打樁振動對魚鱗石塘影響的實時監(jiān)測與分析

王建華，葉建軍，麻俊益

（1.浙江省錢塘江管理局嘉興管理處，浙江 嘉興 314300；2.杭州魯爾物聯(lián)科技有限公司，浙江 杭州 310012）

1 錢塘江明清時期魚鱗石塘的基本結(jié)構(gòu)

錢塘江明清魚鱗石塘為直立式石塘，用條石砌成，塘身橫斷面呈梯形，條石間用鐵鋦和鐵錠固定，背面用土壅固加厚（見圖1）。至今海寧、海鹽仍有34 km魚鱗石塘屹立在臨江一線，與塘背附土、土埝、塘腳坦水、防沖板樁等組合成標準海塘工程，是杭嘉湖平原防洪御潮的重要屏障。

圖1 明清直立式魚鱗石塘現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)示意圖 單位：cm

海寧一線魚鱗石塘約28 km，處于錢塘江河口強涌潮區(qū)，始建于康雍乾三朝，石塘頂外側(cè)為坦水，部分塘段有二坦、三坦，局部只有頭坦，坦水總寬度2.5 ～ 6.0 m。大部分塘高5.44 m，塘基寬3.84 m，塘基下布置11排木樁支承；石塘塘身以厚32 cm、寬38 cm條石用糯米灰漿丁、順間砌而成；塘頂與迎潮面的條石之間采用鐵簫鐵筍嵌聯(lián)，塘頂寬1.44 m；塘腳外有2 ～ 3道條石結(jié)構(gòu)護坦，每道護坦外緣均布置長約4.00 m的雙排木樁。

魚鱗石塘塘基高程一般在平均低潮位上下約1.00 m的位置，塘基高程偏高，且建立在軟土地基上，缺乏整體性良好的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在強涌潮和徑流的雙重作用下，塘基土體易流失，因此海塘堤腳沖損是古海塘最危險的險情之一，而塘前設(shè)置板樁是較為常見的堤腳防護措施和防汛應(yīng)急搶護措施。

2 振動實時監(jiān)測需求與技術(shù)路線

2.1 實時監(jiān)測的必要性

臨江魚鱗石塘目前均已列入國家級或省級文保單位，社會關(guān)注度較高，海塘保護難度大，堤腳防護是關(guān)鍵所在，目前塘前施打鋼筋混凝土板樁主要采用打樁機械在岸上（魚鱗石塘后側(cè)塘面）懸臂直接施打法，施工振動過程中可能對古海塘產(chǎn)生一定影響?，F(xiàn)有的常規(guī)海塘安全監(jiān)測手段是在有一定量發(fā)生后，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，判定古海塘安全狀態(tài)。事實上，這些指標一旦產(chǎn)生異常，海塘本體已經(jīng)產(chǎn)生破壞，只能事后補救，不能提前預(yù)防。

因此，有必要找到一種實時監(jiān)測技術(shù)，動態(tài)監(jiān)測各類施工時振動對古海塘的影響，并通過試驗確定振動安全控制限值，用于指導(dǎo)今后的海塘維修與加固施工，更好地保護古海塘。

2.2 打樁振動的特點與影響形式

打樁振動屬于沖擊型振動，主要來源于打樁震動錘施打鋼筋混凝土預(yù)制樁時產(chǎn)生的振動波（向四周輻射）和挖機等機械壓重與本身震動引起的振動波（扇形向下擴散），主要有以下特點：

（1）在打樁過程中，錘擊產(chǎn)生的振動能量只有很小一部分損失在樁頂破損和樁體本身的壓縮及樁的彈性變形和樁與土的摩擦上，大部分能量在樁尖處（點狀振源）以彈性波的應(yīng)變能形式向樁周土體或地表傳播，引起周邊土體和相關(guān)構(gòu)筑物的同步振動。

（2）打樁引起的振動是瞬時的錘擊強迫振動，屬于脈沖衰減型振動。實測表明，每一錘擊的時間為0.4 ～ 1.0 s，一般常用的液壓打樁機產(chǎn)生的打樁振動主頻率約為20 ～ 30 Hz，而與石結(jié)構(gòu)為主的古海塘的固有頻率（基頻，《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定一般在1 ～ 3 Hz，）不在一個量級上，且每次打樁間隔時間大于振動的持續(xù)時間。因此，每次打樁產(chǎn)生的振動能量相對獨立，不會疊加。

（3）打樁引起的振動與樁的尺寸及樁型有關(guān)，但并不明顯，主要與土體特征有關(guān)，土體堅硬勻質(zhì)密實或有塊石混合料時衰減小，易傳導(dǎo)到古海塘。同時，在打樁過程中，樁越難打，引起的振動越大，衰減越小，對古海塘的影響越大。

（4）挖機等施工機械在塘頂施工時由于機械本身震動引起的振動波，其擴散形式雖然不一致，但振動類型、振動主頻率與樁尖振動波基本一致。由于機械壓重引起的應(yīng)力疊加則由于持續(xù)時間長，對古海塘結(jié)構(gòu)的破壞力更大，危害性更大。挖機裝卸和鋼筋混凝土預(yù)制樁吊裝過程中由于突然的沖擊，還會產(chǎn)生瞬時的振動波，其主頻率會遠遠高于打樁過程中的波形頻率，不能忽視。

打樁振動對古海塘產(chǎn)生的危害可分為直接和間接2種：

（1）直接引起古海塘塘體的破損，發(fā)生沉降、開裂、傾斜甚至坍塌等險情；

（2）間接引起古海塘塘體的破損，振動引起的附加動應(yīng)力會對古海塘塘基土層產(chǎn)生擾動，對塘體砌石連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，雖然短時間內(nèi)不一定會產(chǎn)生破壞，但長時間的擾動仍會影響海塘的結(jié)構(gòu)安全。

3 振動實時監(jiān)測基本原理與實施方案

3.1 基本原理

振動監(jiān)測儀由石英晶體和人工極化陶瓷（PZT）的壓電效應(yīng)設(shè)計而成，當(dāng)石英晶體或人工極化陶瓷受到機械應(yīng)力作用時，其表面就產(chǎn)生電荷。本系統(tǒng)采用壓電式加速度傳感器，收集振動的機械量，通過系統(tǒng)處理將機械量轉(zhuǎn)化為電信號；振動監(jiān)測儀通過對輸入電信號的實時處理分析，識別出振動的加速度、速度、位移值，當(dāng)電信號超過一定范圍時，振動監(jiān)測儀就發(fā)出警報。

3.2 具體實施方案

3.2.1 設(shè)備布置和監(jiān)測內(nèi)容

本次選擇測振儀型號為RU - S0301，參數(shù)見表1。根據(jù)現(xiàn)場情況，沿監(jiān)測斷面在海塘塘頂共布設(shè)4套振動監(jiān)測儀對打樁過程進行全程監(jiān)測，施工期間，數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min。具體測點布置和監(jiān)測頻次見表2和圖2。

表1 振動儀參數(shù)表

表2 主要監(jiān)測內(nèi)容表

圖2 測點布置圖

3.2.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)

魚鱗石塘安全實時監(jiān)測技術(shù)框架見圖3。主要包括：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，主要由現(xiàn)場振動傳感器、數(shù)字采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、4G網(wǎng)絡(luò)模塊和監(jiān)測云平臺等組成。該監(jiān)測系統(tǒng)具有適應(yīng)海塘外部影響和內(nèi)部響應(yīng)快速變化的特點，有效克服海塘空間跨度大和現(xiàn)場環(huán)境影響的限制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和遠程實時動態(tài)監(jiān)測。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

4 振動實時監(jiān)測過程與數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗過程

本次打樁位于海寧鹽官上游廟灣段海塘，在塘基二坦外側(cè)打設(shè)10 m長鋼筋混凝土板樁。打樁機械采用600型挖掘機改裝震動頭，在塘面進行施打，機械自重65 t，是迄今為止塘面施工采用的最大負荷機械設(shè)備。主要施工過程包括魚鱗石塘后側(cè)塘面鋪設(shè)保護層、打樁機及板樁就位、塘前定位、打樁機起吊板樁至指定位置、施打至設(shè)計高程等。遇到地質(zhì)條件比較復(fù)雜，難以順利穿透土層沉樁時，需增加鋼樁引孔等輔助施工措施。

實時監(jiān)測系統(tǒng)于2018年8月30號正式上線，當(dāng)天施工機械進場，包括1臺日立600H型打樁機和1臺運載打樁機的平板車，4臺振動監(jiān)測設(shè)備均探測到振動信號，持續(xù)時間較短。試樁施工于次日12∶36正式開始，9月4日16∶14結(jié)束，為期5 d的施工過程中，均探測到明顯的振動信號。

4.2 數(shù)據(jù)采集與分析

按照GB 6722 — 2014《爆破安全規(guī)程》[1]的規(guī)定，被保護古建筑的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)通過質(zhì)點振速和主頻來體現(xiàn)，其中質(zhì)點振速取x、y、z三個分量中的最大值，最大質(zhì)點振速對應(yīng)的頻率即為主頻。鑒于監(jiān)測主頻主要處于中頻振動范圍，本次采用最大振速結(jié)合振動頻率進行分析。

本次振動監(jiān)測最大振速、最大振幅及對應(yīng)主頻變化情況見圖4。

圖4 最大振速、最大振幅及對應(yīng)主頻分析圖（2018年8月31日—9月6日）

為了掌握振動信號的頻率分布，采用直方圖對主頻監(jiān)測數(shù)據(jù)進行概率密度統(tǒng)計。結(jié)果表明，50號振動傳感器（最靠近施工機械）的主頻監(jiān)測數(shù)據(jù)集中分布在200 Hz左右（見圖5），其余傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)主頻集中于0 ～ 60 Hz頻段。最大振速均集中分布于±0.5 cm/s以內(nèi)，且不具有方向性。

圖5 主頻頻率概率密度分析圖（50號）

最大振幅進行概率密度統(tǒng)計見圖6。集中分布于±0.005 cm以內(nèi)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)標準正態(tài)分布。

圖6 最大振幅概率密度分析圖

根據(jù)上述監(jiān)測結(jié)果，施工過程中振動主頻大于50 Hz時，對應(yīng)的質(zhì)點振速超限的情況如下：

（1）8月30日23∶00，打樁機從運載車輛上卸載進場，52號振動監(jiān)測設(shè)備獲取到最大質(zhì)點振動速度V大于0.50 cm/s，超過對一般古跡與古建筑的安全允許質(zhì)點速度 0.30 ～ 0.50 cm/s。

（2）8月31日13∶36 — 13∶46（U型樁，打樁未成功），52號振動監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到超出限值的主頻和振速，分別為833 Hz和0.81 cm/s，受樁型結(jié)構(gòu)影響，樁遇塊石混合料層時，樁較難打，樁錘連續(xù)重擊，振動衰減小，振動影響較大。

（3）9月1日 14∶00 — 14∶31（H型樁、打樁成功但樁頭破損嚴重），52號設(shè)備監(jiān)測到超出限值的主頻和振速，分別為 86 Hz 和 0.63 cm/s；14∶33 — 14∶55（離心方樁，打樁成功但樁頭破損嚴重），52號設(shè)備監(jiān)測到超出限值的主頻和振速，分別為108 Hz和2.60 cm/s；53號設(shè)備監(jiān)測到超出限值的主頻和振速，分別為416 Hz和0.54 cm/s。

通過對比分析表明，當(dāng)打樁阻力過大，樁體出現(xiàn)破損時，監(jiān)測到超出閾值的主頻與振速情況，當(dāng)打樁順利時，未見機械振動對塘體影響超出臨界值的情況。

5 結(jié) 論

鑒于魚鱗石塘結(jié)構(gòu)的特殊性，其振動安全參數(shù)指標沒有先例可循，目前還很難通過計算確定安全最大振動值。因此，本次試驗采用歷史最大負荷的方法來測得振動數(shù)值，并根據(jù)一定的安全系數(shù)確定安全允許振動限值，有一定的參考價值，可以指導(dǎo)古海塘的日常維護與加固施工。主要結(jié)論如下：

（1）本次施打板樁期間，振動監(jiān)測顯示，最大主頻為833 Hz（對應(yīng)振速為0.82 cm/s）、最大振速為2.61 cm/s（對應(yīng)主頻為109 Hz）。參考相關(guān)規(guī)范要求，建議將最大主頻和最大振速作為古海塘振動控制雙控指標，最大主頻應(yīng)不超過600 Hz，最大振速應(yīng)不超過0.50 cm/s。

（2）由于本次監(jiān)測試驗歷時較短，監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)的采集與分析等方面仍有待于進一步優(yōu)化，建議在其他相關(guān)工程實施時開展進一步試驗。

（3）建議進一步研究防振措施?？蓞⒖糋B 50463 —2008《隔振設(shè)計規(guī)范》[2-4]等有關(guān)規(guī)定，采用拉大振源距離、振源減振等措施降低施工振動對古海塘的影響。