沖孔樁施工振動(dòng)與爆破振動(dòng)比較研究

唐明淵，康 強(qiáng)，余紅兵

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

沖孔樁施工振動(dòng)與爆破振動(dòng)比較研究

唐明淵1,2，康 強(qiáng)1，余紅兵1

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

在某房建工程樁基施工作業(yè)中，為了確定沖孔樁作業(yè)的振動(dòng)強(qiáng)度及影響范圍，進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)比沖孔振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與典型的爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩者之間的異同，分析了沖孔樁施工振動(dòng)在振動(dòng)強(qiáng)度、主頻、衰減速度等方面的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鄰近建筑物調(diào)查，對(duì)沖孔振動(dòng)的影響進(jìn)行了分析，研究所得成果有助于指導(dǎo)工程施工，減小振動(dòng)危害效應(yīng)。

沖孔樁；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；比較研究

在建設(shè)工程領(lǐng)域，除了最主要的工地震動(dòng)來(lái)源爆破振動(dòng)外，也有其它一些方面的施工會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)影響及危害效應(yīng)，比如沖孔灌注樁的施工。沖孔灌注樁施工時(shí)沖孔錘沖擊地面在周邊的小范圍內(nèi)可以產(chǎn)生明顯可感的振動(dòng)[1-2]。不論是震源類型、地震波特性、影響因素等各方面，沖孔灌注樁施工產(chǎn)生的振動(dòng)都不同于爆破振動(dòng)。目前來(lái)說(shuō)，由于振動(dòng)監(jiān)測(cè)絕大部分是針對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行的，因此無(wú)論在國(guó)家規(guī)范還是專業(yè)研究等方面，都是主要集中于爆破振動(dòng)的預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)、分析、控制、危害評(píng)估，對(duì)于沖孔振動(dòng)的影響十分有限而且尚未深入。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析比較兩種震動(dòng)間的異同，并借鑒爆破振動(dòng)領(lǐng)域研究成果，對(duì)于沖孔灌注樁施工振動(dòng)的特點(diǎn)及防護(hù)等進(jìn)行了分析探討。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

該振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)象為貴州省六盤水市的某房屋建設(shè)工程，監(jiān)測(cè)進(jìn)行時(shí)工程正處于樁基施工階段。由于沖孔振動(dòng)引起了周邊居民的較強(qiáng)烈反應(yīng)，振動(dòng)可能導(dǎo)致了墻面涂層裂縫，工程方為了確定沖孔振動(dòng)強(qiáng)度及影響范圍而決定進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從圖1中可以看到施工區(qū)域西、北側(cè)鄰近有一般磚混居民自建房，東側(cè)為框架結(jié)構(gòu)商品住宅樓，在西側(cè)工地靠圍墻修有一條1.5 m深的排水溝可充當(dāng)減震溝。以西、北側(cè)居民住宅為主要對(duì)象，進(jìn)行了數(shù)次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

2 測(cè)試原則及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本次監(jiān)測(cè)采用儀器為tc-4850爆破振動(dòng)測(cè)速儀，該儀器可以測(cè)得振動(dòng)的三矢量數(shù)據(jù)，具有靈敏性好、精度高、記錄容量大、工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，儀器的拾振器通過(guò)石膏固定。

由于沖孔施工在沖孔錘重量等參數(shù)固定的條件下每次作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)即可反映出在一定的參數(shù)及施工條件下的沖孔振動(dòng)強(qiáng)度[3-4]。同時(shí)，由于沖孔灌注樁施工持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生很大數(shù)量的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而且沖孔深度等條件的變化也會(huì)影響振動(dòng)強(qiáng)度，因此對(duì)于沖孔振動(dòng)也不適合進(jìn)行全程監(jiān)控。基于以上原因，監(jiān)測(cè)針對(duì)不同條件，每次持續(xù)1 h，取得數(shù)據(jù)約360個(gè)左右。

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，本文中不可能列出所有數(shù)據(jù)，因此僅列出其中個(gè)別典型數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單示意圖

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較分析

與爆破振動(dòng)相比，由于振動(dòng)產(chǎn)生方式、地震波特性、影響因素、作業(yè)特點(diǎn)等方面都不同，沖孔灌注樁施工振動(dòng)與爆破振動(dòng)之間的差異是多方面的，下面結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩者間的異同進(jìn)行分析：

(1) 由于兩者都是短時(shí)間內(nèi)對(duì)于巖體施加沖擊作用，沖孔振動(dòng)地震波波形與爆破振動(dòng)很相似。圖2所示為中深孔單孔爆破及本次監(jiān)測(cè)沖孔振動(dòng)的典型地震波波形，可以看到兩者波形十分接近。

表1 沖孔振動(dòng)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 典型實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)波形

(2) 一般情況，爆破作用下介質(zhì)在垂直方向的振動(dòng)是最主要的，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)的三矢量速度峰值最大值也基本出現(xiàn)在垂直方向，但是從本次監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，沖孔振動(dòng)沒(méi)有顯示出這種規(guī)律。本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明沖孔振動(dòng)速度峰值最大值既可能出現(xiàn)在垂向也可能出現(xiàn)在水平徑向，而且同測(cè)點(diǎn)有關(guān)系。同次監(jiān)測(cè)同一測(cè)點(diǎn)測(cè)得的不同數(shù)據(jù)，雖然在數(shù)值上不同但是測(cè)得的三矢量數(shù)據(jù)之間的比值基本是穩(wěn)定的。

(3) 沖孔振動(dòng)的單次持續(xù)時(shí)間一般比爆破振動(dòng)短，但是對(duì)于周邊建(構(gòu))筑物總的作用時(shí)間更長(zhǎng)。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，每次沖孔錘沖擊地面產(chǎn)生的震動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短，絕大部分不到1 s。但是為了完成一個(gè)數(shù)米深的樁孔，需要持續(xù)進(jìn)行沖孔作業(yè)數(shù)十小時(shí)，每小時(shí)的作業(yè)次數(shù)在360次左右，完成單個(gè)孔樁沖孔錘沖擊地面的次數(shù)在1萬(wàn)次以上，對(duì)周邊建(構(gòu))筑物總的作用時(shí)間可達(dá)數(shù)千秒。由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，沖孔振動(dòng)對(duì)于建(構(gòu))筑物的影響研究顯然有必要涉及到振動(dòng)累積破壞效應(yīng)。

(4) 沖孔振動(dòng)總能量小，地震波衰減快，影響范圍小。沖孔振動(dòng)的強(qiáng)度與沖孔錘重量及沖孔作業(yè)的高差有關(guān)，但是即使是采用最大參數(shù)，單次沖孔作業(yè)的振動(dòng)能量也不及一次普通的中深孔爆破。沖孔振動(dòng)地震波的衰減十分迅速，影響范圍遠(yuǎn)小于爆破振動(dòng)。從本次監(jiān)測(cè)結(jié)果看，建筑物的距離超過(guò)10 m，沖孔振動(dòng)的強(qiáng)度就減弱到1 cm/s以下，40 m外對(duì)于沖孔振動(dòng)人就可能無(wú)法感知了。

(5) 沖孔振動(dòng)的強(qiáng)度小，主頻較低、較穩(wěn)定。沖孔振動(dòng)強(qiáng)度低、衰減快，本次監(jiān)測(cè)在近距離測(cè)得數(shù)據(jù)最大值也不到0.7 cm/s，遠(yuǎn)不到國(guó)家規(guī)定的安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)[5]。所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沖孔振動(dòng)主頻基本穩(wěn)定在7～14 Hz上下的區(qū)間范圍，主頻接近建(構(gòu))筑物的固有頻率。從監(jiān)測(cè)得到的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，同次監(jiān)測(cè)同一測(cè)點(diǎn)每次測(cè)得的主頻十分接近，數(shù)值穩(wěn)定。相比之下，爆破振動(dòng)的主頻變化范圍較大。采用現(xiàn)在最為普遍的微差爆破方式進(jìn)行爆破，爆破地震波主頻基本處在10～60 Hz范圍，基本上不接近建筑物的固有頻率。

(6) 沖孔振動(dòng)強(qiáng)度受到作業(yè)對(duì)象介質(zhì)條件的較大影響。采用重錘自由落體沖擊地面的沖孔錘機(jī)械作用過(guò)程和瞬間反應(yīng)的爆破作用不同，沖孔施工本身的作業(yè)效果和振動(dòng)強(qiáng)度都受到地面介質(zhì)特性的顯著影響。本次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也反映出當(dāng)沖孔錘沖擊土層時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度要小于沖擊巖層的強(qiáng)度。實(shí)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁孔內(nèi)有水時(shí)，由于水對(duì)于沖孔錘的緩沖作用會(huì)影響作業(yè)，同時(shí)顯著降低沖孔振動(dòng)強(qiáng)度。

4 沖孔振動(dòng)的影響及控制措施

沖孔振動(dòng)由于振動(dòng)強(qiáng)度小、衰減快，對(duì)于大部分建(構(gòu))筑物都基本不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性破壞。但是由于沖孔振動(dòng)的主頻較低而且施工作業(yè)總的振動(dòng)作用時(shí)間長(zhǎng)，依然可能造成一定的破壞效應(yīng)[6-7]。在本次振動(dòng)監(jiān)測(cè)中對(duì)于周邊鄰近民居的調(diào)查就發(fā)現(xiàn)了由于沖孔振動(dòng)導(dǎo)致的墻壁涂層裂紋。因此對(duì)于像木結(jié)構(gòu)古建筑文物、油氣管道等重要保護(hù)對(duì)象，如果非常接近還是有必要進(jìn)行防護(hù)處理的。由于沖孔振動(dòng)具有持續(xù)時(shí)間短、主頻低的穩(wěn)定特點(diǎn)，其最主要的評(píng)價(jià)與控制對(duì)象都應(yīng)著眼于振動(dòng)強(qiáng)度。

由于作用原理上的差異，沖孔灌注樁施工在振動(dòng)控制上的手段不可能像爆破工程那么豐富，但是依然可以從主動(dòng)與被動(dòng)控制兩個(gè)方面著手。在主動(dòng)控制手段方面，可以改用更小重量的沖孔錘進(jìn)行施工或者減小沖孔錘自由落體高度，能夠有效減小沖孔振動(dòng)，但是顯而易見(jiàn)這樣的主動(dòng)控制措施也會(huì)延長(zhǎng)施工作業(yè)時(shí)間。在被動(dòng)控制手段方面，本次振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，減震溝、減震孔等適用于爆破震動(dòng)控制的措施同樣適用于沖孔灌注樁施工，而且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，減震溝的減震率可達(dá)50%，但是在減震效果上同樣要考慮到深度的影響。考慮到一般情況下的樁孔深度，在工程中實(shí)際應(yīng)用時(shí)當(dāng)施工到樁孔深處時(shí)減震溝的效果會(huì)很有限。

5 結(jié) 論

本文基于沖孔灌注樁施工的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于沖孔振動(dòng)的特性進(jìn)行了分析探討，并得出了以下結(jié)論：

(1) 基于大量沖孔振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合爆破震動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與爆破振動(dòng)波形進(jìn)行對(duì)比分析，比較了兩者間的異同，從波形、振動(dòng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、主頻、影響范圍等多方面分析探討了沖孔振動(dòng)所具有的特性。

(2) 基于沖孔振動(dòng)特性的分析結(jié)論，結(jié)合沖孔灌注樁施工實(shí)際，參考爆破施工技術(shù)對(duì)于沖孔振動(dòng)控制措施進(jìn)行了探討。

[1]漆昌明，徐必兵，謝偉平.打樁引起周邊環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)[J].土工基礎(chǔ)，2006,20(5)：61-62.

[2]方華建，蔣 軍.打樁振動(dòng)對(duì)周圍建筑物位移影響研究[J].低溫建筑技術(shù)，2012(5)：100-101.

[3]高彥斌，費(fèi)涵昌.打樁引起的地面振動(dòng)的測(cè)試與分析[J].地下空間，2004,24(2)：190-193.

[4]劉超英，秦厚慈.打樁振動(dòng)對(duì)毗鄰建筑物影響的監(jiān)測(cè)及分析[J].安徽建筑，1994(1)：8-11.

[5]GB6722-2014.爆破安全規(guī)程[S].

[6]朱德才.打樁地面震動(dòng)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)影響的評(píng)價(jià)[J].山西建筑，2008,34(32)：128-129.

[7]潘 英，陳 健.打樁振動(dòng)分析及防治措施[J].山西建筑，2011,37(12)：87-88.

2017-02-17)

唐明淵(1970-)，男，貴州長(zhǎng)順人，高級(jí)工程師，主要從事爆破技術(shù)管理工作， Email：602574716@qq.com。