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深層沖擊成孔振動(dòng)環(huán)境影響分析

文檔作者：黃俊1，張波2 文檔來源： I．北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月18日
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2012年10月上
第41卷第374期
施工技術(shù)
CONSTRU CTl0N TECHNOLOGY 19
深層沖擊成孔振動(dòng)環(huán)境影響分析
黃俊1，張波2
(I．北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；
2．北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)
[摘要]對(duì)鄭州中心城區(qū)某場(chǎng)地膠結(jié)層沖擊鉆孔施工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有地表加速度、深部土層加速度
及土層的分層沉降。對(duì)深層沉降及地表振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，得出現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的擾動(dòng)程度及地表振
動(dòng)規(guī)律，并合理評(píng)價(jià)沖擊振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響。研究表明：沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)在地表和地層內(nèi)部衰減較快。測(cè)得的
振動(dòng)主頻范圍均在中高頻端，沖擊振動(dòng)的波動(dòng)在主頻未能與建筑產(chǎn)生低階共振，對(duì)建筑物的影響有限，地表沉降主
要由軟弱層振陷引起，建筑物差異沉降小于規(guī)范要求。
[關(guān)鍵詞】地下工程；沖擊鉆孔；振動(dòng)；衰減規(guī)律；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；監(jiān)測(cè)；沉降
[中圖分類號(hào)]TU753．3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1002—8498(2012)19-0019-04
Environmental Impact Analysis of Vibration Induced
by Deep Percussion Drilling
Huang Junl．Zhang B02
(1，The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，
Ministry of Education，Beqing University of Technology，Be講ng 100124，China；
2．Beijing Urban Construction Exploration＆Surveying Design Research Institute Co．，Ltd．，Bering 100101，China)
Abstract：For a project in central Zhengzhou，the process of percussion drilling on deep glued layer was
monitored．The major monitoring parameters included surface acceleration，deep layered acceleration and
layered settlement．Based Oil analysis of layered settlements and surface vibration spectrum，conclusions
were drawn regarding the principles of surface vibration and the degree of disturbance to mucky silty clay
caused by the drilling process．The environmental impact induced by drilling construction was properly
evaluated．This study shows that vibration caused by drilling decreases rapidly in surface and formation．
The measured vibration frequencies are mainly in high-frequency side．Vibration caused by drilling did
not resonate with building，and hence the impact on building was limited．Ground settlements were
mainly caused by vibration—subsidence of soft layers．Differential settlement of the building is less than
the regulatory requirements．
Key words：underground；percussion drilling；vibrations；attenuation law；tests；monitoring；settlement
沖擊荷載產(chǎn)生的振動(dòng)波從振源四周徑向傳播，
空間高度方向及地表的影響都很大，傳播距離
遠(yuǎn)?。振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響主要體現(xiàn)在：動(dòng)荷載對(duì)建筑
及建筑地基產(chǎn)生影響，使地基產(chǎn)生不均勻沉降而造
成建筑結(jié)構(gòu)受力不合理，特殊地段可能對(duì)人的生
活、精密儀器和設(shè)備使用產(chǎn)生影響悼圳。沈軍明口1
以最大合速度作為強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)指
標(biāo)，得到了速度衰減公式和最小安全距離。施有
志油-結(jié)合強(qiáng)夯振動(dòng)工程實(shí)例，分析了強(qiáng)夯施工引起
[收稿日期】2012-04-05
【基金項(xiàng)目】國(guó)家973項(xiàng)目(2007CB714203)；北京市自然科學(xué)基金
重點(diǎn)項(xiàng)目(8111001)
[作者簡(jiǎn)介]黃俊，博士研究生，E—mail：hjyq520@163．com
的振動(dòng)規(guī)律及振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。
本文針對(duì)鄭州城區(qū)某場(chǎng)地進(jìn)行的沖擊鉆孔施
工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過研究波在地層的傳播規(guī)律、
淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層及粉砂層的振陷，評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)場(chǎng)
地周邊環(huán)境的影響，為類似工程的安全施工和振動(dòng)
測(cè)試提供借鑒。
1工程概況
監(jiān)測(cè)場(chǎng)地位于鄭州市花園路以西，緯三路以
北。場(chǎng)地內(nèi)擬建建筑地下3層為車庫及設(shè)備用房，
主樓地上33層，總高度約139．3m，基坑開挖深度為
18～20m。樁基施工至深部38～45m膠結(jié)層后旋挖
鉆機(jī)無法進(jìn)尺，改用沖擊成孔法，總樁數(shù)為270根。
萬方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第41卷
鉆機(jī)采用CZ60型沖擊鉆，沖擊錘重3．0t，抬升75—
80era沖擊，沖擊頻率為40次／min。場(chǎng)地地處中心
城區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，由于主樓靠近北側(cè)，因此主要
考慮沖擊振動(dòng)對(duì)北側(cè)的影響，如圖l所示。場(chǎng)地北
側(cè)存在2棟建筑物，分別為1棟10層住宅，基礎(chǔ)埋
深3．0m，1棟3層(局部4層)磚混住宅，基礎(chǔ)埋深
1．5m，距離沖擊施工最近距離約為40m，場(chǎng)地北側(cè)
由南向北依次有天然氣、給水、污水、電纜溝等市政
管線，距離沖擊施工最近約35m。
圖1場(chǎng)地周邊環(huán)境
Fig．1 Environment around the construction site
場(chǎng)地地基土按照土性自上而下分為4層，其中
沖擊鉆穿過的地層主要為4層，位置距地表33～
40m，各主要土層參數(shù)如表1所示。
表1主要土層參數(shù)
Table 1 Physical and mechanical parameters of stratum
主要土層。0‰之磐孔譬吣翟∥彤拳，
粉土
淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土
粉細(xì)砂
砂礫膠結(jié)層
l 992
l 790
2 03l
2 160
21．52 O．65 20．6 24．6
32．92 lIl7 18．8 11．2
18．90 0．59 9．7 30．5
26．70 1．06 36．9 32．5
2研究目的和內(nèi)容
本次試驗(yàn)主要目的是探討沖擊鉆孔施工振動(dòng)
對(duì)周邊環(huán)境的影響，主要包含以下幾個(gè)方面內(nèi)容：
①不同工況沖擊施工振動(dòng)隨距離的衰減規(guī)律；②建
筑物共振破壞的可能性；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉砂
層受振動(dòng)擾動(dòng)產(chǎn)生的振陷估算。
選取離北側(cè)建筑物和管線最近的樁位進(jìn)行試
驗(yàn)，振動(dòng)測(cè)試工況根據(jù)沖擊鉆鉆機(jī)臺(tái)數(shù)確定，樁基
施工最北側(cè)施工鉆機(jī)數(shù)量分別為1—4臺(tái)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
有垂直、徑向、切向加速度，深層振動(dòng)考慮3臺(tái)同時(shí)
施工時(shí)的工況，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為垂直加速度。
3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
3．1地表振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置
為保證測(cè)試效果，用厚度lcm、長(zhǎng)寬均為8cm的
鋼板，中心焊接20cm長(zhǎng)、直徑為1．6era的螺紋鋼
筋，打入地下，在鋼板上安放傳感器。測(cè)點(diǎn)布置：沖
擊鉆孔布置為L(zhǎng)形(見圖2)，按西、南的樁位跳打。
為此，在充分考慮實(shí)際樁位布置及現(xiàn)有臺(tái)班的條件
下，主測(cè)線沿南北布置，從南部中間位置南側(cè)鉆機(jī)
開始，一直向北延伸到圍墻外的建筑物墻邊。
N
①
廠]
f]lo層q L．．．。．．．．．．．．一
◆◆◆◆◆◆◆審
5
4
3
犟坑范圍
圖2地表測(cè)點(diǎn)布置
Fig．2 Layout of surface monitoring points
3．2深層測(cè)點(diǎn)布置
在地表振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，在地基不同深
度布設(shè)豎向加速度測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行深層振動(dòng)測(cè)試。沿主
測(cè)線由南向北布置鉆孔。深部振動(dòng)及沉降用的鉆
孔平面布置如圖3所示。鉆孔孔徑llOmm，1—3號(hào)
鉆孔深度分別為25，20，38m，傳感器測(cè)試深度以每
5m間隔從地表向下布置。測(cè)試結(jié)束后在2，3號(hào)鉆
孔內(nèi)安放直徑為53ram的沉降管，待測(cè)點(diǎn)固定后即
可進(jìn)行地層沉降觀測(cè)。
3．3監(jiān)測(cè)設(shè)備及布置
主要儀器、設(shè)備如表2所示。
表2試驗(yàn)儀器與設(shè)備
Table 2 Testing apparatus and instruments
儀器和設(shè)備數(shù)量規(guī)格
CZ60型沖擊鉆／臺(tái)5 錘重3．o L，沖擊頻率40次／rain
WS-DAQ振動(dòng)測(cè)試儀／臺(tái)1 分辨率：16bits
941B型超低頻鍘振儀／臺(tái)l 輸入阻抗>l 000kQ
BGK-1900型電磁式沉降儀／臺(tái)1 分辨率：±1mm
CJG-7086型PVC沉降管／m 80 外徑53ram．內(nèi)徑45mm
傳感器／個(gè)12 與采集系統(tǒng)配套
信號(hào)線／m 400 與采集系統(tǒng)配套
萬方數(shù)據(jù)
黃俊等：深層沖擊成孔振動(dòng)環(huán)境影響分析2l
N
①
深部測(cè)點(diǎn)
鉆孔位置
花
嘲
盈
圖3深鄙測(cè)點(diǎn)平面布I
Fig．3 Layout of monitoring points in deep layer
4測(cè)試結(jié)果分析
4．1 地表振動(dòng)衰減規(guī)律
地表測(cè)點(diǎn)距振源較近時(shí)，場(chǎng)地的振動(dòng)加速度較
大，隨著距離的增加。振動(dòng)速度相應(yīng)減小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)
距測(cè)線起點(diǎn)16m時(shí)，垂直方向加速度衰減35％，南
北方向加速度衰減40％，東西方向加速度衰減
30％；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距振源32m時(shí)，垂直方向加速度衰減
75％，南北方向加速度衰減90％，東西方向加速度
衰減74％，建筑物附近各方向振動(dòng)加速度均<
0．Im／s2。
深層測(cè)點(diǎn)l號(hào)孔在打樁(3臺(tái))過程中，垂直方
向加速度峰值為0．033—0．147m／s2；2號(hào)鉆孔在打
榧(2臺(tái))過程中，垂直方向加速度峰值為0．041～
0．157m／s2；3號(hào)鉆孔在打樁過程中，垂直方向加速
度峰值為0．098～0．176m／s2(見圖4)。由加速度時(shí)
程曲線可以看出，峰值加速度隨著深度的增加呈現(xiàn)
先減小后增大的趨勢(shì)。在地表和近地表處，峰值加
速度從1號(hào)鉆孔到3號(hào)鉆孔總體在衰減減小。由于
3號(hào)鉆孔測(cè)試時(shí)是4臺(tái)鉆機(jī)在同時(shí)工作，故在深部
測(cè)取的加速度峰值較大。
0 5 10 15 20 25 30 35
埋深／m
圖4深層測(cè)點(diǎn)加速度峰值變化曲線
Fig．4 Peak acceleration curves of
monitori points in deep layer
4．2建筑共振測(cè)試分析
一般來說，當(dāng)建筑物的自振頻率與振動(dòng)頻率接
近或一致時(shí)，結(jié)構(gòu)物會(huì)有共振現(xiàn)象發(fā)生，從而導(dǎo)致
結(jié)構(gòu)物在這個(gè)模態(tài)下的響應(yīng)值增大，而其中對(duì)其影
響最大的就是豎向低頻振動(dòng)。地表測(cè)得振源處的
垂直方向振動(dòng)頻譜如圖5所示，可以看出打樁引起
振動(dòng)的卓越頻率為23．68Hz。場(chǎng)地北側(cè)金花苑賓館
(3—4層的多層建筑)2層一階自振頻率為2．93Hz
(見圖6)。就沖擊施工強(qiáng)迫振動(dòng)頻率來說，與金花
苑賓館的低階頻率相差較大，所以該建筑物不會(huì)發(fā)
生低階共振現(xiàn)象。
8
f 0
；8
喜8
堅(jiān)0
8
圖5垂直方向頻域曲線
Fig．5 Frequency domain curve in vertical direction
f
嬸
￡≮
趔
馨
圖6 2層樓板頻域曲線
Fig．6 Frequency domain curve on the 2nd floor
對(duì)于另外一座10層建筑，由于缺少振動(dòng)測(cè)試條
件，采用了經(jīng)驗(yàn)法估算建筑物的自振周期。對(duì)于鋼
筋混凝土結(jié)構(gòu)：T，=(0．05—0．10)，l，其中凡為建筑
層數(shù)。對(duì)于鄰近建筑物，n=10層，取上限，則其第1
階振型的自振頻率為1 Hz。另外，根據(jù)3號(hào)孔地下
5m的頻譜分析，主要頻率表集中在15～25Hz，遠(yuǎn)大
于結(jié)構(gòu)的自振頻率。因此，可以確定，鄰近建筑物
不會(huì)因受迫振動(dòng)產(chǎn)生低階共振。
4．3地層振陷估算
參考靜荷載作用下求最終沉降量的思路，按土
層性質(zhì)分成若干層，求出在振陷影響深度范圍內(nèi)各
土層的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)和相應(yīng)振次的等效動(dòng)應(yīng)力口。，
即可求出各土層的平均應(yīng)變值占。，再乘以各土層的
厚度hj，即為該土層的振陷量S¨其總和即為建筑
地基的總振陷量S。，如下式所示：
tZ
Sd=y釓·hi (1)
萬方數(shù)據(jù)
22 施工技術(shù)第41卷
通過現(xiàn)場(chǎng)取土樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，求取土體動(dòng)
應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，大量研究認(rèn)為沖擊振動(dòng)能量的
90％耗散轉(zhuǎn)化為土的勢(shì)能，引起土體顆粒的移動(dòng)，故
取地層加速度平均值的90％作為引起地基振陷的
最大加速度，得到各土層振陷值及地層沉降總和，
如表3所示。
沖擊鉆孔施工完畢后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表最大沉
降為4．0ram，地層沉降趨于穩(wěn)定，沉降值和加速度
值均在預(yù)警值以內(nèi)，控制效果良好，管線傾斜率<
0．2％，建筑物差異沉降符合規(guī)范要求。
5 結(jié)語
1)從地表的測(cè)試結(jié)果及分析看，在地表引起的
振動(dòng)是多種頻率成分疊加而成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，沖擊引
起的地面振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，東西和南北水平方
向的加速度峰值遠(yuǎn)小于豎向加速度。
2)垂直振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物引起的共振多為低頻共
振，而低頻共振是危害較大的共振狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
結(jié)果表明，沖擊施工強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與周邊建筑物低
階頻率相差較大，低階共振效應(yīng)不明顯。
3)通過振陷估算及沉降監(jiān)測(cè)，建筑物差異沉降
未達(dá)規(guī)范限值。由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土受擾動(dòng)后土
體性質(zhì)的變化和土層沉降的滯后性，后期基坑開挖
應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域監(jiān)測(cè)。
參考文獻(xiàn)：
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(上接第5頁)
時(shí)，目前多采用地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)埋鋼筋接駁器，土
方開挖后與疊合墻及主體梁等鋼筋接駁的方法。
采用“臨時(shí)圍護(hù)墻、主體結(jié)構(gòu)逆作”施工時(shí)，一般在
圍護(hù)墻與水平樓板之間設(shè)置型鋼、混凝土板(支撐)
等形成傳力體系，以保證圍護(hù)墻上水平力的傳遞。
對(duì)于鋼立柱與梁的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)部分梁的鋼筋難以
穿越鋼立柱時(shí)(如格構(gòu)式鋼立柱)，目前多用水平加
腋的方法；當(dāng)梁的鋼筋難以穿越鋼立柱時(shí)(如鋼管
混凝土立柱)，則采用與型鋼混凝土結(jié)構(gòu)類似的節(jié)
點(diǎn)處理方法，如設(shè)置抗剪栓釘，采用鋼牛腿或鋼筋
環(huán)梁。
4 結(jié)語
中國(guó)工程院院士葉可明在談及我國(guó)建筑業(yè)發(fā)
展時(shí)說：“我國(guó)建筑施工技術(shù)方面已處于世界先進(jìn)
水平，個(gè)別為世界領(lǐng)先”¨1，可以說目前我國(guó)基坑工
程技術(shù)正是屬于達(dá)到世界領(lǐng)先水平的領(lǐng)域。二十
多年來基坑工程的飛速發(fā)展和豐碩成果，是我國(guó)工
程技術(shù)人員長(zhǎng)期不懈努力的結(jié)果。但也不應(yīng)回避
并應(yīng)清醒地看到我國(guó)基坑工程事故頻發(fā)的狀況，由
于缺乏對(duì)基坑工程復(fù)雜性、綜合性和不可預(yù)見性的
認(rèn)識(shí)，不少工程為追求經(jīng)濟(jì)效益而不顧工程和環(huán)境
安全，存在設(shè)計(jì)盲目、施工粗放、管理松懈、監(jiān)測(cè)不
力等情況，這也值得工程界認(rèn)真考慮、吸取教訓(xùn)并
予以克服。
隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，可以預(yù)期基坑工程
將向大面積、超深度方向發(fā)展，它將促進(jìn)各學(xué)科進(jìn)
一步結(jié)合，加強(qiáng)基坑設(shè)計(jì)空間分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工
的信息化。基坑工程必須做到精心設(shè)計(jì)、精心施
工，以確保工程安全，并在施工技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，
做好環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色施工。
參考文獻(xiàn)：
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萬方數(shù)據(jù)

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