橋梁樁基沖擊鉆機沖擊效應分析

寧遠思

(成都鐵路局貴陽樞紐建設指揮部，貴州 貴陽 550003)

橋梁樁基沖擊鉆機沖擊效應分析

寧遠思

(成都鐵路局貴陽樞紐建設指揮部，貴州 貴陽 550003)

沖擊式鉆機是灌注樁基礎施工的一種重要鉆孔機械，它能適應各種不同地質情況。本文以老王沖大橋為工程背景，采用ANSYS LS-DYNA對老王沖大橋樁基沖擊鉆機沖擊效應進行了仿真分析，計算得到了該橋附近天然氣管道周圍質點的位移、速度及加速度變化規律，評價了老王沖大橋樁基沖擊鉆施工中的沖擊波對臨近天然氣管道的影響，為樁基沖擊鉆機施工提供了分析數據，并為附近天然氣管道的安全使用提出了相應措施。

沖擊式鉆機；樁基礎；沖擊效應；沖擊波，天然氣管道

隨著城市人口的迅速增加和城鎮化建設的快速發展，越來越多的生命線工程包括天然氣和石油管線、供水和污水管線、煤氣和石油存儲設備涵管、電力和通訊線路等工程被埋于地下,這些地下管線作為城市的生命線,對城市的正常運行起著至關重要的作用[1]。

城市的快速發展，導致新建的橋梁、道路難以避免從地下管線附近經過或跨越。雖然施工荷載沒有直接作用在這些地下管線上，但它對周圍環境包括地下管線的影響不能忽視[2-4]，國內外曾報道過多起因施工破壞地下管線的嚴重事故，教訓深刻[5]。

在橋梁施工過程中，沖擊式鉆機是樁基礎施工的一種常用機械設備，它操作工序簡單、效率高、適應性強。但由于采用沖擊鉆施工，沖擊鉆頭重量大、提升高度較高，沖擊鉆頭從最高點自由下落時，在很短的時間內與孔底地基土撞擊，產生強烈的沖擊波。該沖擊波向樁孔周圍地基土傳遞，對樁基施工場地周圍的建筑物或構筑物形成較大動力影響[6-8]。關于沖擊鉆孔對周邊環境的影響，國內還沒有十分明確的規范，研究中大多參考《爆破安全規程》(GB 6722—2014)[9]和《機械工業環境保護設計規范》(JBJ 16—2000)[10]以及其他相關規程，主要依據為建筑物的最大振動速度。實際施工中，地表土因振動產生的升降也是導致建筑物破壞的影響因素。

本文以老王沖大橋為工程背景，采用ANSYS LS-DYNA對老王沖大橋樁基沖擊鉆機沖擊效應進行了仿真分析，計算得到該橋附近天然氣管道周圍質點的位移、速度及加速度變化規律，評價老王沖大橋樁基沖擊鉆施工中的沖擊波對臨近天然氣管道的影響，為天然氣管道的使用安全提出了相應措施。

1 工程背景

長沙至昆明鐵路客運專線，簡稱長昆客專，是滬昆客專的西段，位于湖南、貴州和云南境內，是我國“四縱四橫”客運專線網的重要組成部分，區段列車最高時速250km/h，基礎設施預留提速條件，正線全長1158.09km。

老王沖大橋位于貴州省貴陽市城郊，橋梁全長168.08m。老王沖大橋第2孔跨越中貴天然氣、貴陽西環網天然氣兩條并行管道。

本橋2號墩為群樁基礎，樁徑1.5m，樁長22m，臨近的天然氣管道直徑1.016m，埋深3～5m。由于本橋樁基采用沖擊鉆施工，沖擊鉆頭重量大、提升高度較高，沖擊鉆頭從最高點自由下落時，在很短的時間內與孔底地基土撞擊，產生強烈的沖擊波。該沖擊波向樁孔周圍地基土傳遞，對樁基施工場地周圍的建筑物或構筑物形成動力影響。目前國內對樁基沖擊鉆沖擊效應的研究還并不多，為了考察長昆客專老王沖大橋樁基沖擊鉆施工中的沖擊波對臨近天然氣管道使用安全的影響，和中南大學一起采用ANSYS LS-DYNA對沖擊過程進行了仿真分析。

2 地質條件及巖土物理特性

樁位處，各土層物理力學參數見表1。由于填筑土層、全風化巖層較為松散，撞擊過程能量損失大、沖擊波衰減速度快，本文分析沖擊鉆頭行進至弱風化巖面的情況。

表1 土層物理力學參數

3 有限元模型

采用一個大圓柱體模擬地基土半空間無限體，該圓柱體的直徑為100倍樁徑，深度為2倍樁長，用一個小圓柱體模擬沖擊鉆頭。在ANSYS LS-DYNA(ANSYS版本為14.5，WIN64)中，采用Solid164單元沖擊鉆頭和地基土，采用Shell163單元模擬管道壁。沖擊鉆頭自由落距2.0m，在沖擊鉆頭底面和樁孔底面之間建立接觸關系，靜摩擦系數取0.3，動摩擦系數取0.2。

根據沖擊鉆頭的提升高度及其自由下落到達孔底的時間，結合樁基施工時沖擊鉆的工作頻率，計算3.5s時間內的動力效應。自由下落時，沖擊鉆頭施加豎向加速度荷載，撞擊完成后，沖擊波在地基內傳遞，考慮500個荷載子步，從而觀察沖擊波的傳遞過程。有限元模型如圖1所示。

圖1 1/2有限元模型

4 計算結果及分析

4.1 位移分析

典型的豎向位移分布曲線如圖2至圖5所示，撞擊發生瞬間(即自由下落開始后第0.642366s)及撞擊發生后的典型豎向位移云圖如圖6至圖9所示。圖中豎向位移以向上為正，向下為負。

圖2 樁底豎向位移沿深度分布曲線

圖3 樁周豎向位移沿深度分布曲線

在自由下落階段，各個測點的豎向位移為零；撞擊發生的瞬間，測點豎向位移達到最大值0.02mm；撞擊完成后，測點豎向位移呈現波動，幅值逐漸減小。但由于鉆頭回彈后又重新落下以及沖擊波在各個土層分界面和邊界面中的反射，導致豎向位移出現多次峰值。

圖4 樁周10m豎向位移沿深度分布曲線

圖5 樁底豎向位移沿徑向分布曲線

圖6 撞擊發生時豎向位移云圖(t=0.642366s)

圖7 撞擊發生后的豎向位移云圖(t=0.649421s)

樁底豎向位移峰值在撞擊面最大，沿深度增加而逐漸減??；樁周土節點豎向位移峰值在撞擊面以下最大，并沿深度增加而逐漸減小，在撞擊面以上的填筑土及全風化花崗巖層中幾乎為零；距離樁軸線10m處的豎向位移峰值呈現出與樁周土節點一致的規律；撞擊面處豎向位移峰值沿徑向衰減較快，當徑向距離大于10m時，基本接近于零。

圖8 撞擊發生后的豎向位移云圖(t=0.656481s)

圖9 撞擊發生后的豎向位移云圖(t=0.663538s)

4.2 速度分析

典型的速度分布曲線如圖10至圖13所示，撞擊發生瞬間(即自由下落開始后第0.642366s)及撞擊發生后的典型速度云圖如圖14至圖17所示。

樁底速度峰值在撞擊面以下一定位置最大，沿深度增加而逐漸減??；樁周土節點速度峰值在撞擊面以下最大，并沿深度增加而逐漸減小，在撞擊面以上的填筑土及全風化花崗巖層中幾乎為零；距離樁軸線10m處的速度峰值呈現出與樁周土節點一致的規律；撞擊面處速度峰值沿徑向衰減較快，但比豎向位移峰值衰減速度較慢，在距離樁軸線10m處的地基土節點速度峰值約1cm/s，當徑向距離大于40m時，基本接近于零。

圖10 樁底速度沿深度分布曲線 圖11 樁周速度沿深度分布曲線

圖12 樁周10m速度沿深度分布曲線 圖13 樁底速度沿徑向分布曲線

圖14 撞擊發生時速度分布云圖(t=0.642366s) 圖15 撞擊發生后的速度分布云圖(t=0.649421s)

圖16 撞擊發生后的速度分布云圖(t=0.656481s) 圖17 撞擊發生后的速度分布云圖(t=0.663538s)

4.3 加速度分析

典型的加速度分布曲線如圖18至圖21所示，撞擊發生瞬間(即自由下落開始后第0.642366s)及撞擊發生后的典型加速度云圖如圖22至圖25所示。

樁底加速度峰值在撞擊面以下一定位置最大，沿深度增加而逐漸減??；樁周土節點加速度峰值在撞擊面以下最大，并沿深度增加而逐漸減小，在撞擊面以上的填筑土及全風化巖層中幾乎為零；距離樁軸線10m處的加速度峰值呈現出與樁周土節點一致的規律；撞擊面處加速度峰值沿徑向衰減較快，在距離樁軸線10m處的地基土節點加速度峰值約25m/s2，當徑向距離大于40m時，基本接近于零。

圖18 樁底加速度沿深度分布曲線 圖19 樁周加速度沿深度分布曲線

圖20 樁周10m加速度沿深度分布曲線 圖21 樁底加速度沿徑向分布曲線

圖22 撞擊發生時加速度分布云圖(t=0.642366s) 圖23 撞擊發生后的加速度分布云圖(t=0.649421s)

圖24 撞擊發生后的加速度分布云圖(t=0.656481s) 圖25 撞擊發生后的加速度分布云圖(t=0.663538s)

5 結論

根據計算結果可知，距離樁軸線10m處節點的最大瞬時豎向位移約為0.02mm，方向向下。距離樁軸線10m處節點的最大瞬時速度約為1.54cm/s，小于5cm/s的安全限值。距離樁軸線10m處節點的最大瞬時加速度約為24.74m/s2，超過2倍重力加速度。

目前國際上一般采用質點振動速度峰值作為沖擊鉆孔對臨近埋地天然氣管道影響的安全判據，天然氣管道附近質點最大瞬時速度滿足5cm/s的限值要求，但由于其瞬時加速度很大，建議開挖減振溝，以降低振動對天然氣管道的影響。

[1] 侯忠良.地下管線抗震[M]. 北京：學術書刊出版社,1990.

[2] 杜小娟. 沖擊鉆孔施工對埋地天然氣管道的影響研究[D]. 西南科技大學, 2011.

[3] 佘艷華. 蘇華友.橋梁樁基施工振動對鄰近埋地管道影響試驗研究[J]. 重慶交通大學學報:自然科學版, 2014,33(2):35-39.

[4] 宋春生，李鵬飛，蒲傳金. 沖擊鉆孔振動對埋地管道的安全判據探討[J].天然氣技術與經濟, 2011, 05(1):40-42.

[5] 姜小蘭. 跨越天然氣管線橋梁樁基沖擊鉆孔施工數值分析[J].大科技·科技天地, 2010(10).

[6] 姜峰,方佳,陳子毅,王宇,張波. 沖地周邊建筑物擊鉆孔對場的影響[J]. 工業建筑,2012,03:88-92.

[7] 彭建江. 沖擊鉆機在分離式立交橋樁基施工中的應用[J]. 黑龍江交通科技,2010,02:104-105.

[8] 李鍇. 旋挖鉆機在大連地區樁基施工中的應用研究[D].沈陽建筑大學,2013.

[9] 爆破安全規程(GB6722-2014)[S].北京：中國標準出版社,2015

[10] 機械工業環境保護設計規范JBJ 16—2000[S]．北京：機械工業出版社，2001.

(責任編輯：王先桃)

Impact Effect Analysis of Bridge Pile Foundation Drill

NING Yuansi

(Guiyang Hub Construction Headquarters of Chengdu Railway Bureau， Guiyang 550003, China)

Impact drill which can adapt to different geological conditions is an important drilling machine of pile foundation construction. Taking the Laowangchong Bridge as an engineering background, shock effect simulation analysis for pile impact drills was completed by using ANSYS LS-DYNA. Variation characteristics of displacement, velocity and acceleration of the particles near the gas pipeline for the bridge were obtained. The effect on the shock wave from the impact of pile drilling construction of the Laowangchong Bridge near the gas pipeline was evaluated. It provides analytical data for the construction of a percussive drill pile, and the reasonable measure to the safety of nearby gas pipeline was proposed.

impact drills; pile foundation; impact effect; shock wave; gas pipeline

1000-5269(2016)06-0130-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.28

2016-07-09

貴州省科學技術基金項目(黔科合J字[2015]2037號)

寧遠思(1971-10),男, 高級工程師, 從事鐵路建設管理工作。Emial:ningyuansi@126.com.

*通訊作者： 寧遠思，Email：ningyuansi@126.com.

U443.15

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