佘艷華，蘇華友

(1.長江大學(xué) 土木工程系，湖北 荊州 434023；2.西南科技大學(xué) 交通工程系，四川 綿陽 621010)

0 引 言

隨著我國公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的大量修建，不可避免地出現(xiàn)與既有埋地輸油(氣)管道并行或交叉的情況，一般采用橋梁方式跨越。目前，橋梁樁基常見的施工方式為沖擊鉆孔施工，其具有連續(xù)施工特征，產(chǎn)生較大振動(dòng)沖擊荷載，必然對埋地管道周圍的巖土層產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，對埋地管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。而油氣管道一旦發(fā)生爆管、破裂或滲漏，造成的后果嚴(yán)重。因此，對橋梁樁基工程沖擊鉆孔施工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對埋地管道的影響，必須進(jìn)行有效的安全監(jiān)測與控制。

而施工沖擊振動(dòng)荷載對管道與土耦合體的影響與作用非常復(fù)雜，無論是在理論分析方面還是在數(shù)值計(jì)算上局限性都相當(dāng)大。因此，筆者通過場地進(jìn)行的微地震試驗(yàn)，采用微地震信號采集系統(tǒng)[1]，對樁基施工產(chǎn)生的振動(dòng)波傳播信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分組記錄，分析其頻譜特性，揭示振動(dòng)波在巖土體介質(zhì)中的傳播規(guī)律及其影響范圍，從而對施工振動(dòng)對埋地管道的影響進(jìn)行相應(yīng)評估。通過本次研究，為樁基施工振動(dòng)控制分析提供現(xiàn)場試驗(yàn)方法，也為微地震監(jiān)測技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用作進(jìn)一步探索。

1 微地震監(jiān)測研究

1.1 微地震研究概況

沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)會使得巖土體介質(zhì)產(chǎn)生一定形變，進(jìn)而在地層的內(nèi)部形成了彈性波，而一系列彈性波在介質(zhì)中傳播便形成了所謂的地震波。此施工沖擊振動(dòng)頻率比較低，其信號頻帶小于1 kHz，因振動(dòng)信號在地層的傳播過程中高頻分量均被衰減了，所以一般稱之為微地震[2]。微地震事件即由震源點(diǎn)產(chǎn)生的微地震信號，接收到的一次微地震信號就為一個(gè)微地震事件，其頻率一般為0～50 Hz，振動(dòng)能量一般為102～1010J。微地震波的相位變化、幅值和走時(shí)均反映了巖土層材料的內(nèi)部信息與破裂狀況。微地震監(jiān)測技術(shù)是一種地球物理技術(shù)，基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)，是依據(jù)觀測及其分析工程實(shí)踐的過程中所產(chǎn)生的微地震事件，以此來監(jiān)測工程實(shí)踐活動(dòng)所造成的地下狀態(tài)、影響及效果。目前，國內(nèi)外研究者已在眾多領(lǐng)域?qū)ξ⒌卣鸺夹g(shù)作了不同程度的探索及應(yīng)用，如油氣開采[3]、采礦工程[4-6]、地下工程[7]、巖土工程[8]等，均取得了豐富的研究成果，但是在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域中還存在著諸多待進(jìn)一步解決的問題。

為分析鄰近埋地管道施工產(chǎn)生的振動(dòng)對管道的影響，筆者開展了現(xiàn)場微地震監(jiān)測試驗(yàn)研究，場地位于張(家口)石(家莊)高速公路淶源—淶水段拒馬河第八號大橋的施工段。場區(qū)橋址穩(wěn)定性較好，無不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖土體承載力高。該橋在第4、5孔之間跨越陜京天然氣管道，其與管道的最近距離為6.3 m。橋梁樁基淺部、中部、深部地質(zhì)分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂卵石層、花崗巖層，據(jù)此，橋梁樁基施工方式以沖擊鉆孔為主。本次試驗(yàn)現(xiàn)場的具體狀況如圖1。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場狀況Fig.1 The testing field

1.2 試驗(yàn)布置

埋地管道與沖擊樁孔中心的距離為8.12 m，管道的埋深為1 m。以管道軸向?yàn)閤軸，徑向?yàn)閥軸布置測點(diǎn)。3個(gè)測點(diǎn)在x軸方向進(jìn)行布置，4個(gè)測點(diǎn)在y軸方向進(jìn)行布置，其中3 #和5 #測點(diǎn)在管道上進(jìn)行布置，其余測點(diǎn)在地表布置，測點(diǎn)1，4，6，7分析整棟隨距離的衰減規(guī)律，測點(diǎn)3，4分析管道上與地表振速關(guān)系，測點(diǎn)1，2，3，4，5分析沖擊振動(dòng)能量和振源性質(zhì)。測點(diǎn)坐標(biāo)如表1，三分量傳感器的布置圖如圖2，微地震現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測情況見圖3。

表1測點(diǎn)布置坐標(biāo)

Table1Coordinateofeachmeasuringpoint

圖2 三分量傳感器的布置Fig.2 Arrangement of three component sensor

圖3 微地震系統(tǒng)監(jiān)測Fig.3 Micro-seismic monitoring system

1.3 信號采集

實(shí)時(shí)采集重m=5 t、底面半徑R=0.9 m的沖錘從地表沖擊開始直至沖孔深度達(dá)到h=10 m時(shí)的一系列微地震信號數(shù)據(jù)(微地震事件)。當(dāng)h=1.3 m，震源在這個(gè)時(shí)候基本上跟管道是處于一個(gè)水平平面，其震源的坐標(biāo)是(0,8.12,1.30)，此時(shí)分別采集沖程s為0.5～2.5 m時(shí)的微地震事件。

從試驗(yàn)現(xiàn)場直接測定，并按照一定規(guī)則挑選出的1#、3#、4#、6#測點(diǎn)的典型微地震數(shù)據(jù)如圖4 和圖5。圖中e、n、v的振動(dòng)速度信號為三分量的傳感器依次在水平切向、水平徑向以及豎直方向上測得。

圖4 各沖程微地震事件典型振動(dòng)速度波形Fig.4 Typical vibration velocity waveforms of micro-seismic events of each stroke

圖5 各震源位置的微地震事件典型振動(dòng)速度波形Fig.5 Typical vibration velocity waveforms of microseismic events for each vibration sourcee

從圖4和圖5中可以看出，在e，n，v三個(gè)方向量測的微地震事件振動(dòng)波形有較明顯的差異，但是都顯示出面波是比較發(fā)育的。通過進(jìn)一步的分析可知，當(dāng)沖程在0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m時(shí)，兩次相鄰的沖擊間隔時(shí)間依次為3.3，4.0，5.5，6.6，7.5 s。統(tǒng)計(jì)分析顯示，所有測點(diǎn)的振動(dòng)波形，它們最大的持續(xù)時(shí)間在190～1 010 ms范圍內(nèi)。其中，沖擊振源位于地表時(shí)，其振動(dòng)最大持續(xù)時(shí)間為350～1 010 ms；當(dāng)在地表下4 m處沖擊時(shí)，其振動(dòng)最大持續(xù)時(shí)間為230～960 ms；當(dāng)在地表下10 m沖擊時(shí)，其振動(dòng)最大持續(xù)時(shí)間為200～550 ms。由此可知，振源深度愈增加，引起振動(dòng)的最大持續(xù)時(shí)間越短。

2 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理及分析

2.1 振動(dòng)的特性與對鄰近埋管的影響

將典型的微地震信號在頻域上進(jìn)行相關(guān)分析，由此得出在頻域上的功率譜特征和在時(shí)間域上的頻率特征，見圖6、圖7。從圖中可以得到，振動(dòng)波能量集中于低頻率范圍內(nèi)，為10～50 Hz，且信噪比比較高，而振動(dòng)波信號在其它頻段內(nèi)的能量很小。

圖6 微地震信號功率譜分析Fig.6 Power spectrum analysis of micro-seismic signal

圖7 微地震信號時(shí)頻分析Fig.7 Time-frequency analysis of micro-seismic signal

不計(jì)管道的影響時(shí)，一般地，地表振動(dòng)衰減的規(guī)律表現(xiàn)為[9]：能量主要集中于豎向振動(dòng)方向，并且在3個(gè)方向上的振動(dòng)能量均隨著傳播距離的增加而呈乘冪關(guān)系特點(diǎn)進(jìn)行衰減，其初期的衰減速度是非?？斓?，但是當(dāng)達(dá)到一定距離后振動(dòng)衰減的幅值有所下降。同時(shí)，相比其他兩個(gè)方向，水平徑向的能量衰減指數(shù)明顯要高，如圖8。

圖8 隨傳播距離增加的振動(dòng)波衰減特性Fig.8 Characteristics of vibration wave attenuation with the distance increase

當(dāng)H=1.3 m、s=0.5～2.5 m時(shí)，管道上試驗(yàn)測點(diǎn)3和地表測點(diǎn)1、4、6的峰值振速表現(xiàn)為圖9中的變化曲線。由圖9可見，振動(dòng)速度在埋地管道前后測點(diǎn)上呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。由此得出，埋地管道的存在，使振動(dòng)能量的幅值有一定程度的放大。

圖9 隨距離增加的峰值振速變化曲線性Fig.9 Peak velocity curve with the increasing distancee

對各沖擊震源位置進(jìn)行考慮，埋地管道上方地表測點(diǎn)與管道上布置的測點(diǎn)，它們在3個(gè)方向上的振動(dòng)速度見表2。

表2測點(diǎn)在不同振源位置時(shí)的峰值振速

Table2MeasurethepeakvibrationvelocityoftestingpointsinDifferentsourcepositions

/(cm·s-1)

根據(jù)表2得出，管道上的測點(diǎn)，當(dāng)震源位于地表時(shí)其豎向的振動(dòng)速度最大，而當(dāng)震源位于地表以下時(shí)，振動(dòng)速度最大的為水平徑向方向；但是管道上方的地表測點(diǎn)振動(dòng)速度卻不受沖擊震源位置的影響，最大值始終位于豎向方向。另外，對于地表沖擊，管道上的測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度小于地表。而對于地表下沖擊，管道上的測點(diǎn)峰值振速大于地表，且沖擊在與管道同一水平面時(shí)，管道上的測點(diǎn)振速最大。測點(diǎn)峰值振速隨震源深度的變化曲線見圖10。

圖10 隨振源深度增加的峰值振動(dòng)速度變化曲線Fig.10 The peak vibration velocity curve with the source depth increasinge

一般情況下，橋梁樁基的樁孔是由人工掘進(jìn)0.5～1.0 m后才開始沖擊施工的，故根據(jù)上面的分析，在常規(guī)振動(dòng)監(jiān)測中，針對鄰近埋地管道樁基施工的，以監(jiān)測管道上方地表的豎向振動(dòng)速度為主。文獻(xiàn)[10]以地震烈度為5度的峰值速度作為基準(zhǔn)，并參照《樁基工程手冊》及瑞士標(biāo)準(zhǔn)SN 640312—1992中的相關(guān)規(guī)定，得出了沖擊鉆孔施工振動(dòng)對埋地天然氣管線影響的安全判據(jù)。由此可知，只要控制地表峰值振速在安全范圍，即可保證管道的安全。此外，在施工樁孔與管道距離較近的情況下，可采取人工掘進(jìn)樁孔至深度位于管道水平面以下后再沖擊施工，以有效減小管道的振動(dòng)速度繼而保證埋地管道的運(yùn)營安全。

2.2 沖擊破裂區(qū)范圍的確定

檢波器接受沖擊震源產(chǎn)生的聲波信號見圖11，根據(jù)微地震的定位原理及其定位的方法，在得出微地震事件震源位置的情況下，便可將沖擊破裂區(qū)的范圍進(jìn)行確定。倘若管道位于沖擊破裂區(qū)的范圍之外，則可判斷出埋地管道不會遭致破壞。這樣結(jié)合前面的工況分析，就可進(jìn)一步對埋地管道的安全狀況進(jìn)行評估，以此來指導(dǎo)現(xiàn)場的樁基施工。

圖11 微地震信號產(chǎn)生Fig.11 The generation of microseismic signal

選取與管道在同一平面的震源，即坐標(biāo)為(0,8.12,1.30)，當(dāng)沖程s為1.50 m時(shí)，對測點(diǎn)1#、2#、3#、5#的微地震事件作震源定位分析。圖12為某一微地震事件P波到時(shí)的拾取，圖13為其定位的結(jié)果，得出的震源位置為(0,8,1.50)。該結(jié)果與實(shí)際比較符合。

圖12 P波到時(shí)拾取Fig.12 Picking out arriving time of P-wave

圖13 微地震事件的定位分析Fig.13 Location of micro-seismic events location

對在同一試驗(yàn)條件下所采集的有效微地震事件作定位分析，得到了一個(gè)由振動(dòng)引起巖土體破裂的區(qū)域，區(qū)域的半徑為沖錘半徑的3倍左右，如圖14。據(jù)此研究結(jié)論得出，倘若埋地管道位于3倍沖錘半徑(3R)以外的范圍，即可保證沖擊施工過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)不會對管基的巖土層造成破壞，繼而避免威脅到管道的安全。因此，應(yīng)對在距離埋地管道3R范圍內(nèi)進(jìn)行的施工嚴(yán)格禁止；而當(dāng)擬建公路和既有管道出現(xiàn)交叉的情況時(shí)，在公路路線設(shè)計(jì)方案的初期公路建設(shè)單位就應(yīng)該將橋梁樁位設(shè)計(jì)在與埋地管道的距離大于3R處，防止管基巖土體遭到施工沖擊振動(dòng)的破壞。

圖14 施工振動(dòng)破裂的區(qū)域(單位：m)

3 結(jié) 論

1)位于埋管前后的測點(diǎn)，其振速呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，即振動(dòng)能量的幅值因埋管的存在有一定程度放大。

2)震源位置對管道上測點(diǎn)和地表測點(diǎn)的振速影響較大，位于地表沖擊和地表下沖擊時(shí)，管道上測點(diǎn)的振動(dòng)速度分別在豎向和水平徑向上最大；但對于地表測點(diǎn)振動(dòng)速度的最大值始終位于豎向方向。另外，沖擊震源位于地表時(shí)，地表測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度大于管道上的測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度；而對于沖擊震源位于地表以下時(shí)，地表測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度小于管道上的測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，且沖擊震源位于與管道同一水平面時(shí)，管道上的測點(diǎn)振速最大。

3)在常規(guī)振動(dòng)監(jiān)測中，針對鄰近埋管樁基施工的，主要監(jiān)測管道上方地表的豎向振動(dòng)速度。當(dāng)施工樁孔與管道距離較近的情況下，可采取人工掘進(jìn)樁孔至深度位于管道水平面以下再沖擊施工，以有效減小管道的振動(dòng)速度繼而保證埋地管道的安全運(yùn)行。

4)對微地震信號作震源的定位分析與研究，得到由施工沖擊振動(dòng)引起巖土體破裂的區(qū)域半徑為沖錘半徑的3倍左右。據(jù)此研究結(jié)論得出，如果埋管位于3倍沖錘半徑(3R)之外的范圍，即可保證沖擊施工過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)不會對管基的巖土層造成破壞，繼而避免威脅到管道的安全。為橋梁樁基施工振動(dòng)的研究提出了新的研究手段。

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