朱瑞虎，蘇靜波，李同飛，3

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098；3.福建省交通建設質(zhì)量安全監(jiān)督局，福建福州350001）

近海工程沉樁對臨近建筑物影響監(jiān)測方案

朱瑞虎1，2，蘇靜波2，李同飛2，3

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098；3.福建省交通建設質(zhì)量安全監(jiān)督局，福建福州350001）

沉樁對周圍建筑物的影響是工程界的研究熱點，根據(jù)浙江某碼頭改造沉樁可能產(chǎn)生的施工風險，分析了監(jiān)測方案的考慮因素，并對監(jiān)測方案設計思路及合理性進行了研究，創(chuàng)造性地將孔隙水壓力計與三向振動速度傳感器同孔埋設，極大節(jié)約了施工時間和成本；同時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，保障了沉樁周圍建筑物的安全，監(jiān)測方案的設計和應用可供類似工程借鑒。

沉樁；監(jiān)測方案；孔隙水壓力；振動速度

0 引言

沉樁是水運工程中常見的施工手段之一，沉樁產(chǎn)生的振動對周圍建筑物的安全影響是工程中經(jīng)常遇到的難題，特別是近海工程施工振動容易引起岸坡的變形和滑移[1]，進而帶來結構的破壞造成嚴重的后果，因此沉樁對周圍建筑物影響一直是工程界關心的熱點，如袁和平等研究了沉樁對碼頭岸坡穩(wěn)定的不利影響和防治措施[2]，陳永輝等應用無限地基方法研究了沉樁振動對海堤的影響[3]。目前，由于海洋環(huán)境中施工的復雜性、多變性使得近海沉樁施工監(jiān)測難度較大、成本較高。本文結合浙江寧波某碼頭改擴建工程，研究制定了沉樁振動對周圍電廠取水管、燈塔和岸坡影響的監(jiān)測方案，以期為碼頭擴建施工提供安全保障。

1 工程概況

浙江寧波某碼頭1號泊位改造項目位于某電廠附近，主要由10座系纜墩、1座工作平臺和4組靠船鋼簇樁組成，碼頭總長526 m。本次擴建的1～3號系纜墩距離發(fā)電廠取水管較近，如圖1，碼頭1號系纜墩施工樁與電廠取水管平面距離最近為24.8 m，與航道燈塔距離最近為42 m，且沉樁數(shù)量較多，碼頭施工沉樁振動可能對電廠取水管安全運行、岸坡穩(wěn)定和燈塔安全產(chǎn)生影響，特別是電廠對當?shù)厣a(chǎn)的重要性使得保障電廠取水管安全更為重要，因此研究沉樁振動對周邊工程的安全影響是該項目必須解決的難題。

圖1 施工監(jiān)測布置平面圖Fig.1Plane arrangement chart of construction monitoring

本項目沉樁場地屬山前濱海海積地貌，可分為潮間帶（灘涂）和水下岸坡。潮間帶泥面平緩，標高3.3~0.0 m，向海微傾；0.0~-22.0 m等深線部分的水下岸坡地形變化較大，具有西陡東緩的變化趨勢，碼頭前沿區(qū)的水下地形坡度一般為10°~15°，局部坡度較陡，場地內(nèi)泥沙淤積略大于沖刷，自然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定性較好。

2 監(jiān)測方案設計原則

本次施工沉樁順序按照由遠及近的順序，即3號系纜墩→2號系纜墩→1號系纜墩，監(jiān)測方案考慮前期施工對后續(xù)施工的指導，如3號系纜墩沉樁完成后可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定距取水管更近的2號系纜墩沉樁是否安全；以此類推判定1號系纜墩沉樁是否安全。監(jiān)測點的布置遵循代表性原則、最不利原則和一點多用原則，在確保安全的前提下，力求經(jīng)濟。監(jiān)測方案考慮土體穩(wěn)定及建筑物安全影響指標，包括沉樁引起的振動速度、孔隙水壓力[4]以及電廠取水管周圍的土體深層位移。

3 沉樁施工監(jiān)測方案設計

考慮以上監(jiān)測因素，本次監(jiān)測方案布點見圖1、各監(jiān)測點傳感器布置見圖2。監(jiān)測方案包括孔隙水壓力監(jiān)測、振動速度監(jiān)測以及深層水平位移監(jiān)測3項內(nèi)容；共布置5個測試點位，11個鉆孔；布設振動速度傳感器7個，孔隙水壓力計12個，深層位移計16個。

圖2 各監(jiān)測點傳感器布置示意圖Fig.2Layout of the sensors of observation points

3.1 沉樁引起的振動速度

本次監(jiān)測振動速度傳感器均為三向振動速度傳感器，1號測點和2號測點距振源較近，傳感器埋設于取水管同深度處、取水管同深度下部合適位置，用于監(jiān)測取水管水平位置及沉樁底部傳來的振動速度；3號測點和4號測點傳感器埋設在取水管同深度處監(jiān)測傳往取水管的振動速度；5號測點三向振動速度傳感器埋設在燈塔基部，保證燈塔安全。

由圖1可以看出，1號測點振動速度監(jiān)測孔位與3號系纜墩最近施工樁距離為15 m，該距離的確定主要是考慮3號系纜墩沉樁時此處振動強度較大，此處采集的信號信噪比較高，采集的振動速度用來計算振動速度在該場地下的傳播參數(shù)，用于計算預估后續(xù)施工振動速度；2號測點振動速度監(jiān)測孔位與3號系纜墩最近施工樁距離為47.4 m，此距離等于2號系纜墩與取水管的距離，通過此處3號系纜墩沉樁引起的振動速度監(jiān)測可以推斷2號系纜墩沉樁時取水管處的振動速度，來推斷2號系纜墩施工是否會影響取水管安全；2號測點振動速度監(jiān)測孔位與2號系纜墩最近施工樁距離為24.8 m，此距離等于1號系纜墩與取水管的距離，通過此處2號系纜墩沉樁引起的振動速度監(jiān)測可以推斷1號系纜墩沉樁時取水管處的振動速度，來推斷1號系纜墩施工是否會影響取水管的安全。

3.2 孔隙水壓力

通常情況下，打樁對周邊5D（D為樁的直徑）以外的土體孔隙水壓力影響很小[5]，考慮本次振動過大容易導致土體液化失穩(wěn)因素及周邊工程的重要性，本方案布置了孔隙水壓力計監(jiān)測土體穩(wěn)定。電廠取水管在本次施工區(qū)域附近埋深為-23.7~ -28.1 m，涉及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土3個土層，每測點根據(jù)土層情況在取水管同深度處、取水管同深度上部合適位置、取水管同深度下部合適位置埋設孔隙水壓力傳感器。除5號點外，其他4個測點均設置3個孔隙水壓力傳感器；5號測點距振源較遠，不監(jiān)測孔隙水壓力，只監(jiān)測振動速度對燈塔安全的影響。

3.3 電廠取水管周圍的土體深層位移

通常陸上土體深層位移監(jiān)測采用測斜管與測斜儀配套測量，但本工程測斜管露出位置位于水上，不利于測斜操作，故采用固定式位移傳感器。土體深層位移監(jiān)測位于3號測點和4號測點，土體深層位移通過埋設測斜管和安放于側斜管內(nèi)部的深層水平位移傳感器配套使用測得，通過土體深層位移監(jiān)測土體不同深度位置的位移變化情況，控制沉樁對管道周圍土體深層位移影響，避免土體深層位移對管道擠壓影響管道安全。

4 監(jiān)測方案實施與應用

4.1 孔隙水壓力計與三向振動速度傳感器同孔埋設

孔隙水壓力計的現(xiàn)場埋設要求將孔隙水壓力上部用膨脹泥球封死，這樣測得的孔隙水壓力才是來自該土層內(nèi)部的孔隙水壓力，而不是鉆孔上部的水壓力，同時避免一孔埋設多個孔隙水壓力傳感器，防止出現(xiàn)“串孔”現(xiàn)象；三向振動速度傳感器埋設要求將傳感器牢牢固定于土體中，避免測到振動速度因為安裝不牢出現(xiàn)衰減。基于兩種傳感器的埋設特點，本次方案設計時將兩個傳感器安裝在一個鉆孔中[6]，如圖3，通過連接裝置將三向振動速度傳感器固定于孔隙水壓力計上部，這樣利用封堵鉆孔的泥球固定三向振動速度傳感器，達到了2個傳感器安裝于同一鉆孔的目的，同時滿足兩種傳感器的埋設要求。圖3上部測斜管作用是確定三向振動傳感器的埋設深度和方向，待膨脹泥球封死后將測斜管撤出，這種創(chuàng)新性的埋設方法操作簡單、易于實施，同時減少了鉆孔數(shù)量，大大節(jié)約了鉆孔的時間和成本。

圖3 孔隙水壓力計與三向振動速度傳感器同孔埋設示意圖Fig.3Schematic diagram of combined the PPT and the 3-way vibration velocity sensor in one hole

4.2 監(jiān)測控制標準

由于打樁振動破壞的機理比較復雜，我國對打樁振動效應評估尚無通用的安全標準，常規(guī)的做法是參考GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》來確定安全指標；在國外，對于振動極限指標，美國、日本、德國等工業(yè)發(fā)達國家都有各自的標準，如美國礦務局針對多種類型的振動在廣泛調(diào)查和試驗的基礎上于1980年提出極限判據(jù)（USBM RI 8507）。

本次監(jiān)測控制標準在綜合參考國內(nèi)外相關文獻與規(guī)范、監(jiān)測目標實際情況及重要性、數(shù)值模擬計算3方面資料后得出。取水管及燈塔處振動速度控制標準為≤30 mm/s；取水管鄰近土體側向位移控制標準為≤10 mm，施工過程中超過監(jiān)測控制值，及時停止施工。

4.3 監(jiān)測方案應用

現(xiàn)場監(jiān)測布點埋設完成后，首先監(jiān)測了3號系纜墩沉樁過程，通過對沉樁過程中孔隙水壓力、沉樁引起的振動速度、土體水平位移觀測數(shù)據(jù)及分析，得出2號系纜墩可以施工的結論，同樣步驟觀測分析得出1號系纜墩沉樁不會影響取水管安全結論，并監(jiān)測至施工結束，施工過程岸坡穩(wěn)定，電廠取水管和燈塔處于安全工作狀態(tài)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析可以看出：

1）施工過程振動速度均在監(jiān)控安全值以內(nèi)。如圖4給出了在取水管同深度處沿監(jiān)測路徑振動速度的衰減規(guī)律?？梢钥闯鲈陔x樁較近距離內(nèi)水平振動速度衰減較快，這是因為水平向的振動是由壓縮波（縱波）傳播導致的，壓縮波的傳播速度較快，能量衰減較快；在離樁24.8 m以外，振動速度衰減不再明顯。

圖4 土體振動速度隨水平距離衰減曲線Fig.4Vibration velocity attenuation curve of soil along the distance

2）孔隙水壓力在打樁過程中變化很小。如圖5給出了部分沉樁過程中M1a點孔隙水壓力變化曲線，根據(jù)監(jiān)測結果顯示正常打樁過程中孔壓變化量小于3 kPa，變化幅度在1%左右，說明打樁過程中土體內(nèi)部孔隙水壓力變化很小，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5M1a點孔隙水壓力變化曲線Fig.5Pore water pressure change curve of M1a point

3）取水管鄰近土體側向位移較小。土體的變形主要是沉樁的擠土效應和振動引起的永久變形導致，由深層土體水平位移曲線（圖6）可知，水平位移整體趨勢是隨著土層的深度的減小而增加，且最大位移小于8 mm；由于土層的差異，水平位移的變化并非隨著土層的深度呈線型變化，而是在高程-20.80 m處（淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土）水平變形達到最大；高程-26.5 m處變形減小，主要是由于此部位處于取水管道高程位置，取水管道的存在增大了此處土體的剛度。

圖6 深層土體水平位移曲線Fig.6Horizontal displacement curve of deep soil

5 結語

根據(jù)碼頭泊位地質(zhì)結構組成特點，分析了該碼頭擴建過程中沉樁對周圍建筑物的影響因素，設計了施工監(jiān)測方案，同時闡述了監(jiān)測方案的設計思路和合理性，孔隙水壓力計與三向振動速度傳感器同孔埋設的創(chuàng)新性設計極大節(jié)約了施工時間和成本；從監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析可以看出：

1）碼頭沉樁過程中施工岸坡穩(wěn)定，臨近建筑物均處于安全狀態(tài)；

2）本次監(jiān)測方案設計合理、可行性強。監(jiān)測方案在評估監(jiān)測沉樁振動對周邊建筑物的安全性中取得了較好的應用。

3）近海沉樁施工是工程常見問題，本次監(jiān)測方案的設計和應用，對今后類似工程的監(jiān)測工作具有很好的參考借鑒價值。

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Monitoring scheme of the pile-driving on the adjacent buildings in offshore engineering

ZHU Rui-hu1,2,SU Jing-bo2,LI Tong-fei2,3
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098, China;2.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 3.Fujian Provincial Quality and Safety Supervision Bureau of Communications Construction,Fuzhou,Fujian 350001,China）

Effect of pile-driving on adjacent construction has always been an important subject for engineering researches. According to the possible construction risk of the pile-driving reconstruction project of a wharf in Zhejiang,we analyzed the considering factors of the monitoring scheme,and studied the design vision and the legitimacy.The scheme creatively combines the PPT(Pore water Pressure Translator)and the 3-way vibration velocity sensor in one hole,which saves the cost and time immensely.We also analyzed the monitoring data,ensured the safety of surrounding buildings.The design and application of this monitoring scheme can serve as reference for relative engineering projects.

pile-driving;monitoring scheme;pore water pressure;vibration velocity

U655.544.1

A

2095-7874（2017）07-0048-05

10.7640/zggwjs201707011

2016-11-29

2016-12-27

國家自然科學基金項目（51679081）

朱瑞虎（1983—），男，河北衡水人，碩士，從事港工結構檢測、地基處理實驗研究。E-mail：zhuruihu1983@163.com