樁基施工對(duì)埋地管道影響及控制措施

高麗麗 趙浮江 師 梅 楊斯明

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西 延安 716000）

新時(shí)期，低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，對(duì)于埋地資源的需求量顯著增加，在埋地傳輸過(guò)程中，埋地管道發(fā)揮著十分重要的作用。在各類(lèi)市政工程項(xiàng)目建設(shè)中，土地資源緊缺，各類(lèi)工程項(xiàng)目建設(shè)均會(huì)對(duì)埋地管道安全性造成不良影響。埋地資源具有易燃易爆特性，而埋地管道處于高壓運(yùn)行狀況下，如果埋地管道受損，則會(huì)發(fā)生埋地資源泄露，容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故，不僅會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展構(gòu)成危害，同時(shí)還會(huì)對(duì)周邊項(xiàng)目安全性造成不良影響。因此，對(duì)樁基施工對(duì)于埋地管道所產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究意義重大。

1 樁基施工對(duì)埋地管道影響分析

樁基主要包括以下幾種類(lèi)型：①擠土樁：在預(yù)制樁、木樁、沉管灌注樁的錘擊、振動(dòng)過(guò)程中，可貫入至土體結(jié)構(gòu)中，使得土體被排擠，土體結(jié)構(gòu)受到較大破壞，對(duì)于土體的強(qiáng)度以及變形性質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生較大影響；②部分?jǐn)D土樁：包括沖擊成孔灌注樁、開(kāi)口鋼管樁、H型鋼樁等。在部分?jǐn)D土樁環(huán)節(jié)，可對(duì)樁周邊土體產(chǎn)生一定的排擠作用，但是土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及變形性質(zhì)不會(huì)發(fā)生較大變化；③非擠土樁：包括鉆孔灌注樁、預(yù)制樁，在部分?jǐn)D土樁的設(shè)置過(guò)程中，需徹底清除孔中的土體，樁體周?chē)馏w不會(huì)受到擠壓，同時(shí)還可能向樁孔中移動(dòng)[1]。

為探究樁基施工對(duì)埋地管道所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，本文選擇對(duì)擠土樁以及非擠土樁展開(kāi)深入研究。

1.1 擠土樁施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響

1.1.1 打樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)及規(guī)律

在擠土樁施工中，會(huì)造成土體密實(shí)度增加，或者導(dǎo)致土體被擠開(kāi)，使得土體隆起或者發(fā)生位移。如果樁的體積比較大，則土體的隆起量也比較大；而如果樁基礎(chǔ)所占面積比較大，則土體隆起量較少。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體與樁中心之間的距離比較大時(shí)，土體的側(cè)向位移會(huì)顯著減小。

1.1.2 打樁施工產(chǎn)生的振動(dòng)特性。

在重錘擊樁時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)波，錘和樁之間接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不均勻加速度場(chǎng)。在地下環(huán)境中，打樁振動(dòng)的傳播形式為體波，地下結(jié)構(gòu)所受到的打樁振動(dòng)荷載作用和地震動(dòng)力響應(yīng)之間有很多相同之處。在打樁過(guò)程中，土壤阻力會(huì)對(duì)每一擊的貫入度產(chǎn)生直接影響，因此，振動(dòng)強(qiáng)度和土壤阻力之間密切相關(guān)。當(dāng)錘擊能量保持不變時(shí)，如果樁端土層的硬度比較大，則在每一擊時(shí)，塑性貫入比較小，同時(shí)，傳入土體中的能量比較大，所引發(fā)的振動(dòng)響應(yīng)十分顯著[2]。

1.2 非擠土樁施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

在非擠土樁施工中，鉆孔灌注樁的應(yīng)用比較常見(jiàn)。在鉆孔灌注樁施工中，需應(yīng)用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行鉆孔，在鉆孔完成后，即可下放鋼筋籠，再澆筑混凝土，最終形成樁體結(jié)構(gòu)。鉆孔灌注樁不會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，并且在施工環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的噪音比較小。但是，鉆孔灌注樁施工過(guò)程復(fù)雜程度比較高，如果施工場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，如在卵石層、淤泥質(zhì)土層鉆孔施工時(shí)，對(duì)于技術(shù)工藝的要求比較高，如果控制不當(dāng)，則容易發(fā)生塌孔、縮徑等質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)，還會(huì)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境構(gòu)成危害。

通過(guò)上述分析可見(jiàn)，在樁基施工之前，施工場(chǎng)地土層與埋地管道之間處于平衡狀態(tài)，而在擠土樁基施工中，不可避免地會(huì)對(duì)周?chē)馏w結(jié)構(gòu)造成擾動(dòng)作用，埋地管道和土體結(jié)構(gòu)之間也會(huì)發(fā)生相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致埋地管道平衡狀態(tài)受到破壞。在非擠土樁施工過(guò)程中，一般不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成較大不良影響，但是，如果施工場(chǎng)地的地層條件比較復(fù)雜，則必然會(huì)對(duì)地下構(gòu)筑物構(gòu)成危害。

2 樁基施工對(duì)埋地管道危險(xiǎn)有害因素

在樁基施工中，對(duì)周邊埋地管道造成破壞時(shí)，主要有三種破壞形式：其一，沖擊荷載直接作用于埋地管道；其二，在外力作用下造成埋地管道發(fā)生變形損傷；其三，應(yīng)力波反復(fù)作用于埋地管道，造成管道發(fā)生疲勞破壞。

樁基施工為系統(tǒng)性工程，在打樁過(guò)程中，會(huì)對(duì)土層造成擾動(dòng)作用，進(jìn)而直接影響埋地管道，同時(shí)，樁基施工不同環(huán)節(jié)均可能會(huì)對(duì)埋地管道產(chǎn)生較大影響。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：打樁、鉆孔、機(jī)械車(chē)輛運(yùn)輸、施工作業(yè)面布局規(guī)劃、土方開(kāi)挖、不安全操作行為等[3]。

2.1 擠土樁的危險(xiǎn)有害因素

（1）打樁：在打樁施工過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)樁基和管道之間的距離進(jìn)行有效控制，在打樁過(guò)程中產(chǎn)生擠土效應(yīng)，并發(fā)生震動(dòng)，導(dǎo)致管道受到破壞。

（2）埋地管道物探誤差：在樁基位置布置過(guò)程中，如果沒(méi)有綜合考慮埋地管道物探所得結(jié)果誤差，則在打樁過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)埋地管道物造成沖擊破壞。

2.2 非擠土樁的危險(xiǎn)有害因素

（1）鉆孔：在鉆孔過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)樁基和管道之間的距離進(jìn)行合理控制，或者質(zhì)量控制措施應(yīng)用不當(dāng)，進(jìn)而發(fā)生塌孔事故，或者樁孔發(fā)生傾斜，造成管道受到破壞。

（2）埋地管道物探誤差：在樁基布局規(guī)劃過(guò)程中，如果沒(méi)有綜合考慮埋地管道物探結(jié)果誤差，則在鉆孔過(guò)程中會(huì)對(duì)埋地管道造成沖擊破壞。

3 樁基施工環(huán)節(jié)埋地管道安全防控措施

3.1 樁基施工前的控制措施

3.1.1 樁基類(lèi)型的選擇

根據(jù)上文分析可知，與擠土樁相比，非擠土樁對(duì)埋地管道所產(chǎn)生的影響比較大，因此，如果施工區(qū)域地質(zhì)條件適宜，機(jī)械設(shè)備技術(shù)水平比較高，則應(yīng)當(dāng)盡量應(yīng)用非擠土樁施工技術(shù)，盡量減小對(duì)埋地管道所造成的不良影響。

3.1.2 樁基與埋地管道安全間距的控制

（1）在擠土樁施工中，應(yīng)當(dāng)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，確定埋地管道分布位置，并確定保護(hù)范圍，同時(shí)還需綜合考慮擠土效應(yīng)、振動(dòng)特性，合理確定埋地管道之間的安全距離。

（2）在非擠土樁施工中，不僅需對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，確定埋地管道分布位置及保護(hù)范圍，同時(shí)為了確定埋地管道之間的安全距離，應(yīng)當(dāng)保證為各類(lèi)機(jī)械設(shè)備預(yù)留一定的操作空間，此外還需綜合考慮塌孔、縮徑、鉆孔傾斜率等影響因素[4]。

3.1.3 埋地管道的精確探測(cè)

在樁基施工中，為確定樁位分布情況，應(yīng)當(dāng)合理確定埋地管道所在位置。

（1）對(duì)于直埋埋地管道，可應(yīng)用電磁感應(yīng)法進(jìn)行探測(cè)，確定管道埋設(shè)位置，再與管道業(yè)主進(jìn)行溝通交流，在業(yè)主方監(jiān)護(hù)下應(yīng)用開(kāi)挖樣洞方式確定管道的具體位置。

（2）對(duì)于非開(kāi)挖敷設(shè)埋地管道，可應(yīng)用人工地震波法、磁梯度法、孔中雷達(dá)法確定管道埋設(shè)位置[5]。

3.2 樁基施工過(guò)程中的控制措施

3.2.1 擠土樁打（壓）樁環(huán)節(jié)控制措施

（1）對(duì)于擠土樁以及機(jī)械設(shè)備，均應(yīng)當(dāng)設(shè)置在埋地管道保護(hù)范圍以外。

（2）開(kāi)展預(yù)鉆孔，據(jù)此抵消部分樁的擠土量，在成孔后打樁，盡量減小對(duì)周?chē)馏w所造成的擾動(dòng)力影響。

（3）帷幕保護(hù)措施，即在樁和管道之間，可進(jìn)行隔離帷幕施工，即可有效隔離在打樁過(guò)程中所造成的土體位移。

（4）嚴(yán)格控制施工工藝，包括合理設(shè)計(jì)沉樁施工順序，加強(qiáng)沉樁速度控制等。

3.2.2 非擠土樁施工環(huán)節(jié)控制措施

（1）對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備，應(yīng)當(dāng)規(guī)劃在遠(yuǎn)離埋地管道的位置。

（2）在鉆孔施工前，應(yīng)當(dāng)組織測(cè)量人員根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放樣，再組織專(zhuān)職檢測(cè)人員對(duì)鉆孔位進(jìn)行核查，在核查無(wú)誤后即可進(jìn)行鉆孔施工。另外，在鉆孔過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)鉆孔位置、鉆桿垂直度以及傾斜度進(jìn)行檢測(cè)調(diào)控。

（3）在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆進(jìn)深度與埋地管道之間的垂直距離在3m左右時(shí)，即可適當(dāng)放緩鉆進(jìn)速度，同時(shí)，還需對(duì)鉆孔位置、鉆桿垂直度以及傾斜度進(jìn)行檢測(cè)調(diào)控。

（4）在編制施工方案前，首先對(duì)施工場(chǎng)地地質(zhì)條件進(jìn)行勘查，據(jù)此對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低塌孔發(fā)生率。

（5）如果施工場(chǎng)地為不良地層，容易發(fā)生塌孔、縮孔等問(wèn)題，則在鉆孔過(guò)程中，在鉆孔面和埋地管道之間，可應(yīng)用鋼護(hù)筒進(jìn)行隔離，避免在鉆孔過(guò)程中發(fā)生塌孔事故[6]。

4 樁基施工對(duì)埋地管道影響及控制實(shí)例分析

4.1 工程概況

本文選擇某高速公路項(xiàng)目作為研究對(duì)象，施工段為K35+280段，在新建橋梁工程施工中，樁基施工區(qū)域與埋地管道之間的距離約為2m，如果防護(hù)管理不當(dāng)，則可能會(huì)造成埋地管道發(fā)生位移或者破裂。在樁基施工前，首先對(duì)施工場(chǎng)地地質(zhì)條件進(jìn)行勘查，土層分布情況如圖1所示，地質(zhì)地貌均比較簡(jiǎn)單，巖土是由黏土以及粉土所組成的。通過(guò)對(duì)巖土參數(shù)、樁基以及埋地管道參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果見(jiàn)表1和表2。另外，埋地管道鋼材的屈服強(qiáng)度為220MPa。

圖1 土層分布情況

表1 巖土參數(shù)

表2 樁基及埋地管道參數(shù)

4.2 計(jì)算模型

4.2.1 有限元模型

在本次計(jì)算模型創(chuàng)建中，選用有限元方法。首先，以該橋梁工程以及埋地管道的各項(xiàng)參數(shù)作為依據(jù)，采用Solidworks軟件創(chuàng)建三維幾何模型；其次，將已創(chuàng)建完成的幾何模型導(dǎo)入Ansys軟件中進(jìn)行分析，對(duì)樁基施工過(guò)程中對(duì)埋地管道所產(chǎn)生的影響進(jìn)行模擬分析，樁基和周?chē)馏w結(jié)構(gòu)的三維幾何模型如圖2所示。

圖2 三維幾何模型

在本次模型分析中，有限元模型的網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。另外，對(duì)樁身、1-2-3a層土體以及埋地管道均進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，埋地管道網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。本次研究中所創(chuàng)建的有限元模型為Solid45型，模型總網(wǎng)格數(shù)為732602個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為442648個(gè)。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

圖4 埋地管道網(wǎng)格劃分

為了能夠?qū)痘┕がF(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行模擬分析，對(duì)于模型底面以及側(cè)面，均施加無(wú)摩擦約束，保證其能夠沿縱向膨脹并發(fā)生變形；在不同土層、管道以及土體之間可應(yīng)用摩擦約束，同時(shí)，對(duì)于樁基頂部可施加荷載，對(duì)橋梁工程上部結(jié)構(gòu)作用進(jìn)行模擬。在對(duì)有限元模型計(jì)算時(shí)，可應(yīng)用兩種計(jì)算方式，包括拉格朗日以及高斯法。

4.2.2 工況設(shè)置

在本次研究中，將樁基和埋地管道之間的距離、埋地管道壁厚、樁基深度、埋地管道的埋深作為關(guān)鍵變量，工況設(shè)置情況如下：

（1）該施工場(chǎng)地周邊埋地管道的壁厚為10mm，埋深為3m。在樁基施工中，當(dāng)樁基深度達(dá)到30m時(shí)，對(duì)于樁基與埋地管道之間的距離，可設(shè)置為8種工況，包括0.5m、lm、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m以及4m。

（2）當(dāng)樁基和埋地管道之間的距離為2m，管道埋深為3m，同時(shí)，樁基深度達(dá)到30m時(shí)，對(duì)于埋地管道壁厚，可設(shè)置為5種工況，包括6mm、7mm、8mm、9mm以及10mm。

（3）當(dāng)樁基和埋地管道之間的距離為2m，樁基深度為30m，管道壁厚為10mm時(shí)，對(duì)于埋地管道埋深，可設(shè)置為5種工況，包括1.8m、2.4m、3m、3.6m以及4.2m。

（4）當(dāng)樁基和埋地管道之間的距離為2m，管道壁厚為10mm，管道埋深為3m時(shí)，對(duì)于埋地管道埋深，可設(shè)置為7種工況，包括30m、35m、40m、45m、50m、55m以及60m。

4.3 安全性影響因素分析

4.3.1 橋梁樁基與管道距離的影響

當(dāng)樁基和埋地管道之間的距離發(fā)生變化時(shí)，埋地管道最大應(yīng)力以及最大沉降量的變化形式如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)二者之間的距離比較大時(shí)，埋地管道的最大應(yīng)力以及沉降量均會(huì)逐漸降低，同時(shí)，降低趨勢(shì)逐漸放緩。當(dāng)樁基和埋地管道之間的距離達(dá)到0.5m時(shí)，埋地管道的最大應(yīng)力為583.18MPa，而當(dāng)二者之間的距離為4m時(shí)，埋地管道的最大應(yīng)力為28.64MPa；當(dāng)二者之間的距離為0.5m時(shí)，埋地管道的最大沉降量為36.426mm，當(dāng)二者之間的距離為4m時(shí)，埋地管道的最大沉降量為4.869mm；當(dāng)二者之間的距離在2.03m以?xún)?nèi)時(shí)，埋地管道的最大應(yīng)力即可超過(guò)管道鋼材的屈服強(qiáng)度。

圖5 樁基與管道距離對(duì)管道受力和沉降影響

4.3.2 管道壁厚的影響

當(dāng)埋地管道的壁厚發(fā)生變化時(shí)，埋地管道最大應(yīng)力和最大沉降量的變化情況如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)埋地管道的壁厚為8mm時(shí)，最大應(yīng)力為322.84MPa，而最大沉降量為7.07mm；當(dāng)埋地管道的壁厚為10mm時(shí)，最大應(yīng)力為223.21MPa，最大沉降量為4.23mm。如果管道壁厚持續(xù)增加，則管道最大應(yīng)力以及沉降量的下降趨勢(shì)將逐漸放緩。當(dāng)管道壁厚在9.95mm以?xún)?nèi)時(shí)，管道最大應(yīng)力即可超過(guò)管道鋼材的屈服強(qiáng)度。

圖6 管道壁厚對(duì)管道受力和沉降影響

4.3.3 管道埋深的影響

當(dāng)埋地管道埋深發(fā)生變化時(shí)，埋地管道最大應(yīng)力和最大沉降量的變化情況如圖7所示。由圖7可以看出，當(dāng)埋地管道的埋深達(dá)到1.8m時(shí)，管道最大應(yīng)力為340.91MPa，而最大沉降量為16.312mm；當(dāng)埋地管道的埋深達(dá)到4.2m時(shí)，管道最大應(yīng)力為147.29MPa，而最大沉降量為4.028mm。如果管道埋深持續(xù)增加，則管道最大應(yīng)力以及沉降量的下降趨勢(shì)將逐漸放緩。當(dāng)管道埋深在3.05m以?xún)?nèi)時(shí)，埋地管道的最大應(yīng)力將超過(guò)管道鋼材的屈服強(qiáng)度。

圖7 管道埋深對(duì)管道受力和沉降影響

4.3.4 樁基深度的影響

當(dāng)樁基深度發(fā)生變化時(shí)，埋地管道最大應(yīng)力和最大沉降量的變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)樁基深度不斷增加時(shí)，管道最大應(yīng)力和沉降量均會(huì)持續(xù)增加。當(dāng)樁基深度達(dá)到30m時(shí)，管道的最大應(yīng)力為219.93MPa，而最大沉降量為6.984mm；當(dāng)樁基深度達(dá)到60m時(shí)，管道的最大應(yīng)力為648.25MPa，而最大沉降量為41.254mm。當(dāng)樁基深度不斷增加時(shí)，管道最大應(yīng)力以及沉降量將繼續(xù)增加。當(dāng)樁基深度達(dá)到31.08m以上時(shí)，埋地管道的最大應(yīng)力將超過(guò)管道鋼材的屈服強(qiáng)度。

圖8 樁基深度對(duì)管道受力和沉降影響

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文選擇某橋梁樁基施工作為研究對(duì)象，創(chuàng)建有限元模型，對(duì)樁基施工對(duì)埋地管道所產(chǎn)生的影響進(jìn)行探究。根據(jù)本次研究，當(dāng)樁基和埋地管道之間的距離大、管道壁厚大、管道埋深大時(shí)，埋地管道的應(yīng)力以及沉降量均比較小，而當(dāng)樁基深度持續(xù)增加時(shí)，埋地管道的應(yīng)力以及沉降量均會(huì)顯著增加。為避免對(duì)埋地管道造成不良影響，在樁基施工中，應(yīng)當(dāng)將樁基與埋地管道之間的距離控制在2.03m以上，將樁基深度控制在31.08m以?xún)?nèi)，將管道壁厚控制在9.95mm以上，同時(shí)要求管道埋深大于3.05m。