橋梁樁基施工振動對鄰近埋地管道影響試驗研究

佘艷華，蘇華友

(1.長江大學 土木工程系，湖北 荊州 434023；2.西南科技大學 交通工程系，四川 綿陽 621010)

0 引 言

隨著我國公路、鐵路等基礎設施的大量修建，不可避免地出現(xiàn)與既有埋地輸油(氣)管道并行或交叉的情況，一般采用橋梁方式跨越。目前，橋梁樁基常見的施工方式為沖擊鉆孔施工，其具有連續(xù)施工特征，產生較大振動沖擊荷載，必然對埋地管道周圍的巖土層產生一定的擾動，對埋地管道的安全穩(wěn)定運行造成威脅。而油氣管道一旦發(fā)生爆管、破裂或滲漏，造成的后果嚴重。因此，對橋梁樁基工程沖擊鉆孔施工過程中產生的振動對埋地管道的影響，必須進行有效的安全監(jiān)測與控制。

而施工沖擊振動荷載對管道與土耦合體的影響與作用非常復雜，無論是在理論分析方面還是在數(shù)值計算上局限性都相當大。因此，筆者通過場地進行的微地震試驗，采用微地震信號采集系統(tǒng)[1]，對樁基施工產生的振動波傳播信號數(shù)據(jù)進行分組記錄，分析其頻譜特性，揭示振動波在巖土體介質中的傳播規(guī)律及其影響范圍，從而對施工振動對埋地管道的影響進行相應評估。通過本次研究，為樁基施工振動控制分析提供現(xiàn)場試驗方法，也為微地震監(jiān)測技術在巖土工程中的應用作進一步探索。

1 微地震監(jiān)測研究

1.1 微地震研究概況

沖擊產生的振動會使得巖土體介質產生一定形變，進而在地層的內部形成了彈性波，而一系列彈性波在介質中傳播便形成了所謂的地震波。此施工沖擊振動頻率比較低，其信號頻帶小于1 kHz，因振動信號在地層的傳播過程中高頻分量均被衰減了，所以一般稱之為微地震[2]。微地震事件即由震源點產生的微地震信號，接收到的一次微地震信號就為一個微地震事件，其頻率一般為0～50 Hz，振動能量一般為102～1010J。微地震波的相位變化、幅值和走時均反映了巖土層材料的內部信息與破裂狀況。微地震監(jiān)測技術是一種地球物理技術，基礎是聲發(fā)射學和地震學，是依據(jù)觀測及其分析工程實踐的過程中所產生的微地震事件，以此來監(jiān)測工程實踐活動所造成的地下狀態(tài)、影響及效果。目前，國內外研究者已在眾多領域對微地震技術作了不同程度的探索及應用，如油氣開采[3]、采礦工程[4-6]、地下工程[7]、巖土工程[8]等，均取得了豐富的研究成果，但是在理論研究和應用領域中還存在著諸多待進一步解決的問題。

為分析鄰近埋地管道施工產生的振動對管道的影響，筆者開展了現(xiàn)場微地震監(jiān)測試驗研究，場地位于張(家口)石(家莊)高速公路淶源—淶水段拒馬河第八號大橋的施工段。場區(qū)橋址穩(wěn)定性較好，無不良地質現(xiàn)象，巖土體承載力高。該橋在第4、5孔之間跨越陜京天然氣管道，其與管道的最近距離為6.3 m。橋梁樁基淺部、中部、深部地質分別為淤泥質粉質黏土、砂卵石層、花崗巖層，據(jù)此，橋梁樁基施工方式以沖擊鉆孔為主。本次試驗現(xiàn)場的具體狀況如圖1。

圖1 試驗現(xiàn)場狀況Fig.1 The testing field

1.2 試驗布置

埋地管道與沖擊樁孔中心的距離為8.12 m，管道的埋深為1 m。以管道軸向為x軸，徑向為y軸布置測點。3個測點在x軸方向進行布置，4個測點在y軸方向進行布置，其中3 #和5 #測點在管道上進行布置，其余測點在地表布置，測點1，4，6，7分析整棟隨距離的衰減規(guī)律，測點3，4分析管道上與地表振速關系，測點1，2，3，4，5分析沖擊振動能量和振源性質。測點坐標如表1，三分量傳感器的布置圖如圖2，微地震現(xiàn)場實時監(jiān)測情況見圖3。

表1測點布置坐標

Table1Coordinateofeachmeasuringpoint

圖2 三分量傳感器的布置Fig.2 Arrangement of three component sensor

圖3 微地震系統(tǒng)監(jiān)測Fig.3 Micro-seismic monitoring system

1.3 信號采集

實時采集重m=5 t、底面半徑R=0.9 m的沖錘從地表沖擊開始直至沖孔深度達到h=10 m時的一系列微地震信號數(shù)據(jù)(微地震事件)。當h=1.3 m，震源在這個時候基本上跟管道是處于一個水平平面，其震源的坐標是(0,8.12,1.30)，此時分別采集沖程s為0.5～2.5 m時的微地震事件。

從試驗現(xiàn)場直接測定，并按照一定規(guī)則挑選出的1#、3#、4#、6#測點的典型微地震數(shù)據(jù)如圖4 和圖5。圖中e、n、v的振動速度信號為三分量的傳感器依次在水平切向、水平徑向以及豎直方向上測得。

圖4 各沖程微地震事件典型振動速度波形Fig.4 Typical vibration velocity waveforms of micro-seismic events of each stroke

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

從圖4和圖5中可以看出，在e，n，v三個方向量測的微地震事件振動波形有較明顯的差異，但是都顯示出面波是比較發(fā)育的。通過進一步的分析可知，當沖程在0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m時，兩次相鄰的沖擊間隔時間依次為3.3，4.0，5.5，6.6，7.5 s。統(tǒng)計分析顯示，所有測點的振動波形，它們最大的持續(xù)時間在190～1 010 ms范圍內。其中，沖擊振源位于地表時，其振動最大持續(xù)時間為350～1 010 ms；當在地表下4 m處沖擊時，其振動最大持續(xù)時間為230～960 ms；當在地表下10 m沖擊時，其振動最大持續(xù)時間為200～550 ms。由此可知，振源深度愈增加，引起振動的最大持續(xù)時間越短。

2 試驗的數(shù)據(jù)整理及分析

2.1 振動的特性與對鄰近埋管的影響

將典型的微地震信號在頻域上進行相關分析，由此得出在頻域上的功率譜特征和在時間域上的頻率特征，見圖6、圖7。從圖中可以得到，振動波能量集中于低頻率范圍內，為10～50 Hz，且信噪比比較高，而振動波信號在其它頻段內的能量很小。

圖6 微地震信號功率譜分析Fig.6 Power spectrum analysis of micro-seismic signal

圖7 微地震信號時頻分析Fig.7 Time-frequency analysis of micro-seismic signal

不計管道的影響時，一般地，地表振動衰減的規(guī)律表現(xiàn)為[9]：能量主要集中于豎向振動方向，并且在3個方向上的振動能量均隨著傳播距離的增加而呈乘冪關系特點進行衰減，其初期的衰減速度是非?？斓?，但是當達到一定距離后振動衰減的幅值有所下降。同時，相比其他兩個方向，水平徑向的能量衰減指數(shù)明顯要高，如圖8。

圖8 隨傳播距離增加的振動波衰減特性Fig.8 Characteristics of vibration wave attenuation with the distance increase

當H=1.3 m、s=0.5～2.5 m時，管道上試驗測點3和地表測點1、4、6的峰值振速表現(xiàn)為圖9中的變化曲線。由圖9可見，振動速度在埋地管道前后測點上呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。由此得出，埋地管道的存在，使振動能量的幅值有一定程度的放大。

圖9 隨距離增加的峰值振速變化曲線性Fig.9 Peak velocity curve with the increasing distancee

對各沖擊震源位置進行考慮，埋地管道上方地表測點與管道上布置的測點，它們在3個方向上的振動速度見表2。

表2測點在不同振源位置時的峰值振速

Table2MeasurethepeakvibrationvelocityoftestingpointsinDifferentsourcepositions

/(cm·s-1)

根據(jù)表2得出，管道上的測點，當震源位于地表時其豎向的振動速度最大，而當震源位于地表以下時，振動速度最大的為水平徑向方向；但是管道上方的地表測點振動速度卻不受沖擊震源位置的影響，最大值始終位于豎向方向。另外，對于地表沖擊，管道上的測點峰值振動速度小于地表。而對于地表下沖擊，管道上的測點峰值振速大于地表，且沖擊在與管道同一水平面時，管道上的測點振速最大。測點峰值振速隨震源深度的變化曲線見圖10。

圖10 隨振源深度增加的峰值振動速度變化曲線Fig.10 The peak vibration velocity curve with the source depth increasinge

一般情況下，橋梁樁基的樁孔是由人工掘進0.5～1.0 m后才開始沖擊施工的，故根據(jù)上面的分析，在常規(guī)振動監(jiān)測中，針對鄰近埋地管道樁基施工的，以監(jiān)測管道上方地表的豎向振動速度為主。文獻[10]以地震烈度為5度的峰值速度作為基準，并參照《樁基工程手冊》及瑞士標準SN 640312—1992中的相關規(guī)定，得出了沖擊鉆孔施工振動對埋地天然氣管線影響的安全判據(jù)。由此可知，只要控制地表峰值振速在安全范圍，即可保證管道的安全。此外，在施工樁孔與管道距離較近的情況下，可采取人工掘進樁孔至深度位于管道水平面以下后再沖擊施工，以有效減小管道的振動速度繼而保證埋地管道的運營安全。

2.2 沖擊破裂區(qū)范圍的確定

檢波器接受沖擊震源產生的聲波信號見圖11，根據(jù)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況下，便可將沖擊破裂區(qū)的范圍進行確定。倘若管道位于沖擊破裂區(qū)的范圍之外，則可判斷出埋地管道不會遭致破壞。這樣結合前面的工況分析，就可進一步對埋地管道的安全狀況進行評估，以此來指導現(xiàn)場的樁基施工。

圖11 微地震信號產生Fig.11 The generation of microseismic signal

選取與管道在同一平面的震源，即坐標為(0,8.12,1.30)，當沖程s為1.50 m時，對測點1#、2#、3#、5#的微地震事件作震源定位分析。圖12為某一微地震事件P波到時的拾取，圖13為其定位的結果，得出的震源位置為(0,8,1.50)。該結果與實際比較符合。

圖12 P波到時拾取Fig.12 Picking out arriving time of P-wave

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

對在同一試驗條件下所采集的有效微地震事件作定位分析，得到了一個由振動引起巖土體破裂的區(qū)域，區(qū)域的半徑為沖錘半徑的3倍左右，如圖14。據(jù)此研究結論得出，倘若埋地管道位于3倍沖錘半徑(3R)以外的范圍，即可保證沖擊施工過程中所產生的振動不會對管基的巖土層造成破壞，繼而避免威脅到管道的安全。因此，應對在距離埋地管道3R范圍內進行的施工嚴格禁止；而當擬建公路和既有管道出現(xiàn)交叉的情況時，在公路路線設計方案的初期公路建設單位就應該將橋梁樁位設計在與埋地管道的距離大于3R處，防止管基巖土體遭到施工沖擊振動的破壞。

圖14 施工振動破裂的區(qū)域(單位：m)

3 結 論

1)位于埋管前后的測點，其振速呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，即振動能量的幅值因埋管的存在有一定程度放大。

2)震源位置對管道上測點和地表測點的振速影響較大，位于地表沖擊和地表下沖擊時，管道上測點的振動速度分別在豎向和水平徑向上最大；但對于地表測點振動速度的最大值始終位于豎向方向。另外，沖擊震源位于地表時，地表測點峰值振動速度大于管道上的測點峰值振動速度；而對于沖擊震源位于地表以下時，地表測點峰值振動速度小于管道上的測點峰值振動速度，且沖擊震源位于與管道同一水平面時，管道上的測點振速最大。

3)在常規(guī)振動監(jiān)測中，針對鄰近埋管樁基施工的，主要監(jiān)測管道上方地表的豎向振動速度。當施工樁孔與管道距離較近的情況下，可采取人工掘進樁孔至深度位于管道水平面以下再沖擊施工，以有效減小管道的振動速度繼而保證埋地管道的安全運行。

4)對微地震信號作震源的定位分析與研究，得到由施工沖擊振動引起巖土體破裂的區(qū)域半徑為沖錘半徑的3倍左右。據(jù)此研究結論得出，如果埋管位于3倍沖錘半徑(3R)之外的范圍，即可保證沖擊施工過程中所產生的振動不會對管基的巖土層造成破壞，繼而避免威脅到管道的安全。為橋梁樁基施工振動的研究提出了新的研究手段。

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