紧邻地铁隧道高频免共振液压锤沉桩施工技术

施耀锋（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

在紧邻地铁隧道周边进行桩基工程，根据以往的施工经验，一般首选钻孔灌注桩，因其对隧道的影响较小。但是钻孔灌注桩需要采用泥浆护壁进行钻孔成桩，施工过程中产生大量废浆，并且成桩后需要一定的养护期[1]。结合绿色施工理念，考虑采用钢管桩取代传统的钻孔灌注桩，因其具有自重轻、高强、抗水平荷载强等特性，并且施工工期短[2]。在紧邻地铁隧道进行钢管桩施工时，应考虑沉桩对地铁的振动影响，采用荷兰ICE公司的高频免共振液压锤可以满足振动控制要求。

1 高频免共振液压锤工艺

1.1 工作原理

高频免共振液压锤配置 8 个可变偏心力矩，通过动力系统加压，偏心块的工作转速可以从 0 直接到 2300 r/min，跃过土壤或物体的固有频率，消除在开启和关闭时刻的振动影响。在经过土壤频率区域后，偏心块自动调节，偏心块同步后产生偏心力矩形成振动频率。在沉桩过程中对周边环境影响非常小，离开桩体 2～3 m 距离振动基本完全衰减[3-4]。高频免共振液压锤及动力系统，见图1、图2。

图1 高频免共振液压锤

图2 高频免共振液压锤动力系统

1.2 主要特点

（1）振动小。液压振动锤的高频振动设计避免了与周边建筑的共振，减少对周围土壤造成破坏。

（2）效率高。在同样的施工条件下，液压振动锤的施工效率基本是传统桩工机械 6～10 倍，沉桩速度一般在4～7 m/min，在土壤条件比较好的情况下沉桩速度超过10 m/min。

（3）适用范围广。高频液压振动锤可以沉拔钢管桩、混凝土预制管（PHC）桩和各类型钢板桩，并且可以进行地表压实、深层压实等工程施工。

（4）安全性高。高频液压振动锤有机控、线控和遥控，最常用的遥控可以让操作人员站在视野开阔、较为安全的位置进行操作。

（5）更环保。液压振动锤的动力箱采用封闭降噪设计，液压系统驱动齿轮箱高频振动，具有噪声小、振感低等优点，适宜在城市核心区敏感环境中施工。

2 高频免共振液压锤工艺工程运用

2.1 工程背景

上海市北横通道新建工程 II 标筛网厂明挖段北侧为运营中的轨道交通 13 号线江宁路站─汉中路站区间隧道。该隧道沿天目西路东西向布置。筛网厂明挖段横穿苏州河，该段苏州河宽约 66 m，最大水深约 8.5 m，过河后基坑上跨地铁13 号线并与长寿路桥相交、与天目西路相接。因此，将该明挖段分为工作井及暗埋段、明挖过苏州河段以及上跨13 号线段。其中明挖过苏州河段采用钢平台（结合拉森钢板桩）作为临时围堰，在围堰回填土区域进行基坑开挖及结构制作。明挖过苏州河段分为 2 阶段围堰施工，第 1 阶段为西侧导流东侧施工，围堰长度为 137.3 m，第 2 阶段为东侧导流西侧施工，围堰长度为 99.1 m。一期围堰平面和二期围堰平面，见图3、图4。

图3 一期围堰平面图

图4 二期围堰平面图

围堰采用拉森钢板桩，桩长为 22 m，钢平台基础为钢管桩（Φ 800 mm×16 mm），采用型钢作为纵横梁（纵梁采用双拼）和水平撑，采用 16 号槽钢作为竖向剪刀撑，采用 I20b 工字钢作为平台横梁，平台面铺设 10 mm 厚钢板。其中钢管桩基础横距 3.4 m、纵距 3 m，桩长 28 m。第一期围堰钢平台距离运营中的地铁 13 号线区间隧道较近，最近距离仅 6 m，第二期围堰距离区间隧道最近处为 14.5 m，钢管桩比地铁隧道深 4 m。地铁隧道的外径 6.2 m、内径5.5 m、环宽 1.2 m、埋深 18.8 m（地面标高为＋3.5 m）。钢管桩底标高为－25.5 m，位于 ⑥ 暗绿-黄色粉质黏土与⑦1草黄-灰色粉砂交界处。地基土构成与特征见表1。

表1 地基土构成与特征表

2.2 非原位振动试验

钢管桩沉桩采用 ICE 28RF 高频免共振液压锤施工。考虑到高频免共振液压锤是一种新设备，且钢管桩在振沉过程中不可避免的对地铁隧道产生一定的影响，若影响严重将危害到 13 号线地铁的运营安全[5]。因此，在进入河道内正式施工前，在现场远离隧道选取一处进行钢管桩非原位施工测试，通过试验掌握采用该工艺进行沉桩将对邻近土体的影响程度，确认所选锤型的适应性与可靠性。

为了掌握钢管桩沉桩对邻近土体的影响分布规律及程度，进而判断对邻近构筑物的影响程度，从实际空间相邻关系的角度考虑，在离钢管桩施工位置 3 m、5 m 、10 m 处分别布设振动测试点，以监测沉桩过程中引起周边环境的振动值。试验过程中委托有资质的专业单位上海汇谷岩土工程技术有限公司进行监测，振动测试仪器为加拿大 Instantel振动测试仪。试验中，场地振动背景数值为 0.31 mm/s（即非施工状态下土体振动值），钢管桩沉桩速度为 3 m/min，沉桩振动测试数据汇总见表2。

表2 振动测试数据汇总表

通过场地内设置的 3 个监测点所得数据可知，沉桩过程中距离最近的监测点（距离 3 m）场地振动数值（ppv）为4.72 mm/s，数值较小。

2.3 首桩原位施工及隧道监测

苏州河河道内开始打桩后，为获取 28RF 型高频免共振液压锤沉桩对地铁 13 号线区间隧道的实际影响，再次确认所选锤型的适应性和可靠性，在隧道内选取一处（第 940 环管片附近）管片上布置监测点，进行首根钢管桩免共振原位施工振动测试，以弥补第一次非原位试验时只能监测地表振动数据的不足。

本次振动监测测试方法、测试工具、桩型等与首次试验时相同，首根试桩及隧道内监测布点的环号见图4。

图4 钢平台与地铁隧道关系图

钢管桩与地铁隧道第 940 环管片的平面距离为 8.6 m，钢管桩桩底超出隧道底部以下 4 m。首根钢管桩沉桩速度为3 m/min，场地振动背景数值为 0.284 mm/s。沉桩振动测试数据汇总见表3。

表3 振动同步监测数据汇总表

经过 2 次振动监测，从数据上分析 ICE 高频免共振液压锤沉桩对地铁隧道的振动影响较小，满足地铁保护要求。因此，通过两次试验得到的数据，可以判断采用该设备进行钢管桩沉桩，不影响邻近地铁隧道的正常运营。

2.4 钢管桩沉桩施工及隧道内同步监测

一期钢平台围堰共施工钢管桩 130 根，其中在地铁50 m 保护区内共计 76 根，施工过程中隧道安全处于受控状态[1]，分析施工期间地铁隧道典型环号横向收敛及垂直变形监测情况（略），收敛和沉降监测数据均未超出累计报警值（±10 mm）。

3 结 语

（1）荷兰 ICE 高频免共振液压锤是振动锤的一种，也需要通过振动将周围的土体液化后进行沉桩。但是因为液压系统、偏心块等设计上的区别，相比国内传统的“拐手”振动锤，对周边环境的扰动小很多，适合在有特殊保护要求的敏感环境下施工。

（2）未引进该设备前，在本工程工况条件下，通常采用静压植桩机进行施工，相比“零振动”的静压植桩机，“微振动”的 ICE 免共振锤在工程成本、进度上占绝对优势。

（3）ICE 高频免共振液压锤可使用于特殊环境。尤其是邻近地铁、飞机跑道等特殊环境下的沉桩工程，既要控制对周边环境的扰动影响，又要考虑在夜晚停运时间进行施工，高频免共振液压锤将是最佳选择。