橋梁樁基施工對周邊建筑物的影響控制

張永嶺，吳壯

（上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

高頻免共振沉樁技術是當下的一種新型沉樁技術。其具備了高頻振動沉樁的優點，同時也保證了對周邊構筑物的保護，在液壓驅動下，上下對稱的兩組振動器帶動樁產生垂直上下振動，使樁周土體產生強迫振動，使土體液化破壞樁土之間的擠壓粘結狀態，從而降低土體強度和動阻力，樁在激振力和錘樁重力共同作用下，穿越土層達到設計深度。同時當振動錘頻率增加到接近巖土的固有頻率的時候，通過調節上下兩組振動轉子相對位置使其產生的激振力相互抵消，表現為振動錘對外不輸出功，待振動錘內轉子振動頻率升越該頻段后對外開始輸出功，從而消除了共振的出現。高頻振動頻率一般可達到2000～2500r／min，以實現施工作業要求。與其他沉樁方法相比，有超低震動噪聲、高效沉樁等優點。一般來說，其施工效率是一般普通方法的數倍，沉樁速度一般在4～7m／min，在非淤泥地質中最快可達12m／min 。

1 人行橋梁工程概況

濱江公共空間和綜合環境（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經過輪渡站前方架高貫通的重要的分部工程，施工內容為橋梁樁沉樁14根，樁位布置見圖1 ，預制安裝橋梁板7塊，現場周邊構筑物狀態為，1～3號樁北側緊鄰上海華東船務辦公大樓，4、5號樁北側緊鄰輪渡站渡口樓房，12～14號樁東側80米即為楊浦大橋橋墩。根據現場勘查測量，1、2號樁距離現有建筑僅有2米，3、4、5號樁距離現有建筑均在5米以內，根據施工要求，在沉樁過程不得對現有建筑造成損壞。

圖1 樁位布置圖

2 橋梁樁基施工條件

2.1 橋梁樁施工地質條件

根據本次詳勘揭露地層資料，場地地基土分布有以下特點：

上層為填土，成份復雜，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：主要有淤泥質粘土、灰色粘土，灰色粉質粘土等，厚度約為26米。下層為粉砂為主，顆粒組成以云母、石英、長石為主，夾砂質粉土，呈密實狀態，土質不均，鉆探厚度約為15米。

2.2 橋梁樁基施工重點難點問題

2.2.1 施工難度大

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

2.2.2 工期要求高

根據總體施工工期安排，橋梁樁應在防汛墻完成后完成回填才可進行，同時因總工期的限制，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鍵工序，其施工展布和進度情況直接影響工程總體進度。為保證橋梁樁的順利施工，現場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樁帽施工作業過長的施工等待時間造成工期損耗，進而影響總體施工進度。

3 橋梁樁基施工方案的比選

3.1 施工方案評價標準

3.1.1 是否滿足場地及環境保護要求

場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到成樁技術要求，又要滿足施工設備外型尺寸不能過大。另外周邊環境問題是另外一項重要的制約因素，樁型的選擇沉樁方式的選擇，都要考慮對周圍環境產生的影響，除常見的噪音、震動影響外，還會因為土體受到擠壓和振動，引起原有地基破壞，因而會對周圍原有建筑物和周邊水工設施帶來不利影響，所以合理的樁基方案是關鍵。

3.1.2 是否滿足工期要求

施工效率評價標準為單根樁沉樁效率和在單根沉樁施工結束后，能高效地完成樁位轉移，形成橋梁樁沉樁連續施工作業；以及在橋梁樁施工結束后，能迅速地實現基座安裝，達到強度后滿足構建安裝的要求。

3.1.3 綜合施工成本是否最優

在施工方案滿足質量與施工效率的前提下，還應綜合分析施工措施特別是對構筑物保護產生的綜合成本，不同的施工方案，投入的設備、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存在新建擋墻，如果采用實心的預制混凝土樁、下端封閉的管樁在成樁過程中產生的此種擠土效應就非常大，故在本工序不采用實心預制混凝土管樁和下端封閉的管樁，本工程計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驗，并結合工程實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振動錘沉樁方案；⑤高頻免共振沉樁方案。

對各個方案的優勢與劣勢，通過是否滿足周邊保護要求、場地空間要求、施工效率、成本等三項比選標準對各個方案進行對比評估：鉆孔灌注樁雖然擠土效應最小但是施工效率低不滿足施工工期要求，同時鉆孔設備和混凝土澆筑設備受限于場地和通道。靜壓沉樁因需加載重量高達數百噸，會對外側新建擋墻產生安全影響，且場地狹小空間不宜施工。鋼管樁錘擊打入沉樁方案錘擊樁產生的震動和噪聲較大，沖擊力對周邊建筑產生影響較大，施工噪音和振動的公害大、污染環境，水上作業使用輔助設備多，施工措施成本較高。鋼管樁振動錘沉樁時振動錘產生的震動可與周邊建筑產生共振對建筑物的安全影響較大；鋼管樁高頻免共振沉樁屬新設備新工藝，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行施工。

4 免共振沉樁施工方案分析

4.1 免共振實現原理

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

免共振錘的調節原理見圖2，偏心塊結構為免共振振動錘的內部結構，其中半陰影的圓形結構為偏心塊，共有兩組，每組為2個，且偏心塊的大小、質量完全相同，通過特殊設計和調節保證上下兩組偏心塊在高速旋轉的同時，在任何相位角的時候都保持上下偏心塊的激振力剛好抵消，此時激震力為0，對外表征為不振動，但是此時偏心轉子仍在加速運轉。這樣就保證了在免共振振動錘啟動和關閉的時候偏心塊的高頻率，但沒有激振力。一直到頻率超過土體固有頻率后，通過智能調節使得上下兩組偏心塊的相位角錯位從而產生激振力，同時可以調節激震力大小，實現設備的正常施工。

圖2 調節原理

4.2 振動錘參數的選擇

振動設備選型原則：振動設備激振力＞樁土之間摩擦力，振動錘克服土的摩阻力后，才能將樁沉入土中，用FV表示振動錘的激振力（KN），FR表示土的摩阻力（KN），既FV＞FR。工程試驗標準貫入擊數為55.3擊。振動錘選型根據本工程橋梁樁最大的來選取，取參數直徑1500mm，壁厚16mm，長35m，重20715kg的鋼管樁選型來計算：

土的摩阻力按下式計算：

FR=fUL

L—樁的入土深度（m）

U—樁的周邊長度（m）

f—土層單位面積的動摩阻力（t/m-2），可按表1估算

表1 土壤標準貫入擊數N與動摩阻力關系表

將數值代入公式：

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。

根據摩阻力選取免共振液壓錘的錘型號為ICE70RF。其參數為：激振力：3070kN；最大轉速：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 對周邊建筑物影響結果

為了保證建筑物的安全，全程對防汛墻、輪渡站及水工結構等建筑物位移進行檢測，選取了檢測數據變化量最大的一個點進行分析，位移變化數據見表2：

表2 位移監測統計表

根據上表統計數據顯示，在橋梁施工階段，建筑物位移在正常的位移范圍內并沒有出現明顯變化，說明免共振沉樁施工階段對建筑物基本無影響。

4.3.2 施工進度和質量情況

本工序施工時間8天，滿足進度要求，未對后續工序產生影響。質量檢測結果顯示樁位偏差控制在5cm以內，符合設計要求；焊接質量檢測，對所有焊縫進行超聲波無損探傷，結果均合格；基樁高應變動測是對其樁身完整性和地基對樁的支撐力檢測其承載力均符合設計要求。

5 結束語

項目部通過對比傳統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錘沉樁施工工藝，并通過理論計算和現場精細的管理很好地做到了施工進度、周邊保護和環境保護的完美協調，在沉樁過程的工藝選擇和操作過程中積累了一定的經驗，為其他項目施工中遇到臨近建筑物施工提供一定的參考。在實際施工中遇到問題后，可以考慮從多個角度來思考問題的處理方式，并在客觀環境允許的情況下擬定出多路徑解決問題達到目標的方法，再通過評估篩選出最優方案用于實際生產，這樣既有助于問題癥結的透徹分析，又有利于工程管理工作的實效性開展。