振动监测技术在冲孔桩影响高压天然气管道安全时的应用

　　摘要本文通过工程实例，介绍了如何对冲孔桩施工时产生的振动波进行监测和分析，以保障近距离范围内的高压天然气管道的安全要求。为同类的施工项目遇到相似问题时提供了借鉴和参考。
　　关键词振动监测；冲孔桩；高压天然气管道
　　
　　
　　一、前言
　　随着城市建设的迅速发展，许多大型的施工项目在城市内不断的开展。而这些项目在遇到早期铺设的地下天然气管道时，不可避免的会影响天然气管道的安全。尤其是大型立交桥的桥墩大多数采用冲孔桩工艺，当桥墩与天然气管道之间的安全距离不足时，冲孔过程中传导到周边土体内的振动波有可能导致钢质天然气管道焊缝产生金属疲劳进而失效发生爆炸，酿成重大安全事故。如何量化和判断振动波对钢质天然气管道的影响，往往成为施工单位和管道产权单位争论的焦点。本文结合相关的工程实例，讲述了如何采用振动监测技术对振动波数据进行采集和分析，从而推断出满足钢质天然气管道安全施工条件的结论。
　　二、工程概况
　　本工程为城市快速路二期主线工程，其中第七标段全长共1030m，施工场地内有现状钢质高压天然气管道约420.35m沿立交主线桥梁右幅A07－A08,G01－G05之间延伸向前。其中A07一A08现浇梁右侧桩基础和高压天然气管道外壁之间的净距为3.5m。该高压天然气管道设计的抗震烈度为七度。由于桩基与高压天然气管道的距离较近，为了保障高压天然气管道的运行安全，要求桩基础施工前在桩与高压天然气管道之间开挖一条2m深的减振沟，以减少振动波对管道基础的扰动。同时，根据现场地质情况，桩基础施工时从自然地面标高往下7m都采用人工挖孔，以下部分采用机械施工。
　　三、测试目的
　　为了保障高压天然气管道的安全，同时也为了对3.5m外冲孔桩施工时产生的振动波数据进行采集和分析，从而为后继施工的高压天然气管道保护范围内的冲孔桩提供参考的依据。于2010年4月21日对第七标段的243号桩进行试冲时进行了振动监测。
　　实际的做法是：在现场条件下，选择同一施工参数，在243号桩基位置进行冲孔试验，实测受振动波影响的高压天然气管道的振动速率，与管道设计时所规定的管道安全振速进行比较，然后再经过软件分析得出加速度，与管道的设计抗裂度对比，以确定桩基冲孔施工对高压天然气管道的最大影响。为制定桩基具体可行施工方案提供准确数据。
　　四、仪器设备
　　本次监测采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850型振动测试记录仪，内置记录功能。数据记录功能为连续模式，振动分析仪能同时显示物理量、主频及记录发生时刻。
　　本仪器使用分离式振动传感器，可对微小振动及超强振动进行测量。该产品面向爆破振动监测、工程环境监测、建筑、机电设备、交通运输、机械振动等领域针对振动、压力、应力、位移、温度、湿度等动态过程的监测、记录、报警和分析。该仪器及传感器己通过中国测试技术研究院鉴定。
　　作为增强型的仪器的4850，具有以下主要技术指标：
　　
　　
　　传感器采用北京中斯电子技术研究所生产的ZCC-202型电磁式振动传感器
　　ZCC-202型速度传感器指标
　　频率响应：5-500Hz 转换灵敏度：270士10%mV/cm/s
　　横向灵敏度：10%  失真系数：03% 幅值线性度：5％最大位移：4mm
　　极限加速度：工作方向：100m/s2 非工作方向：40m/s2冲击：300m/s2
　　输出直流电阻：0.4/2.7KΩ 工作温度：-30一+80℃ 外形尺寸：Φ35x70mm
　　五、测试原理
　　在岩土介质中，由于高能量震源的瞬间激振（如爆破、打桩、强夯等），使岩土产生剧烈的振动，这种振动在岩土介质中，依靠介质相邻点间的相互作用，以激振点（区域）为中心，以地震波的形式向外围传播。一般而言，地震波的振幅（或能量）随着离开震源的距离增加而减小，这一现象称为振动的衰减；其衰减的原因有两个方面：
　　其一、地震波离升震源的距离越远，其波陈面越大，即引起振动的区域越大，致使波阵面上能量密度减小，导致振动衰减。
　　其二、介质发生振动，相邻介质或相邻介质的质点发生摩擦，将传播至此的动能转变为热能而消耗掉，导致振动衰减。地震波的传播与衰减，不仅会在三维空间内表现出来，而且会在时间上表现出来。当我们沿着离开震源的矢径方向在介质表面布置传感器时，质点的振动波可以通过传感器反应出来。通过对所收集的质点振动信号的研究分析，即可确定地震波的振动速度幅值，从而根据这种己知区的振动，推断打桩、强夯或爆破施工振动对已有建（构）筑物或管道等被保护物的影响。
　　六、现场采集
　　1、测点布设
　　本次测试所选试验桩为243＃桩，质点Z-1就选择在高压天然气管道管距243＃最近的部位上，现场量测质点Z-1距试验冲孔位置的最近距离为3.5m。测试前在质点Z-1部位开挖探坑，让此部位的高压天然气管道外壁露出，在进行桩基冲孔试验前把传感设置在Z-1位置上，以质点Z-1的振动数据来反映整条管线的振动情况。传感器的采用三维坐标方式布设，量测径向、切向和垂直振动波（沿天然气管道方向为x方向，垂直于天然气管道方向为Y方向，垂直于天然气管道顶面平面方向为Z方向），测点放置两个水平和一个垂直传感器，传感器托盘采用石膏粉（石膏粉加水搅拌，十分钟后凝固）固定于Z-1处的高压天然气管道顶外壁上。三向测点上使用的水平传感器方向与垂直向垂直，传感器上的水平指示气泡应在中间。
　　2、数据采集
　　本次试验采用的冲孔桩机的锤重约为4.9T，每次提升行程约为2.0m。准备工作就绪后，开启振动测试记录仪，开始进行冲孔，为了保证采集数据具有准确性和代表性，在Z-1位置共采集了20多组数据。
　　七、测试结果
　　1、原始数据
　　从现场采集的数据中筛选出具有代表性的十组数据作为本次测试分析数据。
　　
　　
　　2、软件分析结果
　　从以上原始数据中选择质点振动速度幅值最大的一组数据作为本次测试的成果。
　　本组数据在软件中利用公式V合2=对三矢量数据进行矢量合成，其
　　中Vc、Vj、Vq分别为垂直向、径向、切向最大振动速度，合成结果见表7-2.
　　
　　
　　
　　通过现场振动监测数据采集、资料处理及软件分析，考虑到施工所采用的实际施工参数、监测点到震源的实际距离和高压天然气管道实际状况及分布情况，参考相关国家规范及标准，对监测点位所受到的因桩基冲孔施工引起的振动，作如下安全判别：
　　1) 本次所监测到的振动波速最大值为所列数据的第10组（见表7-1)，从数据中可明显看出垂直振动速度大于水平（径向）振动速度，可见施工前所开挖的减震沟和人工挖孔部分起到应有的减震效果。
　　2) 本次所监测到的振动速度三矢量合成值为1.31cm/s（见表7-2)，低于中华人民共和国国家标准《爆破安全规程》（GB6722-2003）中的“一般房屋、非抗震的大型砌块建筑物”的最低标准2.0cm/s，同时参照中华人民共和国国家标准《中国地震烈度表》(GB/T17742-1999)中的地震烈度七度最小峰值速度10cm/s,测试结果表明本次桩基冲孔试验所产生的振动波对测点Z-1处的建（构）筑物或管道具有一定影响，但不会造成危害。
　　3) 本次监测结果符合管线的安全要求，但只适用于在沿高压天然气管道方向30m内一台设备进行桩基施工，所使用的桩基设备的锤重小于等于4.9T，每次提升行程小于等于2.0m，并且高压天然气管道与桩基的水平净距要大于等于3.5m，并且在冲孔前要进行人工挖孔桩成孔，挖桩深度要大于5m，同时要满足挖桩底标高要低于高压天然气管道底标高的条件。
　　八、结束语
　　本次试验测试结果显示：本次桩基冲孔施工产生的振动波速没有超出高压天然气管道的安全标准，可以按照以上“安全判别”中的第四条要求进行正常施工，但在施工过程中要严格做好必要的管道保护措施，同时做好桩基施工区域的各项监测工作，如发现异常时要及时汇报，停止施工并对管线进行检测，无危险后方可继续施工。
　　
　　参考文献：
　　[1] 《爆破安全规程》（GB6722-2003）
　　[2] 《建筑抗震设计规范》（GB500112001）
　　[3] 《中国地震烈度表》(GB/T17742-1999)
　　[4] 《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）
　　[5] 《石油天然气管道保护条例》