桥梁桩基施工对周边建筑物的影响控制

张永岭，吴壮

（上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

高频免共振沉桩技术是当下的一种新型沉桩技术。其具备了高频振动沉桩的优点，同时也保证了对周边构筑物的保护，在液压驱动下，上下对称的两组振动器带动桩产生垂直上下振动，使桩周土体产生强迫振动，使土体液化破坏桩土之间的挤压粘结状态，从而降低土体强度和动阻力，桩在激振力和锤桩重力共同作用下，穿越土层达到设计深度。同时当振动锤频率增加到接近岩土的固有频率的时候，通过调节上下两组振动转子相对位置使其产生的激振力相互抵消，表现为振动锤对外不输出功，待振动锤内转子振动频率升越该频段后对外开始输出功，从而消除了共振的出现。高频振动频率一般可达到2000～2500r／min，以实现施工作业要求。与其他沉桩方法相比，有超低震动噪声、高效沉桩等优点。一般来说，其施工效率是一般普通方法的数倍，沉桩速度一般在4～7m／min，在非淤泥地质中最快可达12m／min 。

1 人行桥梁工程概况

滨江公共空间和综合环境（五期）水上工程（以下称本工程）的人行桥梁工程是由水上平台经过轮渡站前方架高贯通的重要的分部工程，施工内容为桥梁桩沉桩14根，桩位布置见图1 ，预制安装桥梁板7块，现场周边构筑物状态为，1～3号桩北侧紧邻上海华东船务办公大楼，4、5号桩北侧紧邻轮渡站渡口楼房，12～14号桩东侧80米即为杨浦大桥桥墩。根据现场勘查测量，1、2号桩距离现有建筑仅有2米，3、4、5号桩距离现有建筑均在5米以内，根据施工要求，在沉桩过程不得对现有建筑造成损坏。

图1 桩位布置图

2 桥梁桩基施工条件

2.1 桥梁桩施工地质条件

根据本次详勘揭露地层资料，场地地基土分布有以下特点：

上层为填土，成份复杂，主要由大量碎石、砖块、砼块、煤灰渣等建筑垃圾组成，深度为3米。中间层以粘性土为主：主要有淤泥质粘土、灰色粘土，灰色粉质粘土等，厚度约为26米。下层为粉砂为主，颗粒组成以云母、石英、长石为主，夹砂质粉土，呈密实状态，土质不均，钻探厚度约为15米。

2.2 桥梁桩基施工重点难点问题

2.2.1 施工难度大

本工程累计有桥梁桩17根，施工场地北侧紧邻华东船务办公楼和宁国路轮渡站渡口建筑，南侧8米范围为新建挡土墙，施工场地极为狭小，影响制约因素较多。桥梁部分桩基紧邻现有的华东船务办公楼、宁国路轮渡站，最近距离只有2米，同时我方的沉桩范围在杨浦大桥保护范围之内，所以选择合适的方案对这些建筑物的安全非常重要，这也是本工序的施工难点。

2.2.2 工期要求高

根据总体施工工期安排，桥梁桩应在防汛墙完成后完成回填才可进行，同时因总工期的限制，紧后还有桥梁的安装施工，因此高压桥梁桩的施工被压缩得只有8天，这是本工程贯通的关键工序，其施工展布和进度情况直接影响工程总体进度。为保证桥梁桩的顺利施工，现场必须选取合适的桩型和施工方案才能满足工期要求，否则可能造成本工序及后续桩帽施工作业过长的施工等待时间造成工期损耗，进而影响总体施工进度。

3 桥梁桩基施工方案的比选

3.1 施工方案评价标准

3.1.1 是否满足场地及环境保护要求

场地狭小是本工序的制约条件之一，桥梁桩基施工方案选用既能达到成桩技术要求，又要满足施工设备外型尺寸不能过大。另外周边环境问题是另外一项重要的制约因素，桩型的选择沉桩方式的选择，都要考虑对周围环境产生的影响，除常见的噪音、震动影响外，还会因为土体受到挤压和振动，引起原有地基破坏，因而会对周围原有建筑物和周边水工设施带来不利影响，所以合理的桩基方案是关键。

3.1.2 是否满足工期要求

施工效率评价标准为单根桩沉桩效率和在单根沉桩施工结束后，能高效地完成桩位转移，形成桥梁桩沉桩连续施工作业；以及在桥梁桩施工结束后，能迅速地实现基座安装，达到强度后满足构建安装的要求。

3.1.3 综合施工成本是否最优

在施工方案满足质量与施工效率的前提下，还应综合分析施工措施特别是对构筑物保护产生的综合成本，不同的施工方案，投入的设备、材料与人工情况也不尽相同，这就直接形成了施工成本差异，在条件可行的情况下，需要选择成本最优的。

3.2 方案选定

由于桥梁桩基临近建筑物并且桩基临江侧存在新建挡墙，如果采用实心的预制混凝土桩、下端封闭的管桩在成桩过程中产生的此种挤土效应就非常大，故在本工序不采用实心预制混凝土管桩和下端封闭的管桩，本工程计划采用取土法的钻孔灌注桩和壁厚较小且端部开孔的钢管桩作为桩型备选方案，施工方法参考以往工程经验，并结合工程实际情况综合分析考虑，我们初步拟定了5种具备基本可行的桥梁桩基方案：①钻孔灌注桩方案；②静压桩沉桩方案；③锤击桩沉桩方案；④振动锤沉桩方案；⑤高频免共振沉桩方案。

对各个方案的优势与劣势，通过是否满足周边保护要求、场地空间要求、施工效率、成本等三项比选标准对各个方案进行对比评估：钻孔灌注桩虽然挤土效应最小但是施工效率低不满足施工工期要求，同时钻孔设备和混凝土浇筑设备受限于场地和通道。静压沉桩因需加载重量高达数百吨，会对外侧新建挡墙产生安全影响，且场地狭小空间不宜施工。钢管桩锤击打入沉桩方案锤击桩产生的震动和噪声较大，冲击力对周边建筑产生影响较大，施工噪音和振动的公害大、污染环境，水上作业使用辅助设备多，施工措施成本较高。钢管桩振动锤沉桩时振动锤产生的震动可与周边建筑产生共振对建筑物的安全影响较大；钢管桩高频免共振沉桩属新设备新工艺，能够避免与土体的共振，基本不影响，并且施工效率较高。

综上我们选取采用钢管桩高频免共振沉桩方案进行施工。

4 免共振沉桩施工方案分析

4.1 免共振实现原理

液压振动锤的工作原理是偏心块高速旋转产生激振力，通过带动桩身做高速振动实现土壤液化，最终克服土壤摩擦力实现桩身下沉。首先，所需要振动锤以较高的频率运作时才能满足正常施工同时又避免正常施工阶段的共振，但在设备启动和关闭的时候一定会经过土壤的共振频率范围（土壤的固有频率在1000赫兹上下），也就是在开启和关闭的时候有两次带动土体共振，从而造成临近建筑的破坏以及坍塌；另一方面共振能量会传递到振动锤和辅助吊机，会严重影响设备的寿命和安全。实现“免共振”说到底就是如何在振动锤升频时能够越过土体固有频率的频段。

免共振锤的调节原理见图2，偏心块结构为免共振振动锤的内部结构，其中半阴影的圆形结构为偏心块，共有两组，每组为2个，且偏心块的大小、质量完全相同，通过特殊设计和调节保证上下两组偏心块在高速旋转的同时，在任何相位角的时候都保持上下偏心块的激振力刚好抵消，此时激震力为0，对外表征为不振动，但是此时偏心转子仍在加速运转。这样就保证了在免共振振动锤启动和关闭的时候偏心块的高频率，但没有激振力。一直到频率超过土体固有频率后，通过智能调节使得上下两组偏心块的相位角错位从而产生激振力，同时可以调节激震力大小，实现设备的正常施工。

图2 调节原理

4.2 振动锤参数的选择

振动设备选型原则：振动设备激振力＞桩土之间摩擦力，振动锤克服土的摩阻力后，才能将桩沉入土中，用FV表示振动锤的激振力（KN），FR表示土的摩阻力（KN），既FV＞FR。工程试验标准贯入击数为55.3击。振动锤选型根据本工程桥梁桩最大的来选取，取参数直径1500mm，壁厚16mm，长35m，重20715kg的钢管桩选型来计算：

土的摩阻力按下式计算：

FR=fUL

L—桩的入土深度（m）

U—桩的周边长度（m）

f—土层单位面积的动摩阻力（t/m-2），可按表1估算

表1 土壤标准贯入击数N与动摩阻力关系表

将数值代入公式：

FR=1.7t/m-2×35m×π×1.5m=280.2t

即摩阻力为2802KN，故要求激震力大于该值。

根据摩阻力选取免共振液压锤的锤型号为ICE70RF。其参数为：激振力：3070kN；最大转速：2000rpm；最大偏心力矩70kgm；最大振幅21mm；总重量10200kg。

满足FV=3070KN＞FR=2802KN，故满足施工要求。

4.3 高频免共振沉桩方案效果分析

4.3.1 对周边建筑物影响结果

为了保证建筑物的安全，全程对防汛墙、轮渡站及水工结构等建筑物位移进行检测，选取了检测数据变化量最大的一个点进行分析，位移变化数据见表2：

表2 位移监测统计表

根据上表统计数据显示，在桥梁施工阶段，建筑物位移在正常的位移范围内并没有出现明显变化，说明免共振沉桩施工阶段对建筑物基本无影响。

4.3.2 施工进度和质量情况

本工序施工时间8天，满足进度要求，未对后续工序产生影响。质量检测结果显示桩位偏差控制在5cm以内，符合设计要求；焊接质量检测，对所有焊缝进行超声波无损探伤，结果均合格；基桩高应变动测是对其桩身完整性和地基对桩的支撑力检测其承载力均符合设计要求。

5 结束语

项目部通过对比传统的多种沉桩施工工艺，选择了适合本工程的施工方案即高频免共振的振动锤沉桩施工工艺，并通过理论计算和现场精细的管理很好地做到了施工进度、周边保护和环境保护的完美协调，在沉桩过程的工艺选择和操作过程中积累了一定的经验，为其他项目施工中遇到临近建筑物施工提供一定的参考。在实际施工中遇到问题后，可以考虑从多个角度来思考问题的处理方式，并在客观环境允许的情况下拟定出多路径解决问题达到目标的方法，再通过评估筛选出最优方案用于实际生产，这样既有助于问题症结的透彻分析，又有利于工程管理工作的实效性开展。