冲击成孔桩施工振动的可接受控制标准探讨

李维树，况华峰，黄 勇

（1.长江科学院重庆岩基研究中心，重庆 400014；2.重庆市涪陵区城市发展投资集团有限公司，重庆涪陵 408000）

冲击成孔桩施工振动的可接受控制标准探讨

李维树1，况华峰2，黄 勇2

（1.长江科学院重庆岩基研究中心，重庆 400014；2.重庆市涪陵区城市发展投资集团有限公司，重庆涪陵 408000）

针对冲击成孔在城市施工引起的振动问题，主要考虑附近人群对振动强度的接受程度因素，在剖析国内外相关规范及标准的基础上，提出了人和建筑物可接受的控制标准。冲击施工过程中，对相邻建筑物进行了多方位的振动监测，同时对附近人群进行了调查记录，验证了标准的合理性，使该工程得以正常施工，达到了预期的效果。

机械冲击成孔桩施工；冲击振动；建筑物；人的反应；质点振动速度；可接受标准

1 概 述

灌注桩的成孔方法有近10种［1］，每种方法都有各自的特点和使用条件。冲击成孔是利用专用的金属锤，通过钢丝绳在大功率电动机的带动下竖向往复运动，利用金属锤的质量和势能对岩土产生冲击挤压形成桩孔。它较适合于软土、全强风化岩层及土石混合回填地基的成孔施工。由于它具有施工方法简单、成孔风险小、成孔深度和直径大（目前成孔深度已达70m，孔径达30m）等特点，在建筑、交通、能源等领域都有很好的应用实例［2－5］，甚至是其它方法难于实施的首选方法。近年来，随着我国基础建设投资的加大，基于施工水平和控制技术的提高和不断完善，冲击成孔法在城市建设、枢纽交通工程中得到了广泛的应用，如长江三峡库区蓄水后，许多沿江大中型城市有深度近100 m的土石回填地基；中东部软土地基上的高架桥、轻轨基础，西部挖山填凹的回填基础等。由于地下水的作用，人工挖孔面临安全隐患，机械钻孔面临塌孔和卡钻，预制打桩面临不均匀的大块石，这些因素就给冲击成孔提供了应用的环境。

该方法的关键是金属锤冲击产生的振动向邻近地基土或者建筑物传播，使地基及建筑物出现较大的各种附加变化，如沉降、开裂等，若控制不当，可能造成邻近建筑物不同程度的损坏，同时振动强度过大会影响周围人群的习惯作息进而影响施工的正常进行。因此，当冲击施工位置与周围建筑物的距离较小且房层的抗震能力较低时，监测冲击振动强度并将其控制在安全允许范围内是一项十分必要的工作。尤其是在强调安全环保和谐共处的今天更加突出了它的重要性。

本文针对机械冲击成孔施工引起的振动，对某相邻建筑物的安全控制标准展开讨论和研究。该建筑物为地面二层和地下一层框架桩基结构，使用性质为商业经营，其中屋顶为观景广场，占地面积约9 000 m2，桩端为弱风化泥岩，在该建筑物边沿修建新的建筑物，它们之间的水平最小距离为5.5 m。由于新建筑物基桩荷载高、桩径大，基桩穿越的地层为Qml4回填土、JZ1－2强风化泥岩和中风化泥岩。其中回填土成分中有大量的碎块石且分布不均匀。由于地下水位较活跃，人工挖孔较为困难，因此选用冲击成孔施工。

冲击成孔施工后不久，周围市民及入住的商家对施工引起的振动有强烈的反映，为此业主要求对该建筑物进行振动监测，并确定一个可以被市民接受的控制标准，以确保工程施工顺利进行。

2 对相关规范的剖析

关于冲击振动对建筑物的安全允许标准问题，目前国内尚无专业的规范，这就给评价和施工控制带来了争议和困难。Bollinger G A将振动与人的感觉联系起来，提出振动强度与人的感觉之间的对应关系［6］；文献［5］针对沉管法桩基施工对环境影响及其防治措施的要求提出了振动速度的极限控制标准；文献［7］提出了各类建筑物所允许的质点振动控制标准。国外如德国和瑞士也提出了振动控制的国家标准［8］。这些标准或文献中，有的是指所有震源引起振动，有的是针对某一震源对控制对象的控制标准。

总体而言，控制振动强度的目的：一是确保建筑物的安全；二是人对振动强度的接受程度。对于不同震源引起控制对象的振动响应强度是复杂的，与震源强度、距离、控制对象的结构及工作状况有关，所以，对于不同的工程具有不同的特点，其控制标准也应有所不同。

在表征振动特征的3要素中，国内外都公认为质点振动速度是控制的主要对象，相关规程规范及相关文献中都以质点振动速度作为控制标准。在环境方面，还考虑人对振动强度的感受方面，因此，本文重点讨论外源引起建筑物上的振动速度控制标准以及人对振动的感觉程度。各标准和手册及参考文献中适合本保护对象的振动速度允许值见表1。

表1 国内外标准或手册振动速度允许值Table1 Allowable values of vibration velocity in domestic and foreign standards and manuals

郑健恺等［9］认为打桩、强夯、爆破所引起的振动是一种瞬时冲击振动，它们只是产生的形式有所不同，其特点是作用时间短，因此建议采用爆破安全规程进行控制。

倪永军［10］认为：到目前为止，各国对强夯振动的评价体系尚不完善，且国内也无专业的规范，国内一般采用《爆破安全规程》来评价强夯引发的地面振动。

桩基工程手册［8］中明确了振动源为机械冲击振动，其作用方式及对地基及建筑物的影响与冲击成孔引起的振动相似。对于住宅、房屋和类似结构，质点振动速度极限标准为0.8 cm／s。

德国标准和瑞士标准强调振动的连续性和频率范围及保护对象的性质，作者认为它们包含了所有只要引起介质振动的震源，具有普遍性。

比较表1中的国内标准、手册以及相关的文献可见，对于类似的保护对象来说，其控制标准差别较大。而国内的《桩基工程手册》推荐的允许值与国外的2个标准较为接近，其允许值比国内常用标准要小，因此本工程的控制标准应该在0.5～1.5 cm／s范围较为合适，其理由如下：

（1）本工程的震源来自桩基施工，属于机械振动，借用《桩基工程手册》进行控制容易被人们所接受；

（2）国外标准并未明确震源的性质，包含了所有的震源，也容易解释；

（3）该工程冲击施工结束后并未造成建筑物的任何损坏现象，而只是人们对振动产生了害怕和恐慌，所以还得考虑周围人们的感受。根据开发商对人们的调查发现，口述结果是“感到很明显”，根据Bollinger G A振动与人的感觉关系，见表2，可见，要让该人群接受，其振动速度不得大于2 cm／s。

表2 人的反应与地面质点速度之间的关系［5］Table2 Peop le’s feelings about different ground particle velocities［5］

基于以上3个原因，本工程冲击成孔施工对建筑物的安全允许控制标准确定为1.5 cm／s。

3 测试结果与分析

3.1 测点布置

对6根桩不定期地进行了抽测，测点布置时考虑了以下几个方面的因素：①不同深度冲击施工对同一测点的影响；②同一冲击震源对建筑物不同部位的影响；③不同桩径施工的影响；④不同施工作业程序的影响；⑤振动方向的影响；⑥调查记录人们的感受。为此，在历时近2个月的施工中共进行23次、69个测点的监测。

3.2 质点振动速度的分布规律

在23次监测结果中，质点最大振动速度分布规律为：1～1.5 cm／s内的仅2次，0.5～0.7 cm／s的共5次，都分布在顶层，其余的质点最大振动速度小于0.5 cm／s。

另外还进行以下几个方面的测试与研究。

（1）垂直向质点的振动速度集中分布在0.5 cm／s以内，其中小于0.2 cm／s的占近70%，小于0.5 cm／s的测点占总测点的近94%，0.5～0.8 cm／s占近5%，1～1.1 cm／s仅占1%；水平切向和水平径向质点振动速度都分布在0.2 cm／s以内。不同方向实测典型波形见图1。

（2）对同一震源在不同楼层测试结果说明，随着楼层的增加，相同震源引起的冲击振动速度越大。如某钻孔在深度为3.2 m冲击时，第2层质点振动速度是第1层的1.67倍，第3层质点振动速度是第1层的4.31倍，是第2层的2.59倍。统计曲线见图2。

图1 同一测点不同方向波形比较Fig.1 Com parison of waveform s in different directions at the same point

图2 某桩振动速度与楼层高度的关系Fig.2 Curves of the vibration velocity versus building height in punched pile

（3）对某根桩在不同深度冲击时引起不同楼层同一测点振动速度进行了测试，测试结果见图3。可见随着冲击深度的增加，质点最大振动速度减小。以某孔为例，冲击深度由7 m至21 m时，第1层质点振动速度从0.28 cm／s衰减至0.04 cm／s，第2层质点振动速度从0.48 cm／s衰减至0.08 cm／s，顶层质点振动速度从0.60 cm／s衰减至0.07 cm／s。可见在14 m范围内，质点振动速度衰减了6～8倍。

图3 质点振动速度与冲击深度之间的关系Fig.3 Curves of the particle vibration velocity versus impact depth

（4）对某桩在同一深度冲击时，在不同楼层沿水平距离布置测点，研究冲击振动在不同楼层的衰减规律，典型曲线见图4。可见，各楼层不同距离的振动速度随着水平径向距离的增大而呈对数规律衰减。虽然各楼层的衰减规律不同，但当水平径向距离大于30 m后质点振动速度小于0.1 cm／s。

（5）对相邻2根桩同时冲击时对某测点的影响进行了3次对比测试。2桩距离约20 m，施工深度错开了19 m。结果说明两桩同时冲击的最短时间为209 ms，在最短时间间隔内的最大质点振动速度小于0.5 cm／s。

3.3 冲击主频及持续时间

统计结果说明主振频率在13.12～50.5 Hz范围。所有测点的最大持续时间范围为130～1 018 ms，其中第1层最大持续时间范围为130～605 ms，第2层最大持续时间范围为182～965ms，顶层最大持续时间范围为211～1 018 ms。可见，随着楼层的增加，相同震源引起振动的最大持续时间延长。由于最大持续时间小于2 s，因此冲击振动引起建筑物的响应形式是瞬态的。

3.4 人对冲击振动的感觉调查结果

在每次测试后10～30 min内对附近的人进行询问并记录，共获得52次记录。20次（38.5%）为“没感觉”，17次（32.6%）为“有感觉”，11次（21.2%）为“感觉明显但可以接受”，4次（7.7%）为“不能接受、受不了、会出问题的”。对应后者4次的测试数据，其振动速度在0.1～0.37 cm／s范围，表明有7.7%的人群对此事件反感或者具有恶意。

对照表2可见，94%的质点振动速度在0.5 cm／s内，即人对该振动的反应绝大多数为“可感”，有5%的振动使人“感到显著”，仅1%的振动使人“反感”。

图4 质点振动速度沿水平距离衰减曲线Fig.4 Curves of particle vibration velocity attenuation along horizontal distance

4 结 论

（1）本工程测量所得的质点振动速度小于1.1 cm／s，实测值远小于爆破安全规程的控制标准，99%的数据在《桩基工程手册》推荐值内，所有数据在本文涉及的国外标准以内。绝大多数的振动速度使人“可感”和“感觉显著”，仅个别点使人“反感”，表明事先确定的质点振动速度（1.5 cm／s）控制标准是合理的。

（2）根据对本工程的控制标准研究及实际控制结果说明：振动对建筑物的结构安全控制标准容易确定，但在和谐社会的今天，还得考虑人对振动的接受程度，尤其在人群相对集中的城市内，更应该优选考虑人群的接受程度。然而，人的“感觉”难于定量，带有很多不确定性和片面性，给控制带来很多难度。

［1］ 王蕴华.后压降技术在冲击钻机成孔桩中的应用［J］.中国港湾建设，2007，148（2）：68－70.（WANG Yun hua.Post grouting in Construction of Bored Cast in Situ Reinforced Concrete Piles［J］.China Harbor Engineer ing，2007，148（2）：68－70.（in Chinese））

［2］ 朱美花.冲击成孔灌注桩施工问题及分析［J］.太原理工大学学报，1999，30（5）：542－545.（ZHU Mei hua.Construction Problem for Cast in Situ Bored Piles and its Analysis［J］.Journal of Taiyuan University of Technolo gy，1999，30（5）：542－545.（in Chinese））

［3］ 欧 莉，卞 华.冲击作用下桩的竖向振动分析［J］.湖南师范大学自然科学学报，2001，24（2）：52－54.（OU Li，BIAN Hua.Stake Vertical Vibration Analysis Under Impaction Load［J］.Journal of Natural Science of Hunan Normal University，2001，24（2）：52－54.（in Chinese））

［4］ 林建生，吴淑美，王源毅，等.打桩对周围建筑物振动影响的研究与实测分析［J］.地震地磁观测与研究，1999，20（4）：24－29.（LIN Jian sheng，WU Shu mei，WANG Yuan yi，et al.Research of the Vibration Influ ence During Pilling Process on Nearby Buildings and the Examples Analysis［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，1999，20（4）：24－29.（in Chinese））

［5］ 林建生，谢文杰，林子健，等.大直径钻成孔灌注桩在桩基施工中振动影响的测试与分析［J］.世界地震工程，2005，21（4）：169－174.（LIN Jian sheng，XIEWen jie，LIN Zi jian，et al.Measurement and Analysis of the Vibration Effect Induced by Large Diameter Bored Cast in place Pile in Its Piling Process［J］.World Information on Earthquake Engineering，2005，21（4）：169－174.（in Chinese））

［6］ BOLLINGER G A.爆炸振动分析［M］.刘锡荟，熊建国译.北京：科学出版社，1975.（BOLLINGER G A.Ex plosion Vibration Analysis［M］.Translated by LIU Xi hui，XIONG Jian guo.Beijing：Science Press，1975.（in Chinese））

［7］ GB6722—2003，爆破安全规程［S］.北京：中国标准出版社.（GB6722—2003，Blasting Safety Specifications［S］.Beijing：Standard Press of China.（in Chinese））

［8］ 《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995.（Compilation Commis sion of Pile Foundation Engineering Handbook.Pile Foundation Engineering Handbook［M］.Beijing：China Building Industry Press，1995.（in Chinese））

［9］ 郑健恺，李 华，于志刚.强夯、打桩、爆破振动对建筑物影响的探讨［J］.西北建筑与建材，2002，85（7）：21 25.（ZHENG Jian kai，LIHua，YU Zhi gang.Analy sis on Impact on Buildings by Vibration from Dynamic Compaction，Piling and Blasting［J］.Northwest Con struction and Building Materials，2002，85（7）：21－25.（in Chinese））

［10］倪永军，滕忻利，张雪峰，等.强夯地振动统计分析与评价［J］.北京交通大学学报，2008，32（4）：78－82.（NI Yong jun，TENG Xin li，ZHANG Xue feng，et al.Statistical Analysis and Assessment of Ground Vibration due to Dynamic Compaction［J］.Journal of Beijing Jiao tong University，2008，32（4）：78－82.（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

Standard of the Bearable Vibration of Percussion Boring Cast in situ Pile Construction

LIWei shu1，KUANG Hua feng2，HUANG Yong2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Chongqing 400014，China；2.Urban Development Investment Group Co.Ltd.of Fuling District of Chongqing City，Chongqing 408000，China）

The vibration caused by percussion boring in urban areawill affect the people in surrounding areas.Tak ing the acceptable vibration degree into consideration，a control standard acceptable for people and buildings is pro posed based on domestic and international specifications and standards.Monitoring of the vibration in different as pects was made for the adjacent buildings，and the people nearby were investigated as well.The standard was proved to be reasonable in controlling the vibration so that the construction of the project can be carried out and the plan can be achieved.

mechanical percussion boring cast in situ pile construction；vibration of the percussion；building；peo ple’s feelings；particle vibration velocity；standard of bearable vibration

O319.56

A

1001－5485（2011）08－0027－04

2010 10 27

李维树（1963 ），男，重庆涪陵人，高级工程师，主要从事岩土力学试验与研究工作，（电话）13608377695（电子信箱）lws＿lwslws＠163.com。