桩基施工对埋地管道影响及控制措施

高丽丽 赵浮江 师 梅 杨斯明

（陕西省天然气股份有限公司，陕西 延安 716000）

新时期，低碳经济发展迅速，对于埋地资源的需求量显著增加，在埋地传输过程中，埋地管道发挥着十分重要的作用。在各类市政工程项目建设中，土地资源紧缺，各类工程项目建设均会对埋地管道安全性造成不良影响。埋地资源具有易燃易爆特性，而埋地管道处于高压运行状况下，如果埋地管道受损，则会发生埋地资源泄露，容易发生火灾、爆炸等严重事故，不仅会对社会经济稳定发展构成危害，同时还会对周边项目安全性造成不良影响。因此，对桩基施工对于埋地管道所产生的影响进行深入研究意义重大。

1 桩基施工对埋地管道影响分析

桩基主要包括以下几种类型：①挤土桩：在预制桩、木桩、沉管灌注桩的锤击、振动过程中，可贯入至土体结构中，使得土体被排挤，土体结构受到较大破坏，对于土体的强度以及变形性质均会产生较大影响；②部分挤土桩：包括冲击成孔灌注桩、开口钢管桩、H型钢桩等。在部分挤土桩环节，可对桩周边土体产生一定的排挤作用，但是土体结构强度以及变形性质不会发生较大变化；③非挤土桩：包括钻孔灌注桩、预制桩，在部分挤土桩的设置过程中，需彻底清除孔中的土体，桩体周围土体不会受到挤压，同时还可能向桩孔中移动[1]。

为探究桩基施工对埋地管道所产生的影响进行分析，本文选择对挤土桩以及非挤土桩展开深入研究。

1.1 挤土桩施工对周围环境的影响

1.1.1 打桩施工产生的挤土效应及规律

在挤土桩施工中，会造成土体密实度增加，或者导致土体被挤开，使得土体隆起或者发生位移。如果桩的体积比较大，则土体的隆起量也比较大；而如果桩基础所占面积比较大，则土体隆起量较少。根据研究发现，当土体与桩中心之间的距离比较大时，土体的侧向位移会显著减小。

1.1.2 打桩施工产生的振动特性。

在重锤击桩时，会产生振动波，锤和桩之间接触点会产生不均匀加速度场。在地下环境中，打桩振动的传播形式为体波，地下结构所受到的打桩振动荷载作用和地震动力响应之间有很多相同之处。在打桩过程中，土壤阻力会对每一击的贯入度产生直接影响，因此，振动强度和土壤阻力之间密切相关。当锤击能量保持不变时，如果桩端土层的硬度比较大，则在每一击时，塑性贯入比较小，同时，传入土体中的能量比较大，所引发的振动响应十分显著[2]。

1.2 非挤土桩施工对周围环境的影响。

在非挤土桩施工中，钻孔灌注桩的应用比较常见。在钻孔灌注桩施工中，需应用机械设备进行钻孔，在钻孔完成后，即可下放钢筋笼，再浇筑混凝土，最终形成桩体结构。钻孔灌注桩不会产生挤土效应，并且在施工环节所产生的噪音比较小。但是，钻孔灌注桩施工过程复杂程度比较高，如果施工场地地质条件复杂，如在卵石层、淤泥质土层钻孔施工时，对于技术工艺的要求比较高，如果控制不当，则容易发生塌孔、缩径等质量问题，同时，还会对自然生态环境构成危害。

通过上述分析可见，在桩基施工之前，施工场地土层与埋地管道之间处于平衡状态，而在挤土桩基施工中，不可避免地会对周围土体结构造成扰动作用，埋地管道和土体结构之间也会发生相互作用，进而导致埋地管道平衡状态受到破坏。在非挤土桩施工过程中，一般不会对周边环境造成较大不良影响，但是，如果施工场地的地层条件比较复杂，则必然会对地下构筑物构成危害。

2 桩基施工对埋地管道危险有害因素

在桩基施工中，对周边埋地管道造成破坏时，主要有三种破坏形式：其一，冲击荷载直接作用于埋地管道；其二，在外力作用下造成埋地管道发生变形损伤；其三，应力波反复作用于埋地管道，造成管道发生疲劳破坏。

桩基施工为系统性工程，在打桩过程中，会对土层造成扰动作用，进而直接影响埋地管道，同时，桩基施工不同环节均可能会对埋地管道产生较大影响。具体体现在以下几个方面：打桩、钻孔、机械车辆运输、施工作业面布局规划、土方开挖、不安全操作行为等[3]。

2.1 挤土桩的危险有害因素

（1）打桩：在打桩施工过程中，没有对桩基和管道之间的距离进行有效控制，在打桩过程中产生挤土效应，并发生震动，导致管道受到破坏。

（2）埋地管道物探误差：在桩基位置布置过程中，如果没有综合考虑埋地管道物探所得结果误差，则在打桩过程中，可能会对埋地管道物造成冲击破坏。

2.2 非挤土桩的危险有害因素

（1）钻孔：在钻孔过程中，没有对桩基和管道之间的距离进行合理控制，或者质量控制措施应用不当，进而发生塌孔事故，或者桩孔发生倾斜，造成管道受到破坏。

（2）埋地管道物探误差：在桩基布局规划过程中，如果没有综合考虑埋地管道物探结果误差，则在钻孔过程中会对埋地管道造成冲击破坏。

3 桩基施工环节埋地管道安全防控措施

3.1 桩基施工前的控制措施

3.1.1 桩基类型的选择

根据上文分析可知，与挤土桩相比，非挤土桩对埋地管道所产生的影响比较大，因此，如果施工区域地质条件适宜，机械设备技术水平比较高，则应当尽量应用非挤土桩施工技术，尽量减小对埋地管道所造成的不良影响。

3.1.2 桩基与埋地管道安全间距的控制

（1）在挤土桩施工中，应当对周边环境进行探测，确定埋地管道分布位置，并确定保护范围，同时还需综合考虑挤土效应、振动特性，合理确定埋地管道之间的安全距离。

（2）在非挤土桩施工中，不仅需对周边环境进行探测，确定埋地管道分布位置及保护范围，同时为了确定埋地管道之间的安全距离，应当保证为各类机械设备预留一定的操作空间，此外还需综合考虑塌孔、缩径、钻孔倾斜率等影响因素[4]。

3.1.3 埋地管道的精确探测

在桩基施工中，为确定桩位分布情况，应当合理确定埋地管道所在位置。

（1）对于直埋埋地管道，可应用电磁感应法进行探测，确定管道埋设位置，再与管道业主进行沟通交流，在业主方监护下应用开挖样洞方式确定管道的具体位置。

（2）对于非开挖敷设埋地管道，可应用人工地震波法、磁梯度法、孔中雷达法确定管道埋设位置[5]。

3.2 桩基施工过程中的控制措施

3.2.1 挤土桩打（压）桩环节控制措施

（1）对于挤土桩以及机械设备，均应当设置在埋地管道保护范围以外。

（2）开展预钻孔，据此抵消部分桩的挤土量，在成孔后打桩，尽量减小对周围土体所造成的扰动力影响。

（3）帷幕保护措施，即在桩和管道之间，可进行隔离帷幕施工，即可有效隔离在打桩过程中所造成的土体位移。

（4）严格控制施工工艺，包括合理设计沉桩施工顺序，加强沉桩速度控制等。

3.2.2 非挤土桩施工环节控制措施

（1）对于施工现场机械设备，应当规划在远离埋地管道的位置。

（2）在钻孔施工前，应当组织测量人员根据坐标点进行测量放样，再组织专职检测人员对钻孔位进行核查，在核查无误后即可进行钻孔施工。另外，在钻孔过程中，现场技术人员应当对钻孔位置、钻杆垂直度以及倾斜度进行检测调控。

（3）在钻进过程中，当钻进深度与埋地管道之间的垂直距离在3m左右时，即可适当放缓钻进速度，同时，还需对钻孔位置、钻杆垂直度以及倾斜度进行检测调控。

（4）在编制施工方案前，首先对施工场地地质条件进行勘查，据此对施工方案进行优化调整，降低塌孔发生率。

（5）如果施工场地为不良地层，容易发生塌孔、缩孔等问题，则在钻孔过程中，在钻孔面和埋地管道之间，可应用钢护筒进行隔离，避免在钻孔过程中发生塌孔事故[6]。

4 桩基施工对埋地管道影响及控制实例分析

4.1 工程概况

本文选择某高速公路项目作为研究对象，施工段为K35+280段，在新建桥梁工程施工中，桩基施工区域与埋地管道之间的距离约为2m，如果防护管理不当，则可能会造成埋地管道发生位移或者破裂。在桩基施工前，首先对施工场地地质条件进行勘查，土层分布情况如图1所示，地质地貌均比较简单，岩土是由黏土以及粉土所组成的。通过对岩土参数、桩基以及埋地管道参数进行检测，所得结果见表1和表2。另外，埋地管道钢材的屈服强度为220MPa。

图1 土层分布情况

表1 岩土参数

表2 桩基及埋地管道参数

4.2 计算模型

4.2.1 有限元模型

在本次计算模型创建中，选用有限元方法。首先，以该桥梁工程以及埋地管道的各项参数作为依据，采用Solidworks软件创建三维几何模型；其次，将已创建完成的几何模型导入Ansys软件中进行分析，对桩基施工过程中对埋地管道所产生的影响进行模拟分析，桩基和周围土体结构的三维几何模型如图2所示。

图2 三维几何模型

在本次模型分析中，有限元模型的网格划分情况如图3所示。另外，对桩身、1-2-3a层土体以及埋地管道均进行网格加密处理，埋地管道网格划分情况如图4所示。本次研究中所创建的有限元模型为Solid45型，模型总网格数为732602个，节点数为442648个。

图3 模型网格划分

图4 埋地管道网格划分

为了能够对桩基施工现场实际情况进行模拟分析，对于模型底面以及侧面，均施加无摩擦约束，保证其能够沿纵向膨胀并发生变形；在不同土层、管道以及土体之间可应用摩擦约束，同时，对于桩基顶部可施加荷载，对桥梁工程上部结构作用进行模拟。在对有限元模型计算时，可应用两种计算方式，包括拉格朗日以及高斯法。

4.2.2 工况设置

在本次研究中，将桩基和埋地管道之间的距离、埋地管道壁厚、桩基深度、埋地管道的埋深作为关键变量，工况设置情况如下：

（1）该施工场地周边埋地管道的壁厚为10mm，埋深为3m。在桩基施工中，当桩基深度达到30m时，对于桩基与埋地管道之间的距离，可设置为8种工况，包括0.5m、lm、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m以及4m。

（2）当桩基和埋地管道之间的距离为2m，管道埋深为3m，同时，桩基深度达到30m时，对于埋地管道壁厚，可设置为5种工况，包括6mm、7mm、8mm、9mm以及10mm。

（3）当桩基和埋地管道之间的距离为2m，桩基深度为30m，管道壁厚为10mm时，对于埋地管道埋深，可设置为5种工况，包括1.8m、2.4m、3m、3.6m以及4.2m。

（4）当桩基和埋地管道之间的距离为2m，管道壁厚为10mm，管道埋深为3m时，对于埋地管道埋深，可设置为7种工况，包括30m、35m、40m、45m、50m、55m以及60m。

4.3 安全性影响因素分析

4.3.1 桥梁桩基与管道距离的影响

当桩基和埋地管道之间的距离发生变化时，埋地管道最大应力以及最大沉降量的变化形式如图5所示。由图5可以看出，当二者之间的距离比较大时，埋地管道的最大应力以及沉降量均会逐渐降低，同时，降低趋势逐渐放缓。当桩基和埋地管道之间的距离达到0.5m时，埋地管道的最大应力为583.18MPa，而当二者之间的距离为4m时，埋地管道的最大应力为28.64MPa；当二者之间的距离为0.5m时，埋地管道的最大沉降量为36.426mm，当二者之间的距离为4m时，埋地管道的最大沉降量为4.869mm；当二者之间的距离在2.03m以内时，埋地管道的最大应力即可超过管道钢材的屈服强度。

图5 桩基与管道距离对管道受力和沉降影响

4.3.2 管道壁厚的影响

当埋地管道的壁厚发生变化时，埋地管道最大应力和最大沉降量的变化情况如图6所示。由图6可以看出，当埋地管道的壁厚为8mm时，最大应力为322.84MPa，而最大沉降量为7.07mm；当埋地管道的壁厚为10mm时，最大应力为223.21MPa，最大沉降量为4.23mm。如果管道壁厚持续增加，则管道最大应力以及沉降量的下降趋势将逐渐放缓。当管道壁厚在9.95mm以内时，管道最大应力即可超过管道钢材的屈服强度。

图6 管道壁厚对管道受力和沉降影响

4.3.3 管道埋深的影响

当埋地管道埋深发生变化时，埋地管道最大应力和最大沉降量的变化情况如图7所示。由图7可以看出，当埋地管道的埋深达到1.8m时，管道最大应力为340.91MPa，而最大沉降量为16.312mm；当埋地管道的埋深达到4.2m时，管道最大应力为147.29MPa，而最大沉降量为4.028mm。如果管道埋深持续增加，则管道最大应力以及沉降量的下降趋势将逐渐放缓。当管道埋深在3.05m以内时，埋地管道的最大应力将超过管道钢材的屈服强度。

图7 管道埋深对管道受力和沉降影响

4.3.4 桩基深度的影响

当桩基深度发生变化时，埋地管道最大应力和最大沉降量的变化情况如图8所示。由图8可以看出，当桩基深度不断增加时，管道最大应力和沉降量均会持续增加。当桩基深度达到30m时，管道的最大应力为219.93MPa，而最大沉降量为6.984mm；当桩基深度达到60m时，管道的最大应力为648.25MPa，而最大沉降量为41.254mm。当桩基深度不断增加时，管道最大应力以及沉降量将继续增加。当桩基深度达到31.08m以上时，埋地管道的最大应力将超过管道钢材的屈服强度。

图8 桩基深度对管道受力和沉降影响

5 结语

综上所述，本文选择某桥梁桩基施工作为研究对象，创建有限元模型，对桩基施工对埋地管道所产生的影响进行探究。根据本次研究，当桩基和埋地管道之间的距离大、管道壁厚大、管道埋深大时，埋地管道的应力以及沉降量均比较小，而当桩基深度持续增加时，埋地管道的应力以及沉降量均会显著增加。为避免对埋地管道造成不良影响，在桩基施工中，应当将桩基与埋地管道之间的距离控制在2.03m以上，将桩基深度控制在31.08m以内，将管道壁厚控制在9.95mm以上，同时要求管道埋深大于3.05m。