模型预测了1号墩台沉桩施工对取水隧道安全性的影响。结果表明：2、3号墩打桩过程对土体的扰动较小，数值模拟结果与实测数据较为接近，较为可靠；1号系缆墩沉桩有风险，不推荐锤击沉桩。

大直径钢管桩；锤击沉桩；取水隧道；数值模型

0 引言

采用振动法打设大直径桩时，可导致邻近建构筑物产生裂纹或破坏。国内外学者对该问题开展了诸多研究，高彦斌等[1]对某工程桩基施工过程中的地面振动进行现场测试，并利用实测数据分析了场地土特性及打桩入土深度对地面振动的影响规律。李业勋等[2]结合港珠澳大桥东人工岛结合部非通航孔桥支架桩工程实例，对高频振动打桩过程中桩周土体动侧摩阻力及平均可打桩深度进行了研究。杨祁等[3]利用有限元软件Abaqus建立大变形三维模型，对高频打桩进行数值模拟，研究高频打桩对临近基桩的影响。Henke等[4]提出了评估打桩对邻近建筑影响的三维有限元分析方法，并比较了静压打入和振动打入对周围土体的影响。李怡闻等[5]采用ANSYS建立基于动力接触的桩-土-隧道动力相互作用模型，分析不同打桩距离，打桩深度和打桩能量对隧道振动的影响规律。李飒等[6]根据渤海海域36根桩的打桩记录，对其中的黏性土土层的打桩记录进行了反分析，分析了打桩过程中黏土层中土阻力的变化特点。董军锋等[7]论述了建筑施工振动的常见类型、打桩引起的振动特性，分析了打桩振害与地震震害的区别以及打桩振动对建筑物影响形式。目前，打桩对地下埋管或隧道的振动影响研究较少。杨振琨等[8]分析了打桩对隧道可能产生的振动影响，并根据现场测得的加速度，采用数值方法计算了打桩荷载的分布形式及幅值，分析了打桩对隧道的影响。

宁波算山码头1号泊位改造项目位于某电厂附近，码头桩与电厂取水隧道（直径4.8 m，壁厚0.3 m，衬砌混凝土为C50，抗渗标号为S6）的最小距离为24.8 m，且沉桩数量较多，沉桩施工引起的振动可能对电厂取水隧道安全运行产生影响。为此，本文利用监测结果和数值模拟结果就2、3号墩打桩过程对取水隧道的安全影响进行研究，再对1号墩台沉桩施工对取水隧道的安全性影响进行预测，进而判定1号墩沉桩施工对取水隧道安全的影响，为码头结构加固改造提供技术依据。

1 工程概况

算山码头位于杭州湾金塘水道南岸北仑港区的西部，共有6个泊位，其中1号泊位在码头最东部，西与2号泊位以人行桥相连，东与某电厂取水口和煤码头相邻。1号泊位原为25万吨级原油泊位，拟通过加固改造提升为30万吨级原油泊位，改造内容为：1号泊位码头作业平台、系缆墩均在原有的基础上向海侧扩建10 m，改造后码头作业平台尺寸40 m×33 m，原工作平台上输油臂及输油臂前集合管朝海侧顺移10 m，新建3个系缆墩尺寸均为10 m×10 m，每个承台下8根桩，采用φ1 200钢管桩，桩间距为3.25 m，距承台边缘0.75 m，桩长为69 m。

根据钻孔揭露地基土层的成因时代、岩性特征、物理力学性质及埋藏深度等，将勘探深度内的岩土体划分为8个工程地质层组，13个工程地质层，相关土层地质力学参数见表1。

表1 地质力学参数Table 1Geomechanical parameters

由算山码头前期钢管桩沉桩经验和表1所示的地质力学参数，本工程选用D100型柴油锤进行沉桩作业。在正常锤击沉桩时，锤击次数约为42击/min。对于69 m的桩，净锤击时间一般约为15 min。

2 沉桩振动监测

由于1号泊位距邻近取水隧道仅为24.8 m（图1），钢管桩沉桩施工过程中的振动效应可能影响对邻近取水隧道的安全。为此，通过制定施工方案，先施工3号墩（单桩距取水隧道最近76.3 m）、再2号墩（距取水隧道47.4 m），最后1号墩（距取水隧道24.8 m），同时通过监测对打桩引起的孔隙水压力、速度和位移进行监测，以判定大直径钢管桩沉桩对取水隧道的影响。

2.1 振动监测

2.1.1 测点布置

对2、3号墩桩基施工进行孔隙水压力、速度以及深层水平位移监测，平面布置见图1。

图1 监测点平面布置Fig.1Layout of monitoring point

测试点位布置5个，共15个钻孔，总计布设速度传感器21个，孔隙水压力计12个，深层位移计16个。1号钻孔中速度三向传感器、孔压传感器分别布设于-23.7 m（隧道中心所在深度）、-17.7 m、-36.5 m处；2号钻孔布设于-24.8 m、-21.0 m、-29.4 m处；3号钻孔布设于-23.7 m、-12.4 m、-28.1 m处；4号钻孔布设于-24.8 m、-13.2 m、-28.9 m处；5号钻孔速度三向传感器布设于-28.1 m处。

2.1.2 监测频率

深层位移监测打桩时每根桩打设完成后测试，不打桩时每天监测1~2次；遇到特殊情况或位移变化较大时视情况加密观测。孔隙水压力打桩时实时监测，遇到特殊情况或孔隙水压力变化较快时视情况加密观测。速度监测全程贯穿打桩过程，实时观测速度曲线，发现超标立即停止施工。

2.2 结果分析

2.2.1 孔隙水压力

本次测试中，沉桩与测点距离最小的是3号墩6号桩，与1-1、1-2测点的距离分别为11 m和14 m，在5倍桩径以外。对2号、3号墩共16根桩打桩过程引起的孔隙水压力变化测试表明，各桩施工过程中孔隙水压力变化幅值均不大于3 kPa，约1%。以2号墩2号桩打桩过程测点1-1以及5号桩打桩过程测点1-2孔隙水压力时程变化为例进行分析，结果如图2所示，可以看出：2号墩2号桩打桩过程测点1-1的最大孔隙水压力为220.15 kPa，最小值为219.25 kPa；2号墩5号桩打桩过程测点1-2的最大孔隙水压力为383.04 kPa，最小值为382.2 kPa，两个测点孔隙水压力变化幅值分别为0.9 kPa和0.84 kPa，说明打桩过程中土体内部孔隙水压力变化很小，土体处于稳定状态。

图22 号墩打桩引起的孔隙水压力时程变化曲线Fig.2Time-histories changing curve of pore water pressure caused by piling of No.2 piers

2.2.2 振动速度

由于沉桩振动引起土体振动速度的影响因素（桩入土深度、沉桩位置、监测位置等）较多，实际沉桩过程中较难定量分析贯入度对沉桩时土体振动峰值速度的影响。通过对2、3号墩1~8号桩振动速度数据的采集、整理，得到了在打桩过程中各测点的最大速度值，除3-6号桩外，打桩引起取水隧道附近振动速度最大值为7.72 mm/s，小于模型计算得到的破坏速度值20~30 mm/s，取水隧道处于安全状态。在3-6号和3-2号桩打桩过程中，各测点速度值有明显增大。

2.2.3 土体水平位移

为了防止淤泥层出现较大位移对取水隧道产生挤压作用，对土体深层位移进行了监测。以测点3-4为例，土体深层水平位移变化结果如图3所示，可以看出，在取水隧道高程-24.8 m处，土体最大水平位移为5.98 mm，隧道处于安全状态。测点3-3的水平位移情况与3-4测点规律相同，土体最大水平位移为5.12 mm，同样不会对隧道产生挤压破坏。

图33 -4号测点土体水平位移沿深度变化曲线Fig.3Horizontal displacement curve of soil along the depth of soil for No.3-4

采用自由场边界两种边界条件来减少模型边界上的波的反射，在模型四周生成二维和一维网格的方法来实现这种自由场边界条件，采用局部阻尼，并取局部阻尼系数为0.157 1。

3 打桩过程数值模拟

3.1 计算模型

由于1号墩距离隧道最近，沉桩对隧道的影响较大。为了预测沉桩对隧道的影响，利用FLAC3D模拟沉桩引起的振动，建立数值计算模型。模型范围为水平取500 m，竖直取桩底以下100 m，局部效果如图4所示。土的有限元模型采用Mohr-Coulomb模型，黏聚力、内摩擦角参数见表1，动力载荷如下：

图4 沉桩振动模拟有限元网格Fig.4Finite element mesh of pile-driven vibration simulation

3.2 计算结果分析

对各测点和隧道振动速度进行计算，结果表明各测点最大速度均在5 mm/s以下，且测点所在土体速度大小与距打桩点远近有关，并表现为浅层土体速度较大，深层土体速度较小。3号墩台4号桩沉桩引起的各测点合速度及X、Y、Z方向土体的速度分布表明，连续2次锤击引起的土体速度呈衰减趋势，第1次锤击后，速度先是急剧增大到峰值，最大合速度为4.8 mm/s，随后振荡衰减。第2锤击的速度峰值较前一次小。隧道位移和速度（0.50 s时刻）计算结果表明：在0.5 s时刻，离沉桩最近的隧道段的速度峰值约4.3 mm/s，最大位移约0.56 mm。由此可见，本文建立的模型可以较好地计算沉桩引起的土体和隧道的振动速度和位移。

3.3 监测与数值模拟结果对比

将模型预测结果与后续实测数据进行对比，各测点最大速度对比见表2，孔压见表3。

表2 最大速度预测值与实测值对比Table 2Comparison between the predicted and measured values of maximum velocity mm·s-1

表3 孔压最大值预测与实测对比Table 3Comparison between the predicted and measured values of maximum pore pressure kPa

由表2、表3可以看出：1）模型预测结果与实测数据较为接近，反映出来的规律也与实际相符，因此可作为预测打桩动力响应的有效手段；2）打桩过程对土体的扰动较小，各测点计算速度均小于6.5 mm/s，并表现为近处测点速度稍大（1.5~6.5 mm/s），远处测点速度小（0.1~1.5 mm/s）。浅层土体速度稍大，深层土体速度较小；3）打桩过程对土体孔压也影响较小，桩锤敲击桩顶时，周边土体孔压上升不到0.5%，随后又迅速恢复到原孔压；4）由数值计算可预测，在新桩施工时，隧道附近土体速度应在1.0 mm左右，孔压变化小于0.5%。

3.41 号墩沉桩对取水隧道影响预测

为预测最后施工的1号系缆墩大直径钢管桩沉桩施工对取水隧道安全性的影响，利用数值模型对1号墩沉桩引起的振动进行计算，获得取水隧道处土体最大振动峰值速度为3.75 mm/s，小于沉桩振动控制速度（20~30 mm/s）；沉桩振动对土体孔隙水压力影响较小，土体结构稳定；1号系缆墩沉桩时引起的取水管周围土体最大位移预测值为10.58 mm，已超出位移控制标准（8~10 mm），沉桩有一定的风险，故不推荐采用锤击沉桩。

4 结语

本文结合算山码头1号泊位2、3号墩台大直径钢管桩沉桩施工过程，测试了沉桩引起的孔隙水压力、振动速度和水平位移，验证了数值模拟结果的正确性，分析沉桩对邻近取水隧道安全的影响，主要结论如下：

1）2、3号墩打桩过程对土体的扰动较小，各测点计算速度均小于6.5 mm/s；打桩过程对土体孔压也影响较小，桩锤敲击锤顶时，周边土体孔压上升不到0.5%，随后又迅速恢复到原孔压。

2）数值模拟结果与实测数据较为接近，反映出的规律也与实际相符，可作为后续沉桩施工响应预测的有效手段。

3）1号墩桩基施工引起的取水隧道处土体最大位移值为10.58 mm，超出位移控制标准，沉桩有一定的风险，不推荐锤击沉桩。

[1]高彦斌，费涵昌.打桩引起的地面振动的测试与分析[J].地下空间，2004，24（2）：190-193. GAO Yan-bin,FEI Han-chang.Measurement and analysis of the ground movement induced by the piling driving[J].Underground Space,2004,24(2):190-193.

[2]李业勋，张奎，沈永兴，等.海上高频振动打桩的动侧摩阻力及可打性[J].中国港湾建设，2015，35（3）：33-36. LI Ye-xun,ZHANG Kui,SHEN Yong-xing,et al.Engineering research on dynamic lateral friction resistance and drivability of maritime high frequency vibratory pile hammer[J].China Harbour Engineering,2015,35(3):33-36.

[3]杨祁，陈福全，刘建鹏.高频振动打桩对邻近基桩影响分析[J].南昌大学学报：工科版，2014，36（3）：223-230. YANG Qi,CHEN Fu-quan,LIU Jian-peng.Effects of pile driving by high frequency hammers on adjacent piles[J].Journal of Nanchang University:Engineering&Technology,2014,36(3):223-230.

[4]HENKE S,GRABE J.Simulation of pile driving by three dimensional finite element analysis[C]//Proceeding of 17th European younggeotechnicalengineeringconference.Crotia:Croatian Geotechnical Society,2006.

[5]李怡闻，周健.土-结构动力相互作用分析打桩引起相邻隧道振动[J].岩土工程学报，2007，29（1）：60-65. LI Yi-wen,ZHOU Jian.Analysis of tunnel vibration due to pile drivingundersoil-structuredynamic interaction[J].ChineseJournal of Geotechnical Engineering,2007,29(1):60-65.

[6]李飒，蒋衍洋，周扬锐，等.大直径钢管桩打桩振动对黏土土阻力的影响[J].土木建筑与环境工程，2012，34（2）：46-51. LI Sa,JIANG Yan-yang,ZHOU Yang-rui,et al.Influence of pile driving on soil resistance in clay[J].Journal of Civil Architectural& Environmental Engineering,2012,34(2):46-51.

[7]董军锋，张旻，雷波.打桩振动对相邻建筑影响的测试与分析[J].武汉大学学报：工学版，2015，48（3）：397-402. DONG Jun-feng,ZHANG Min,LEI Bo.Test and analysis of influence of vibration due to pile deriving on adjacent building[J].Engineering Journal of WuhanUniversity,2015,48(3):397-402.

[8]杨振琨，杜成伟.打桩振动对埋地隧道的影响分析[J].建筑结构，2010，40（S1）：328-330. YANG Zhen-kun,DU Cheng-wei.The influence of pile driving on buried pipelines[J].Building structure,2010,40(S1):328-330.

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

国家自然科学基金项目（51478228）

莫鼎革（1969—），男，浙江宁波人，高级工程师，土木工程专业。E-mail：modg.zhlh@sinopec.com