夏传勇 姚仰平 罗 汀

收稿日期:2002204210　作者简介:夏传勇(1979-),男,江西宜春人,硕士生,100083,北京.沉桩振动的环境影响评价夏传勇 姚仰平 罗　汀(北京航空航天大学土木工程系) 摘 要:讨论了沉桩振动的特点及其对周围环境的影响,认为对沉桩振动进行环境影响评价是非常重要的.对沉桩振动的环境影响评价范围、评价标准、评价等级、现状调查、振动测量、振动预测、评价内容等问题作了说明和分析.特别推荐了沉桩施工环境振动的预测方法和防治沉桩施工环境振动的对策.关　键　词:沉桩;振动;预测;环境影响评价中图分类号:T U 473.1;X 827文献标识码:A 文章编号:100125965(2003)0620539205 高层建筑多采用深基础,预制桩作为一种质量易于保证、承载性能稳定、施工效率较高的桩型,得到了广泛的应用.打入预制桩对周围土体有排挤重塑作用,土体固结提高了土的抗剪强度,也能提高桩的承载能力并减少沉降.但是预制桩沉桩施工过程中,由于桩锤对桩身的冲击不但产生噪音,而且会引起桩身及桩周围附近地基土体的强烈振动,这种振动会以弹性波的形式向更远范围的地基土体扩散传播,造成沉桩区及其邻近地基土体的水平位移和竖向位移,从而影响周围建(构)筑物及地下管线的正常使用和安全,给人们的正常生活带来严重后果.由于沉桩施工时发生的振动对工地周围环境的影响很大,因此要对沉桩产生的振动进行环境影响评价.目前,国内外对沉桩振动环境影响的研究主要集中在其监测技术方面,而一个系统的沉桩振动环境影响评价体系还没有形成.本文将结合沉桩施工振动的特点,对沉桩振动环境影响评价的具体程序、实施原则和评价方法做一探讨.1　沉桩施工振动的特点工程地基土是半无限体的非完全弹性介质,沉桩施工时产生的振动,在地基中产生波动,并向周围土层扩散传播.在地基土体中传播的振动可近似按弹性波处理,分为体波和表面波两大类.体波包括纵波(压缩波)和横波(剪切波).在地基假设为弹性半空间的情况下,表面波为瑞利波.由于表面波占了振动总输入能量的三分之二,以及表面波随着距离增加而衰减(属r -1Π2级的衰减函数)要比体波的衰减(属r -2级的衰减函数)慢得多的特性,所以在离振源较远的一定距离内,表面波的影响是主要的[1].沉桩施工中所引起的地基土的振动包括有五个振动参数:振幅A ,质点速度V ,质点加速度a ,频率f ,波的传播速度v .产生的振动在垂直方向和两个水平方向同时存在.但在振动频率较低的地基土中,垂直振动要比水平振动更容易感受到,且引起的危害更大[2].如图1所示,当桩长为L 、桩的当量半径为r 0时,在距振源(桩尖处)很近的范围内,以纵波和横波为主,以r -2的规律传播;当距振源的距离增加到r R (r R =r 0+2L ～r 0+3L )时,有瑞利波出现,并以r-1Π2的规律传播.能耗衰减系数η可表示为η=f (ω)・m(1)故当r <r R 时,土体中竖向分量振幅衰减关系为A r =A 0r 20r2e -f t (ω)m 1(r -r 0)(2)当r ≥r R 时A r =A Rr R re-f 2(ω)m 2(r -r R)(3) 在以上各式中,ω为振源圆频率;m 1、m 2为土介质的阻尼常数;A r 为距振源r 处土的竖向分量振幅,是待求的;A R 为距振源r R 处土的竖向分量振幅;A 0为振源边缘处的竖向分量振幅;f 1(ω)、f 2(ω)为振源圆频率的函数.2003年6月第29卷第6期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics June 2003V ol.29　N o 16图1　沉桩施工地表振动衰减的分析f2(ω)和阻尼常数m2可通过土的波动试验作出定量测定[3].试验时在基础上安装了激振器作为振源,由振源出发布置几条测线,在其上以不同距离布置测点,记录振动的波形.为了求得f(ω),试验时,在不同激振频率作用下测出了振幅的衰减曲线,按公式(3)的变形η=m2f2(ω)=1r-r Rln A RA rr Rr(4)即可算出不同频率时的m2f2(ω).因m2f2(ω)～ωΠ2π具有直线关系,故可求得f2(ω)和m2,试验结果还表明f2(ω)=ωΠ2π,所以,在这种情况下,A r=A R r Rre-ω2πm2(r-r)(5)在工程中常关心r≥rR的情况,即常用公式(3)进行计算.2　评价范围、标准和等级2.1　评价范围对沉桩施工振动进行环境影响评价时,首先必须确定它的评价范围。

评价范围的大小与振源强度、施工机械的参数、地质状况等因素有关.大量的振动实测表明,沉桩施工产生的振动在沿地表的传递过程中,在50m左右的地方振动达到环境振动标准的要求[4～7].而到了100m左右的地方用一般环境振动测量仪器监测时,已经小于仪器的最小量程,当然也完全符合环境振动标准的要求.因此评价范围取100m就可以了.由于沉桩过程中振动剧烈,预制桩在城市中心地带的应用受到了一定的限制.这样,在确定其评价范围时,应主要考虑其应用于郊区等人口、建筑物稀少的地区,把有可能受到振动干扰的敏感区和敏感点都应包括在评价范围之内.所谓敏感区是指住宅小区,而不是零散的住户.敏感点是指重要的住宅建筑物,如度假村、宾馆、病房楼或重要行政办公设施等.对于一些特殊的振动问题,如对古建筑、文物、敏感仪器设备的影响问题,可作为特殊问题研究.当对振动环境要求很高时,其评价范围可适当加大.2.2　评价标准和等级评价范围确定之后,必须接着确定评价的标准和等级。

有关环境振动的评价标准主要有两个,一个是G B10070288《城市区域环境振动标准》,这是一个限值标准;另一个是G B10071288《城市区域环境振动测量方法》,这是一个测量方法标准.如果评价还需考虑对古建筑、文物、敏感仪器设备的影响问题,还需参考相应的限制标准和测量方法标准.G B10071288《城市区域环境振动测量方法》规定,环境振动的测量值为铅垂向Z振级VLz,它是IS O2631Π121985规定的全身振动Z计权因子修正后得到的振动的加速度级,单位为分贝(dB).沉桩施工振动环境评价工作等级的划分主要依据评价范围内敏感区和敏感点的状况,这种划分并没有绝对的界限,故应根据实际情况确定工作等级.在考虑时可包括以下几个方面:1)沉桩工程的规模(大、中、小型);2)振源的种类及数量;3)敏感区的大小与数量,敏感点的数量,人口的分布情况.3　振动预测3.1　振动预测前的准备工作3.1.1　现状调查环境振动现状调查的目的为:1)掌握评价范围内的振动现状;2)向决策管理部门提供评价范围内的振动现状,以便与沉桩后的振动影响程度进行比较;3)调查确定振动敏感目标和保护目标、人口分布;4)为振动预测和评价提供资料.调查的基本方法是:1)收集资料;2)现状调查和测量.采用收集资料的方法时,对有关监测数据应尽量采用具有环境监测资格单位的数据,并注意所采用的测量方法应符合标准的规定[8].3.1.2　振动测量振动测量的测量量为铅垂向Z振级,振动测量应按照G B10071288《城市区域环境振动测量方法》进行.注意测量仪器、读数方法、传感器的放置045北京航空航天大学学报 2003年等有关问题.尽管施工单位在沉桩施工过程中可能采取了合理安排沉桩施工流程、控制沉桩速率、设置释放孔、开挖防振沟等措施,但仍有必要在周围建(构)筑物及地下管线等部位设置监测点,以监测这些部位振动速度的发展变化规律,为确保周围建(构)筑物及地下管线不产生过大的振动提供可靠的依据.测点可置于各类区域建筑物室外0.5m 以内振动敏感处.必要时,测点置于建筑物室内地面中央.测点的布设可考虑以下几个方面:1)根据沉桩施工振动的特点,确定典型区段和位置.对于振源有特殊变化的位置或有特殊要求的环保目标可视为一个典型位置.布点时可据此在每一典型区段或位置设一组测点,由一个近点和若干远点组成;2)当需要确定振动衰减规律时,可适当多设点,测量时应采用同步测量的方法,以保证可靠性;3)测点的位置应尽量避开公路、施工现场、工厂等强振源的干扰,尤其是应远离连续作业的非沉桩施工强振源.3.2　预测资料来源用于预测的资料来源主要有:1)沉桩工程设计文件;2)有关技术规定;3)设计单位;4)现场调查.振源振动参数的来源主要有两方面:1)类比试验;2)引用已有的数据.但应注意类比试验的可比性和引用数据的可靠性.3.3　预测方法振动预测方法主要有三种:1)利用现场波动试验预测;2)类比法;3)模式法.3.3.1　利用现场波动试验预测工程中对沉桩振动问题的处理,通常是在沉桩施工的过程中,通过现场波动试验,利用拾振器、测振仪等试验仪器,进行实地振动监测,并利用监测结果(如测点的振幅、振动加速度等),结合公式(3),对所得数据进行回归分析,得到能耗衰减系数η,从而获得沉桩振动的振幅、速度、加速度等随着距离的衰减规律.之后,利用得到的振动衰减规律确定沉桩对环境的振动影响范围和非测点的振动强度.3.3.2　类比法这也是目前应用较多的方法.选择一个已完成的,引起的环境振动符合《城市区域环境振动标准》的工程,其振源的类型和运行条件应相同或相似.由于地质状况对振动传播影响很大,所以地质条件(主要是表面层)的相似性也十分重要.在满足上述条件的前提下,通过振动实测和分析,说明评价工程的振动影响状况.由于振动的传播距离(或影响范围)较小,多数情况下受振点仅受到某一种类型振源的影响,因此与噪声的类比法相比较,振动的类比法容易选择到较好的类比对象.但困难之处是地质条件的选择,通常为保证地质条件的相似性,应尽量在同一地区选择类比对象. 3.3.3　模式法迄今为止,国内外对环境振动的预测都还处于研究阶段,尚无一种实用的预测模型供振动环境影响评价使用,因此还需要进行大量的工作,研究、完善一些预测模型.以下列举两种常见的模式法.1)能量传播预测方法在环境影响评价里对建筑施工振动可采用能量传播预测方法[9].预测基本公式采用Bornitz公式,即由基准点的振动级,预测某一距离的振动级.考虑几何学扩散衰减和地基内部摩擦衰减.VL r=VL r-20lgrr0n-8168×a(6)式中,VLr为距离振动源r受振动点的振动级; VL r为距离振动源r0级基准点的振动级;r为振动源到受振动点的距离;r为振动源到基准点的距离;n为几何学衰减常数(瑞利波,n=-0.5); a为地基衰减常数,粘土为0.01～0.02,粉砂为0102～0.03,壤土为0.01.对于r=5m的沉桩机械振动级:振动沉桩机100dB;柴油沉桩机104dB.2)灰色预测灰色系统理论因其建模方法的新颖性和预测的可靠性,近年来已广泛应用于环境科学研究领域.事实上,沉桩振动在实际传播过程中受到地质结构(地层、土质、地下水等),地面环境条件(障碍物)以及振动频率、振动方向等诸多不确定因素的制约,振源与周围环境构成一个典型的灰色系统.因此,工程上单纯依靠波动理论很难建立较高精度的预测模型.G M(1,1)模型是预测未知因素较多的环境振动的一种有效工具,对环境振动的管理具有重要意义.然而,经典G M(1,1)模型本身也存在某些局限性,这种模型的单变量变化率是一个指数分量,仅适用于等间隔且累加生成具有明显指数规律的原始动态序列.为了弥补经典模型的不足,新的研145第6期 夏传勇等:沉桩振动的环境影响评价究工作不断深入,GI M(1)模型是在G M(1,1)基础上派生而来的灰色预测模型[10].这种模型不仅能更充分反映和利用原始数据提供的信息,而且将等间隔时序系统分析建模延伸到任意间隔的非时序系统,拓宽了灰色预测的应用范围.运用G M(1,1)模型进行预测时,仅分析、预测了单一变量的变化规律,忽视了其他影响因素变化对其变化的影响.因此,可以利用灰色关联分析方法,从影响沉桩振动的各因素中筛选出主要影响因素作为主要因子(如桩身的弹性模量),并建立G M(1,N)多因素相关模型,对施工振动变化进行预测[11～12].4　沉桩振动的环境影响评价4.1　评价的基本内容沉桩振动的环境影响评价就是解释和评估沉桩工程造成的周围环境振动与其变化的重大性,因此,其基本内容可以包括以下几个方面:1)根据振动预测结果和振动评价标准,评述振动影响程度、影响范围和超标状况;2)可能情况下,分析受振动影响的人口分布(包括受超标和不超标振动影响的人口分布);3)分析引起超标的主要振源或主要原因;4)分析沉桩施工的选址、设备布置和设备选型的合理性;分析工程设计中已有的防治对策和控制措施的适用性和防治效果;5)为了使沉桩引起振动达标,评价必须提出需要增加的、适用于评价工程的振动防治对策和控制措施,并分析其经济、技术的可行性.4.2　沉桩施工振动的防治对策编制施工进度计划的同时应编制施工振动预防计划,按照工程设计规模和工地周围环境实际,提出施工振动预防措施.沉桩振动的危害影响程度不但与桩锤的能量、桩锤的锤击频率、离沉桩区的距离有关,而且取决于沉桩区的地形、地基土的成层状态和土质、邻近建筑物的结构形式及其规模大小、重量和陈旧程度等.沉桩振动的环境影响评价中,振动防治对策应该考虑从振源上降低振动、从振动传播途径上降低振动以及建筑物的加固三个环节.4.2.1　从振源上降低振动1)改进桩型设计为了缩短振动影响时间和减少振动影响程度,可以设计采用桩尖灌浆等提高桩的承载能力达到减少桩的数量的防护方法.也可设计采用完全排土桩(钢管桩)和部分排土桩(空心钢筋混凝土管桩)桩型.2)改进施工方案为了缩短沉桩振动时间和减少振动影响程度,可在沉桩施工中采用特殊缓冲垫衬和缓冲器,合理选用低振动强度和高施工频率的桩锤,采取桩身涂覆减少摩阻力的材料以及预钻孔法、掘削法、水冲法、静压法相结合的沉桩工艺,控制沉桩施工顺序(由近向远沉桩顺序)和沉桩速度以及隔桩跳打等防护措施.4.2.2　在振动传播途径上降低振动在振动传播途径上降低振动时一种常见的振动防治手段,以使振动敏感区达标为目的.具体做法如下:1)采用“动静分开”和“合理布局”的设计原则,使高振动设备(打桩机等)尽可能远离振动敏感区;2)利用自然地形物(如位于振源与振动敏感区之间的地堑、山坡等)降低振动;3)采用振动控制措施,例如设置遮断减振壁设施,使地面传播的振动弹性波的大部分能量被吸收和反射,从而减少继续传播中的振动弹性波的振动强度和影响范围.4.2.3　建筑物的加固为了保证沉桩施工期间,沉桩区邻近建筑物在沉桩振动影响下的安全,对陈旧型和古建筑宜采取临时托换加固体系防护措施,以提高建筑物的抗震性能.4.3　评价结论通过影响预测、评价和采取一定的防止对策后,确定推荐的沉桩施工方案的环境振动影响是可以接受的、可行的.5　结束语沉桩振动的环境影响评价是保护环境的一项重要措施,然而要达到满意的评价效果,则须有一个可靠的环境影响评价体系.本文结合沉桩振动的特点,对其环境影响评价的程序、原则和方法做了探讨,希望能对从事桩基工程设计和施工人员以及类似项目的环境影响评价工作的开展有所裨益.参考文献(R 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;predictions ;environmental im pact assessment345第6期 夏传勇等:沉桩振动的环境影响评价。