橋梁樁基施工對(duì)周邊建筑物的影響控制

張永嶺，吳壯

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

高頻免共振沉樁技術(shù)是當(dāng)下的一種新型沉樁技術(shù)。其具備了高頻振動(dòng)沉樁的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也保證了對(duì)周邊構(gòu)筑物的保護(hù)，在液壓驅(qū)動(dòng)下，上下對(duì)稱的兩組振動(dòng)器帶動(dòng)樁產(chǎn)生垂直上下振動(dòng)，使樁周土體產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，使土體液化破壞樁土之間的擠壓粘結(jié)狀態(tài)，從而降低土體強(qiáng)度和動(dòng)阻力，樁在激振力和錘樁重力共同作用下，穿越土層達(dá)到設(shè)計(jì)深度。同時(shí)當(dāng)振動(dòng)錘頻率增加到接近巖土的固有頻率的時(shí)候，通過調(diào)節(jié)上下兩組振動(dòng)轉(zhuǎn)子相對(duì)位置使其產(chǎn)生的激振力相互抵消，表現(xiàn)為振動(dòng)錘對(duì)外不輸出功，待振動(dòng)錘內(nèi)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率升越該頻段后對(duì)外開始輸出功，從而消除了共振的出現(xiàn)。高頻振動(dòng)頻率一般可達(dá)到2000～2500r／min，以實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)要求。與其他沉樁方法相比，有超低震動(dòng)噪聲、高效沉樁等優(yōu)點(diǎn)。一般來說，其施工效率是一般普通方法的數(shù)倍，沉樁速度一般在4～7m／min，在非淤泥地質(zhì)中最快可達(dá)12m／min 。

1 人行橋梁工程概況

濱江公共空間和綜合環(huán)境（五期）水上工程（以下稱本工程）的人行橋梁工程是由水上平臺(tái)經(jīng)過輪渡站前方架高貫通的重要的分部工程，施工內(nèi)容為橋梁樁沉樁14根，樁位布置見圖1 ，預(yù)制安裝橋梁板7塊，現(xiàn)場(chǎng)周邊構(gòu)筑物狀態(tài)為，1～3號(hào)樁北側(cè)緊鄰上海華東船務(wù)辦公大樓，4、5號(hào)樁北側(cè)緊鄰輪渡站渡口樓房，12～14號(hào)樁東側(cè)80米即為楊浦大橋橋墩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查測(cè)量，1、2號(hào)樁距離現(xiàn)有建筑僅有2米，3、4、5號(hào)樁距離現(xiàn)有建筑均在5米以內(nèi)，根據(jù)施工要求，在沉樁過程不得對(duì)現(xiàn)有建筑造成損壞。

圖1 樁位布置圖

2 橋梁樁基施工條件

2.1 橋梁樁施工地質(zhì)條件

根據(jù)本次詳勘揭露地層資料，場(chǎng)地地基土分布有以下特點(diǎn)：

上層為填土，成份復(fù)雜，主要由大量碎石、磚塊、砼塊、煤灰渣等建筑垃圾組成，深度為3米。中間層以粘性土為主：主要有淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土，灰色粉質(zhì)粘土等，厚度約為26米。下層為粉砂為主，顆粒組成以云母、石英、長(zhǎng)石為主，夾砂質(zhì)粉土，呈密實(shí)狀態(tài)，土質(zhì)不均，鉆探厚度約為15米。

2.2 橋梁樁基施工重點(diǎn)難點(diǎn)問題

2.2.1 施工難度大

本工程累計(jì)有橋梁樁17根，施工場(chǎng)地北側(cè)緊鄰華東船務(wù)辦公樓和寧國路輪渡站渡口建筑，南側(cè)8米范圍為新建擋土墻，施工場(chǎng)地極為狹小，影響制約因素較多。橋梁部分樁基緊鄰現(xiàn)有的華東船務(wù)辦公樓、寧國路輪渡站，最近距離只有2米，同時(shí)我方的沉樁范圍在楊浦大橋保護(hù)范圍之內(nèi)，所以選擇合適的方案對(duì)這些建筑物的安全非常重要，這也是本工序的施工難點(diǎn)。

2.2.2 工期要求高

根據(jù)總體施工工期安排，橋梁樁應(yīng)在防汛墻完成后完成回填才可進(jìn)行，同時(shí)因總工期的限制，緊后還有橋梁的安裝施工，因此高壓橋梁樁的施工被壓縮得只有8天，這是本工程貫通的關(guān)鍵工序，其施工展布和進(jìn)度情況直接影響工程總體進(jìn)度。為保證橋梁樁的順利施工，現(xiàn)場(chǎng)必須選取合適的樁型和施工方案才能滿足工期要求，否則可能造成本工序及后續(xù)樁帽施工作業(yè)過長(zhǎng)的施工等待時(shí)間造成工期損耗，進(jìn)而影響總體施工進(jìn)度。

3 橋梁樁基施工方案的比選

3.1 施工方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 是否滿足場(chǎng)地及環(huán)境保護(hù)要求

場(chǎng)地狹小是本工序的制約條件之一，橋梁樁基施工方案選用既能達(dá)到成樁技術(shù)要求，又要滿足施工設(shè)備外型尺寸不能過大。另外周邊環(huán)境問題是另外一項(xiàng)重要的制約因素，樁型的選擇沉樁方式的選擇，都要考慮對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，除常見的噪音、震動(dòng)影響外，還會(huì)因?yàn)橥馏w受到擠壓和振動(dòng)，引起原有地基破壞，因而會(huì)對(duì)周圍原有建筑物和周邊水工設(shè)施帶來不利影響，所以合理的樁基方案是關(guān)鍵。

3.1.2 是否滿足工期要求

施工效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為單根樁沉樁效率和在單根沉樁施工結(jié)束后，能高效地完成樁位轉(zhuǎn)移，形成橋梁樁沉樁連續(xù)施工作業(yè)；以及在橋梁樁施工結(jié)束后，能迅速地實(shí)現(xiàn)基座安裝，達(dá)到強(qiáng)度后滿足構(gòu)建安裝的要求。

3.1.3 綜合施工成本是否最優(yōu)

在施工方案滿足質(zhì)量與施工效率的前提下，還應(yīng)綜合分析施工措施特別是對(duì)構(gòu)筑物保護(hù)產(chǎn)生的綜合成本，不同的施工方案，投入的設(shè)備、材料與人工情況也不盡相同，這就直接形成了施工成本差異，在條件可行的情況下，需要選擇成本最優(yōu)的。

3.2 方案選定

由于橋梁樁基臨近建筑物并且樁基臨江側(cè)存在新建擋墻，如果采用實(shí)心的預(yù)制混凝土樁、下端封閉的管樁在成樁過程中產(chǎn)生的此種擠土效應(yīng)就非常大，故在本工序不采用實(shí)心預(yù)制混凝土管樁和下端封閉的管樁，本工程計(jì)劃采用取土法的鉆孔灌注樁和壁厚較小且端部開孔的鋼管樁作為樁型備選方案，施工方法參考以往工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合工程實(shí)際情況綜合分析考慮，我們初步擬定了5種具備基本可行的橋梁樁基方案：①鉆孔灌注樁方案；②靜壓樁沉樁方案；③錘擊樁沉樁方案；④振動(dòng)錘沉樁方案；⑤高頻免共振沉樁方案。

對(duì)各個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，通過是否滿足周邊保護(hù)要求、場(chǎng)地空間要求、施工效率、成本等三項(xiàng)比選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比評(píng)估：鉆孔灌注樁雖然擠土效應(yīng)最小但是施工效率低不滿足施工工期要求，同時(shí)鉆孔設(shè)備和混凝土澆筑設(shè)備受限于場(chǎng)地和通道。靜壓沉樁因需加載重量高達(dá)數(shù)百噸，會(huì)對(duì)外側(cè)新建擋墻產(chǎn)生安全影響，且場(chǎng)地狹小空間不宜施工。鋼管樁錘擊打入沉樁方案錘擊樁產(chǎn)生的震動(dòng)和噪聲較大，沖擊力對(duì)周邊建筑產(chǎn)生影響較大，施工噪音和振動(dòng)的公害大、污染環(huán)境，水上作業(yè)使用輔助設(shè)備多，施工措施成本較高。鋼管樁振動(dòng)錘沉樁時(shí)振動(dòng)錘產(chǎn)生的震動(dòng)可與周邊建筑產(chǎn)生共振對(duì)建筑物的安全影響較大；鋼管樁高頻免共振沉樁屬新設(shè)備新工藝，能夠避免與土體的共振，基本不影響，并且施工效率較高。

綜上我們選取采用鋼管樁高頻免共振沉樁方案進(jìn)行施工。

4 免共振沉樁施工方案分析

4.1 免共振實(shí)現(xiàn)原理

液壓振動(dòng)錘的工作原理是偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力，通過帶動(dòng)樁身做高速振動(dòng)實(shí)現(xiàn)土壤液化，最終克服土壤摩擦力實(shí)現(xiàn)樁身下沉。首先，所需要振動(dòng)錘以較高的頻率運(yùn)作時(shí)才能滿足正常施工同時(shí)又避免正常施工階段的共振，但在設(shè)備啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)候一定會(huì)經(jīng)過土壤的共振頻率范圍（土壤的固有頻率在1000赫茲上下），也就是在開啟和關(guān)閉的時(shí)候有兩次帶動(dòng)土體共振，從而造成臨近建筑的破壞以及坍塌；另一方面共振能量會(huì)傳遞到振動(dòng)錘和輔助吊機(jī)，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命和安全。實(shí)現(xiàn)“免共振”說到底就是如何在振動(dòng)錘升頻時(shí)能夠越過土體固有頻率的頻段。

免共振錘的調(diào)節(jié)原理見圖2，偏心塊結(jié)構(gòu)為免共振振動(dòng)錘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中半陰影的圓形結(jié)構(gòu)為偏心塊，共有兩組，每組為2個(gè)，且偏心塊的大小、質(zhì)量完全相同，通過特殊設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)保證上下兩組偏心塊在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，在任何相位角的時(shí)候都保持上下偏心塊的激振力剛好抵消，此時(shí)激震力為0，對(duì)外表征為不振動(dòng)，但是此時(shí)偏心轉(zhuǎn)子仍在加速運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣就保證了在免共振振動(dòng)錘啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)候偏心塊的高頻率，但沒有激振力。一直到頻率超過土體固有頻率后，通過智能調(diào)節(jié)使得上下兩組偏心塊的相位角錯(cuò)位從而產(chǎn)生激振力，同時(shí)可以調(diào)節(jié)激震力大小，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常施工。

圖2 調(diào)節(jié)原理

4.2 振動(dòng)錘參數(shù)的選擇

振動(dòng)設(shè)備選型原則：振動(dòng)設(shè)備激振力＞樁土之間摩擦力，振動(dòng)錘克服土的摩阻力后，才能將樁沉入土中，用FV表示振動(dòng)錘的激振力（KN），F(xiàn)R表示土的摩阻力（KN），既FV＞FR。工程試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為55.3擊。振動(dòng)錘選型根據(jù)本工程橋梁樁最大的來選取，取參數(shù)直徑1500mm，壁厚16mm，長(zhǎng)35m，重20715kg的鋼管樁選型來計(jì)算：

土的摩阻力按下式計(jì)算：

FR=fUL

L—樁的入土深度（m）

U—樁的周邊長(zhǎng)度（m）

f—土層單位面積的動(dòng)摩阻力（t/m-2），可按表1估算

表1 土壤標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N與動(dòng)摩阻力關(guān)系表

將數(shù)值代入公式：

FR=1.7t/m-2×35m×π×1.5m=280.2t

即摩阻力為2802KN，故要求激震力大于該值。

根據(jù)摩阻力選取免共振液壓錘的錘型號(hào)為ICE70RF。其參數(shù)為：激振力：3070kN；最大轉(zhuǎn)速：2000rpm；最大偏心力矩70kgm；最大振幅21mm；總重量10200kg。

滿足FV=3070KN＞FR=2802KN，故滿足施工要求。

4.3 高頻免共振沉樁方案效果分析

4.3.1 對(duì)周邊建筑物影響結(jié)果

為了保證建筑物的安全，全程對(duì)防汛墻、輪渡站及水工結(jié)構(gòu)等建筑物位移進(jìn)行檢測(cè)，選取了檢測(cè)數(shù)據(jù)變化量最大的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，位移變化數(shù)據(jù)見表2：

表2 位移監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)上表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在橋梁施工階段，建筑物位移在正常的位移范圍內(nèi)并沒有出現(xiàn)明顯變化，說明免共振沉樁施工階段對(duì)建筑物基本無影響。

4.3.2 施工進(jìn)度和質(zhì)量情況

本工序施工時(shí)間8天，滿足進(jìn)度要求，未對(duì)后續(xù)工序產(chǎn)生影響。質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果顯示樁位偏差控制在5cm以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求；焊接質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)所有焊縫進(jìn)行超聲波無損探傷，結(jié)果均合格；基樁高應(yīng)變動(dòng)測(cè)是對(duì)其樁身完整性和地基對(duì)樁的支撐力檢測(cè)其承載力均符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

項(xiàng)目部通過對(duì)比傳統(tǒng)的多種沉樁施工工藝，選擇了適合本工程的施工方案即高頻免共振的振動(dòng)錘沉樁施工工藝，并通過理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)的管理很好地做到了施工進(jìn)度、周邊保護(hù)和環(huán)境保護(hù)的完美協(xié)調(diào)，在沉樁過程的工藝選擇和操作過程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為其他項(xiàng)目施工中遇到臨近建筑物施工提供一定的參考。在實(shí)際施工中遇到問題后，可以考慮從多個(gè)角度來思考問題的處理方式，并在客觀環(huán)境允許的情況下擬定出多路徑解決問題達(dá)到目標(biāo)的方法，再通過評(píng)估篩選出最優(yōu)方案用于實(shí)際生產(chǎn)，這樣既有助于問題癥結(jié)的透徹分析，又有利于工程管理工作的實(shí)效性開展。