冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估

冲击钻孔桩施工条件下既有桥安全评估

一、前言

冲击钻孔施工过程中由于钻孔机的激振,使钻点的土体产生振动，并以土体为介质向四周传播，从而激发周边建筑物的震动。当震动超过一定的限度时，就会对周围环境产生不利影响,危及周围建筑物等的稳定与安全。因此,对冲击钻孔施工引起的震动进行评估，是必要的。

二、新建桥梁与既有桥梁基本资料

2。1新建桥梁工程概况

此次新建的横酃路西起蒸阳路口,连接湘桂路，上跨既有湘桂铁路沿既有横湘公铁路桥南侧25m（上游方向）并行，由新建横酃路湘江大桥承担机动车过江交通（桥上保留基本的人行道及检修道宽度)，将原有横湘公铁路桥改为非机动车及行人的双向过江交通。新建的横酃路高架桥过到江东后跨越湘桂铁路,然后沿三化铁路专用线高架接上原设计东风路立交。

跨湘江主桥采用五跨变高度连续箱梁，跨度布置为63.5+3×122+63.5m.桥梁起点里程为MK0+443.710，终点里程为MK0+936.71，桥梁中心里程为MK0+690.210。主桥主墩采用时下花瓶墩,桩基础；交接墩采用三柱式门架墩,桩基础.

2。2水文条件

湘江又称湘水，是湖南第一大河流，也是长江大支流之一。它发源于广西壮族自治区临桂县海洋坪的龙门界,流经广西的性兴安、全州及湖南的东安、永州、祁阳、衡阳、株洲、湘潭、长沙、望城等县市,至湘阴县濠河口分东南两支呼入洞庭湖。干流全长856公里(湖南境内约670公里)，流域面积94660平方公里（湖南境内85383平方公里），多年平均流量664。9亿立方米。

本桥位于衡阳水文站上游约8.15Km，根据我院委托湖南省水文水资源局于2002年3月完成的《长衡高速铁路桥位河段水文分析成果》,衡阳水文站百年水位H1％=60.44m（1985国家高程基准，下同），二十年一遇水位H5％=58。24m，河床平均坡度j=1.2‰，由此推算本桥桥位处百年流量Q1％=21300m³/s，百年水位H1%=61。39m，二十年一遇水位H5％=59.22m。

2。3航道条件

湘江是湖南省骨干航道之一，根据湖南省航道管理局要求,本桥通航标准应该按照规划Ⅱ级航道考虑,须满足Ⅱ-3级航道标准。

根据我国现行的内河通航标准，Ⅱ—3级航道的跨越航道建筑物要求净高10m，侧高6m，净宽75m，上底宽56m，最高通航水位按照二十年一遇水位采用59。18m。

2。4地质概况

衡阳市横酃路立交桥A标段为衡阳断陷盆地中部，属湘江一级阶地,桥址跨越湘江，湘江由南流向北，江面宽约360m，水深5。3～9.2m，西岸为侵蚀岸。

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一级阶地上部为第四系全新统冲积粘性土,厚3~4m，局部厚约有厚约0～5m的人工填土，河流表层为砾砂、圆砾、松散,厚约0.4～3.4m，下为第四系上更新统网纹状黏土，厚0~10.4m，亚粘土,松散,厚约0～5。9m，圆砾土0~12。3m。下伏基岩为下第三系渐始新统霞流市组E2+3x粉砂岩，全风化层厚约0.6~1。7m，强风化层厚约1.5～2。8m.

2。5既有湘桂铁路公路两用桥概况

既有湘桂铁路为单线，跨越湘江的桥梁采用公铁两用的形式，桥梁上层为宽10m的公路桥面，下层为单线铁路明桥面，主跨布置为（2×60。5）m +（2×60。5）m +(2×60。5）m三联连续铆接刚桁梁。主跨线路条件为平坡直线，挡碴墙前墙间距为426.9m，主跨全长437.5m。节间长度6。05m,采用铆接组合杆件，刚桁梁共重1913t.

该桥设计建造于20世纪50年代，轨底标高66.62m，梁底标高64。92m，墩台顶标高63.92m，公路路面目前标高为74。3m.设计百年水位采用1924年历史最高水位59。9m，通航水位采用51。6m.水中桥墩采用片石混凝土变截面圆端形桥墩，基础采用片石混凝土扩大基础,底层顺桥向6。8m，横桥向12。8m,嵌入风化岩1~2m。

经过认真细致的实地勘测，目前桥区铁路两侧建有大量房屋，为尽可能节约投资，必须尽量减少房屋的拆迁量，因此新老两座湘江桥间距宜尽量小一些。 从既有湘江公铁两用桥竣工图可以看出,桥位处河床基岩较浅，地质条件良好.新建的横酃路跨湘江桥可采用钻孔灌注嵌岩桩基础,将承台顶置于河床表面以上1～2m，采用吊箱围堰施工水下基础，尽可能避免水下开挖以减少对既有桥的干扰，根据初步设计成果，新湘江大桥主墩承台横向宽19m，两桥中心距采用25m，则新桥承台外侧到既有桥扩大基础外侧净距为25-（19+12.8)/2=9。1m，新桥桩基中心到既有桥梁基础外侧净距为9.1+0.9+0.6=10。6m。可以满足施工要求，运营过程中两桥基础相互影响小，安全又足够的保障。

三、计算依据

3。1参考规范手册

古建筑防范工业振动技术规范 GB/T 50452—2008 动力机械基础设计规范 GB50040—96 建筑抗震设计规范 GB50011—2001 爆破安全规程 GB6722—2003 桩基工程手册

建筑振动工程手册

3。2计算原理

冲击钻孔是用质量为数吨的重锤，自数米高处自由落体冲击地基土石，以达到钻孔的目的.

冲击钻孔是一种冲击型振源，当落锤冲击地基土石时,产生强大冲击波(包括体波和面波），从冲击点向四周土体传播，从而引起地面振动。

假定把土体看成是均质各向同性弹性半空间，则其弹性波可分为体波和面波两大类.体波包括纵波（压缩波)及横波（剪切波），面波一般呈瑞利波，3种弹性

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波占输入能量的百分比为:瑞利波67%，剪切波26%，压缩波7％。由于瑞利波占来自竖向振荡振源总输入能量的2/3,以及瑞利波随距离的增加而衰减比体波慢得多等原因，所以在离震源一定距离以为，对于位于或接近于地面的建筑物及其基础，瑞利波在振动中起主导作用.同时，对于任意一个地面振动而言,都包含有3个振动参数，即振幅、速度、加速度。迄今为止，在评价有关振动引起的危害性问题时，为何种参数为依据或标准，各个国家并不统一.目前国内还没有制定冲击钻孔振动的环境安全允许标准,在具体评价强夯环境振动影响时，基本上都参照《爆破安全规程》（GB6722—2003)中的相关规定，该规程规定:

爆破振动安全允许标准

序号 保护对象类别 安全允许振速／（cm/s） 〈10Hz 1 2 3 4 土窑洞、土坯房、毛石房屋a 一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物a 钢筋混凝土结构房屋a 一般古建筑与古迹b 0.5～1.0 2。0～2.5 3。0～4。0 0。1～0.3 10Hz～50Hz 0。7～1.2 2。3～2.8 3.5～4.5 0.2～0。4 50Hz～100Hz 1.1～1。5 2。7～3.0 4.2～5.0 0。3~0。5 美国的爆破规程确定的安全振动速度界限值为5cm/s，即认为当建筑物的振动速度5cm/s时，建筑物是安全的；显见国内的规程较美国的规程要求更加严格。

四、计算过程

4。1冲击振动振源振幅衰减特性

冲击钻的工作特点是钻头瞬时冲击孔底，造成孔底的局部破坏，钻头不会反弹回来.在两次冲击的时间间隔内，一般由于冲击在孔底形成振动和此振动在土体中的传播(波动）的耗散已经完成。将冲击简化为瞬时完成，其本身的振动忽略不计。则由冲击在孔底引起的振动可以简化为有阻尼的自由振动: (1） 初始条件为： 求解得: 式中：

即得衰减振动的形式.衰减振动的圆频率小于无阻尼的自由振动的圆频率。 设钻头的质量为,以速度冲击孔底,设表示冲击影响土体的质量，则。由于动量守恒定理得：

由于土层参数缺乏，故据P.W.Mayne的统计资料，确定冲击引起的初始振动PPV值:。

将初始条件代入方程（2），得 所以，振动方程为： 其振幅A为：

由于自由振动是一种谐振，其圆频率：，为自由振动的周期，取为0.35，故振动的圆频率为17。95rad/s.一般土层阻尼比取0.15。故衰减系数: 因此，振动随时间的衰减方程的方程可表示为： (3)

表明冲击引起的振动，其振幅随时间呈负指数关系衰减.时，即冲击引起的最大振幅为;时，。也就是说,冲击引起的最大振幅在1s内衰减大于90%。

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4.2既有桥梁基础处最大振动峰值速度

从经验上来看,W。P。Mayne总结了美国及其他国家的强夯冲击加固土体方面的经验。由于强夯冲击过程与钻头冲击孔底的过程是类似的，区别在于前者的冲击发生在地表，后者的冲击发生在孔底，采用前者的经验对后者来说应该是偏于保守的.因此Mayne总结的振动峰值速度经验公式可以为本工程所参考。

PPV ——振动峰值速度(mm/s）; W -—钻头质量（ton)； H --钻头落距(m）；

D ——距冲击点距离（m)。

距既有桥梁基础最近的钻孔桩中心的距离为10.6米。则在冲击钻孔施工时,对就有桥梁基础产生的振动峰值速度，可按下列公式计算：

五、结论

综合以上研究,可以得出以下结论：

1。由冲击引起的振动,其振幅随时间呈负指数关系迅速衰减,衰减系数为2。69。冲击引起的振源最大振幅约为1。5cm，此振幅1s内可以衰减大于90%。 2。冲击引起的振动随距离有较快的衰减。振动传到既有桥梁基础处的振动峰值速度（PPV）约为25。44mm/s。小于《爆破安全规程》（GB6722-2003）中的相关规定,更小于美国矿务局之振动安全标准.

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