打桩振动对鱼鳞石塘影响的实时监测与分析

王建华，叶建军，麻俊益

（1.浙江省钱塘江管理局嘉兴管理处，浙江 嘉兴 314300；2.杭州鲁尔物联科技有限公司，浙江 杭州 310012）

1 钱塘江明清时期鱼鳞石塘的基本结构

钱塘江明清鱼鳞石塘为直立式石塘，用条石砌成，塘身横断面呈梯形，条石间用铁锔和铁锭固定，背面用土壅固加厚（见图1）。至今海宁、海盐仍有34 km鱼鳞石塘屹立在临江一线，与塘背附土、土埝、塘脚坦水、防冲板桩等组合成标准海塘工程，是杭嘉湖平原防洪御潮的重要屏障。

图1 明清直立式鱼鳞石塘现状和结构示意图 单位：cm

海宁一线鱼鳞石塘约28 km，处于钱塘江河口强涌潮区，始建于康雍乾三朝，石塘顶外侧为坦水，部分塘段有二坦、三坦，局部只有头坦，坦水总宽度2.5 ～ 6.0 m。大部分塘高5.44 m，塘基宽3.84 m，塘基下布置11排木桩支承；石塘塘身以厚32 cm、宽38 cm条石用糯米灰浆丁、顺间砌而成；塘顶与迎潮面的条石之间采用铁箫铁笋嵌联，塘顶宽1.44 m；塘脚外有2 ～ 3道条石结构护坦，每道护坦外缘均布置长约4.00 m的双排木桩。

鱼鳞石塘塘基高程一般在平均低潮位上下约1.00 m的位置，塘基高程偏高，且建立在软土地基上，缺乏整体性良好的基础结构，在强涌潮和径流的双重作用下，塘基土体易流失，因此海塘堤脚冲损是古海塘最危险的险情之一，而塘前设置板桩是较为常见的堤脚防护措施和防汛应急抢护措施。

2 振动实时监测需求与技术路线

2.1 实时监测的必要性

临江鱼鳞石塘目前均已列入国家级或省级文保单位，社会关注度较高，海塘保护难度大，堤脚防护是关键所在，目前塘前施打钢筋混凝土板桩主要采用打桩机械在岸上（鱼鳞石塘后侧塘面）悬臂直接施打法，施工振动过程中可能对古海塘产生一定影响。现有的常规海塘安全监测手段是在有一定量发生后，根据实测数据，判定古海塘安全状态。事实上，这些指标一旦产生异常，海塘本体已经产生破坏，只能事后补救，不能提前预防。

因此，有必要找到一种实时监测技术，动态监测各类施工时振动对古海塘的影响，并通过试验确定振动安全控制限值，用于指导今后的海塘维修与加固施工，更好地保护古海塘。

2.2 打桩振动的特点与影响形式

打桩振动属于冲击型振动，主要来源于打桩震动锤施打钢筋混凝土预制桩时产生的振动波（向四周辐射）和挖机等机械压重与本身震动引起的振动波（扇形向下扩散），主要有以下特点：

（1）在打桩过程中，锤击产生的振动能量只有很小一部分损失在桩顶破损和桩体本身的压缩及桩的弹性变形和桩与土的摩擦上，大部分能量在桩尖处（点状振源）以弹性波的应变能形式向桩周土体或地表传播，引起周边土体和相关构筑物的同步振动。

（2）打桩引起的振动是瞬时的锤击强迫振动，属于脉冲衰减型振动。实测表明，每一锤击的时间为0.4 ～ 1.0 s，一般常用的液压打桩机产生的打桩振动主频率约为20 ～ 30 Hz，而与石结构为主的古海塘的固有频率（基频，《古建筑防工业振动技术规范》[1]规定一般在1 ～ 3 Hz，）不在一个量级上，且每次打桩间隔时间大于振动的持续时间。因此，每次打桩产生的振动能量相对独立，不会叠加。

（3）打桩引起的振动与桩的尺寸及桩型有关，但并不明显，主要与土体特征有关，土体坚硬匀质密实或有块石混合料时衰减小，易传导到古海塘。同时，在打桩过程中，桩越难打，引起的振动越大，衰减越小，对古海塘的影响越大。

（4）挖机等施工机械在塘顶施工时由于机械本身震动引起的振动波，其扩散形式虽然不一致，但振动类型、振动主频率与桩尖振动波基本一致。由于机械压重引起的应力叠加则由于持续时间长，对古海塘结构的破坏力更大，危害性更大。挖机装卸和钢筋混凝土预制桩吊装过程中由于突然的冲击，还会产生瞬时的振动波，其主频率会远远高于打桩过程中的波形频率，不能忽视。

打桩振动对古海塘产生的危害可分为直接和间接2种：

（1）直接引起古海塘塘体的破损，发生沉降、开裂、倾斜甚至坍塌等险情；

（2）间接引起古海塘塘体的破损，振动引起的附加动应力会对古海塘塘基土层产生扰动，对塘体砌石连接结构产生破坏，虽然短时间内不一定会产生破坏，但长时间的扰动仍会影响海塘的结构安全。

3 振动实时监测基本原理与实施方案

3.1 基本原理

振动监测仪由石英晶体和人工极化陶瓷（PZT）的压电效应设计而成，当石英晶体或人工极化陶瓷受到机械应力作用时，其表面就产生电荷。本系统采用压电式加速度传感器，收集振动的机械量，通过系统处理将机械量转化为电信号；振动监测仪通过对输入电信号的实时处理分析，识别出振动的加速度、速度、位移值，当电信号超过一定范围时，振动监测仪就发出警报。

3.2 具体实施方案

3.2.1 设备布置和监测内容

本次选择测振仪型号为RU - S0301，参数见表1。根据现场情况，沿监测断面在海塘塘顶共布设4套振动监测仪对打桩过程进行全程监测，施工期间，数据采集频率为1次/min。具体测点布置和监测频次见表2和图2。

表1 振动仪参数表

表2 主要监测内容表

图2 测点布置图

3.2.2 自动监测系统

鱼鳞石塘安全实时监测技术框架见图3。主要包括：感知层、网络层和应用层，主要由现场振动传感器、数字采集单元、数据传输单元、4G网络模块和监测云平台等组成。该监测系统具有适应海塘外部影响和内部响应快速变化的特点，有效克服海塘空间跨度大和现场环境影响的限制，实现数据的自动采集和远程实时动态监测。

图3 监测系统框架图

4 振动实时监测过程与数据分析

4.1 试验过程

本次打桩位于海宁盐官上游庙湾段海塘，在塘基二坦外侧打设10 m长钢筋混凝土板桩。打桩机械采用600型挖掘机改装震动头，在塘面进行施打，机械自重65 t，是迄今为止塘面施工采用的最大负荷机械设备。主要施工过程包括鱼鳞石塘后侧塘面铺设保护层、打桩机及板桩就位、塘前定位、打桩机起吊板桩至指定位置、施打至设计高程等。遇到地质条件比较复杂，难以顺利穿透土层沉桩时，需增加钢桩引孔等辅助施工措施。

实时监测系统于2018年8月30号正式上线，当天施工机械进场，包括1台日立600H型打桩机和1台运载打桩机的平板车，4台振动监测设备均探测到振动信号，持续时间较短。试桩施工于次日12∶36正式开始，9月4日16∶14结束，为期5 d的施工过程中，均探测到明显的振动信号。

4.2 数据采集与分析

按照GB 6722 — 2014《爆破安全规程》[1]的规定，被保护古建筑的振动监测数据通过质点振速和主频来体现，其中质点振速取x、y、z三个分量中的最大值，最大质点振速对应的频率即为主频。鉴于监测主频主要处于中频振动范围，本次采用最大振速结合振动频率进行分析。

本次振动监测最大振速、最大振幅及对应主频变化情况见图4。

图4 最大振速、最大振幅及对应主频分析图（2018年8月31日—9月6日）

为了掌握振动信号的频率分布，采用直方图对主频监测数据进行概率密度统计。结果表明，50号振动传感器（最靠近施工机械）的主频监测数据集中分布在200 Hz左右（见图5），其余传感器监测数据主频集中于0 ～ 60 Hz频段。最大振速均集中分布于±0.5 cm/s以内，且不具有方向性。

图5 主频频率概率密度分析图（50号）

最大振幅进行概率密度统计见图6。集中分布于±0.005 cm以内，数据呈现标准正态分布。

图6 最大振幅概率密度分析图

根据上述监测结果，施工过程中振动主频大于50 Hz时，对应的质点振速超限的情况如下：

（1）8月30日23∶00，打桩机从运载车辆上卸载进场，52号振动监测设备获取到最大质点振动速度V大于0.50 cm/s，超过对一般古迹与古建筑的安全允许质点速度 0.30 ～ 0.50 cm/s。

（2）8月31日13∶36 — 13∶46（U型桩，打桩未成功），52号振动监测设备监测到超出限值的主频和振速，分别为833 Hz和0.81 cm/s，受桩型结构影响，桩遇块石混合料层时，桩较难打，桩锤连续重击，振动衰减小，振动影响较大。

（3）9月1日 14∶00 — 14∶31（H型桩、打桩成功但桩头破损严重），52号设备监测到超出限值的主频和振速，分别为 86 Hz 和 0.63 cm/s；14∶33 — 14∶55（离心方桩，打桩成功但桩头破损严重），52号设备监测到超出限值的主频和振速，分别为108 Hz和2.60 cm/s；53号设备监测到超出限值的主频和振速，分别为416 Hz和0.54 cm/s。

通过对比分析表明，当打桩阻力过大，桩体出现破损时，监测到超出阈值的主频与振速情况，当打桩顺利时，未见机械振动对塘体影响超出临界值的情况。

5 结 论

鉴于鱼鳞石塘结构的特殊性，其振动安全参数指标没有先例可循，目前还很难通过计算确定安全最大振动值。因此，本次试验采用历史最大负荷的方法来测得振动数值，并根据一定的安全系数确定安全允许振动限值，有一定的参考价值，可以指导古海塘的日常维护与加固施工。主要结论如下：

（1）本次施打板桩期间，振动监测显示，最大主频为833 Hz（对应振速为0.82 cm/s）、最大振速为2.61 cm/s（对应主频为109 Hz）。参考相关规范要求，建议将最大主频和最大振速作为古海塘振动控制双控指标，最大主频应不超过600 Hz，最大振速应不超过0.50 cm/s。

（2）由于本次监测试验历时较短，监测方法、数据的采集与分析等方面仍有待于进一步优化，建议在其他相关工程实施时开展进一步试验。

（3）建议进一步研究防振措施。可参考GB 50463 —2008《隔振设计规范》[2-4]等有关规定，采用拉大振源距离、振源减振等措施降低施工振动对古海塘的影响。