樁基施工對埋地管道影響及控制措施

高麗麗 趙浮江 師 梅 楊斯明

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西 延安 716000）

新時期，低碳經濟發展迅速，對于埋地資源的需求量顯著增加，在埋地傳輸過程中，埋地管道發揮著十分重要的作用。在各類市政工程項目建設中，土地資源緊缺，各類工程項目建設均會對埋地管道安全性造成不良影響。埋地資源具有易燃易爆特性，而埋地管道處于高壓運行狀況下，如果埋地管道受損，則會發生埋地資源泄露，容易發生火災、爆炸等嚴重事故，不僅會對社會經濟穩定發展構成危害，同時還會對周邊項目安全性造成不良影響。因此，對樁基施工對于埋地管道所產生的影響進行深入研究意義重大。

1 樁基施工對埋地管道影響分析

樁基主要包括以下幾種類型：①擠土樁：在預制樁、木樁、沉管灌注樁的錘擊、振動過程中，可貫入至土體結構中，使得土體被排擠，土體結構受到較大破壞，對于土體的強度以及變形性質均會產生較大影響；②部分擠土樁：包括沖擊成孔灌注樁、開口鋼管樁、H型鋼樁等。在部分擠土樁環節，可對樁周邊土體產生一定的排擠作用，但是土體結構強度以及變形性質不會發生較大變化；③非擠土樁：包括鉆孔灌注樁、預制樁，在部分擠土樁的設置過程中，需徹底清除孔中的土體，樁體周圍土體不會受到擠壓，同時還可能向樁孔中移動[1]。

為探究樁基施工對埋地管道所產生的影響進行分析，本文選擇對擠土樁以及非擠土樁展開深入研究。

1.1 擠土樁施工對周圍環境的影響

1.1.1 打樁施工產生的擠土效應及規律

在擠土樁施工中，會造成土體密實度增加，或者導致土體被擠開，使得土體隆起或者發生位移。如果樁的體積比較大，則土體的隆起量也比較大；而如果樁基礎所占面積比較大，則土體隆起量較少。根據研究發現，當土體與樁中心之間的距離比較大時，土體的側向位移會顯著減小。

1.1.2 打樁施工產生的振動特性。

在重錘擊樁時，會產生振動波，錘和樁之間接觸點會產生不均勻加速度場。在地下環境中，打樁振動的傳播形式為體波，地下結構所受到的打樁振動荷載作用和地震動力響應之間有很多相同之處。在打樁過程中，土壤阻力會對每一擊的貫入度產生直接影響，因此，振動強度和土壤阻力之間密切相關。當錘擊能量保持不變時，如果樁端土層的硬度比較大，則在每一擊時，塑性貫入比較小，同時，傳入土體中的能量比較大，所引發的振動響應十分顯著[2]。

1.2 非擠土樁施工對周圍環境的影響。

在非擠土樁施工中，鉆孔灌注樁的應用比較常見。在鉆孔灌注樁施工中，需應用機械設備進行鉆孔，在鉆孔完成后，即可下放鋼筋籠，再澆筑混凝土，最終形成樁體結構。鉆孔灌注樁不會產生擠土效應，并且在施工環節所產生的噪音比較小。但是，鉆孔灌注樁施工過程復雜程度比較高，如果施工場地地質條件復雜，如在卵石層、淤泥質土層鉆孔施工時，對于技術工藝的要求比較高，如果控制不當，則容易發生塌孔、縮徑等質量問題，同時，還會對自然生態環境構成危害。

通過上述分析可見，在樁基施工之前，施工場地土層與埋地管道之間處于平衡狀態，而在擠土樁基施工中，不可避免地會對周圍土體結構造成擾動作用，埋地管道和土體結構之間也會發生相互作用，進而導致埋地管道平衡狀態受到破壞。在非擠土樁施工過程中，一般不會對周邊環境造成較大不良影響，但是，如果施工場地的地層條件比較復雜，則必然會對地下構筑物構成危害。

2 樁基施工對埋地管道危險有害因素

在樁基施工中，對周邊埋地管道造成破壞時，主要有三種破壞形式：其一，沖擊荷載直接作用于埋地管道；其二，在外力作用下造成埋地管道發生變形損傷；其三，應力波反復作用于埋地管道，造成管道發生疲勞破壞。

樁基施工為系統性工程，在打樁過程中，會對土層造成擾動作用，進而直接影響埋地管道，同時，樁基施工不同環節均可能會對埋地管道產生較大影響。具體體現在以下幾個方面：打樁、鉆孔、機械車輛運輸、施工作業面布局規劃、土方開挖、不安全操作行為等[3]。

2.1 擠土樁的危險有害因素

（1）打樁：在打樁施工過程中，沒有對樁基和管道之間的距離進行有效控制，在打樁過程中產生擠土效應，并發生震動，導致管道受到破壞。

（2）埋地管道物探誤差：在樁基位置布置過程中，如果沒有綜合考慮埋地管道物探所得結果誤差，則在打樁過程中，可能會對埋地管道物造成沖擊破壞。

2.2 非擠土樁的危險有害因素

（1）鉆孔：在鉆孔過程中，沒有對樁基和管道之間的距離進行合理控制，或者質量控制措施應用不當，進而發生塌孔事故，或者樁孔發生傾斜，造成管道受到破壞。

（2）埋地管道物探誤差：在樁基布局規劃過程中，如果沒有綜合考慮埋地管道物探結果誤差，則在鉆孔過程中會對埋地管道造成沖擊破壞。

3 樁基施工環節埋地管道安全防控措施

3.1 樁基施工前的控制措施

3.1.1 樁基類型的選擇

根據上文分析可知，與擠土樁相比，非擠土樁對埋地管道所產生的影響比較大，因此，如果施工區域地質條件適宜，機械設備技術水平比較高，則應當盡量應用非擠土樁施工技術，盡量減小對埋地管道所造成的不良影響。

3.1.2 樁基與埋地管道安全間距的控制

（1）在擠土樁施工中，應當對周邊環境進行探測，確定埋地管道分布位置，并確定保護范圍，同時還需綜合考慮擠土效應、振動特性，合理確定埋地管道之間的安全距離。

（2）在非擠土樁施工中，不僅需對周邊環境進行探測，確定埋地管道分布位置及保護范圍，同時為了確定埋地管道之間的安全距離，應當保證為各類機械設備預留一定的操作空間，此外還需綜合考慮塌孔、縮徑、鉆孔傾斜率等影響因素[4]。

3.1.3 埋地管道的精確探測

在樁基施工中，為確定樁位分布情況，應當合理確定埋地管道所在位置。

（1）對于直埋埋地管道，可應用電磁感應法進行探測，確定管道埋設位置，再與管道業主進行溝通交流，在業主方監護下應用開挖樣洞方式確定管道的具體位置。

（2）對于非開挖敷設埋地管道，可應用人工地震波法、磁梯度法、孔中雷達法確定管道埋設位置[5]。

3.2 樁基施工過程中的控制措施

3.2.1 擠土樁打（壓）樁環節控制措施

（1）對于擠土樁以及機械設備，均應當設置在埋地管道保護范圍以外。

（2）開展預鉆孔，據此抵消部分樁的擠土量，在成孔后打樁，盡量減小對周圍土體所造成的擾動力影響。

（3）帷幕保護措施，即在樁和管道之間，可進行隔離帷幕施工，即可有效隔離在打樁過程中所造成的土體位移。

（4）嚴格控制施工工藝，包括合理設計沉樁施工順序，加強沉樁速度控制等。

3.2.2 非擠土樁施工環節控制措施

（1）對于施工現場機械設備，應當規劃在遠離埋地管道的位置。

（2）在鉆孔施工前，應當組織測量人員根據坐標點進行測量放樣，再組織專職檢測人員對鉆孔位進行核查，在核查無誤后即可進行鉆孔施工。另外，在鉆孔過程中，現場技術人員應當對鉆孔位置、鉆桿垂直度以及傾斜度進行檢測調控。

（3）在鉆進過程中，當鉆進深度與埋地管道之間的垂直距離在3m左右時，即可適當放緩鉆進速度，同時，還需對鉆孔位置、鉆桿垂直度以及傾斜度進行檢測調控。

（4）在編制施工方案前，首先對施工場地地質條件進行勘查，據此對施工方案進行優化調整，降低塌孔發生率。

（5）如果施工場地為不良地層，容易發生塌孔、縮孔等問題，則在鉆孔過程中，在鉆孔面和埋地管道之間，可應用鋼護筒進行隔離，避免在鉆孔過程中發生塌孔事故[6]。

4 樁基施工對埋地管道影響及控制實例分析

4.1 工程概況

本文選擇某高速公路項目作為研究對象，施工段為K35+280段，在新建橋梁工程施工中，樁基施工區域與埋地管道之間的距離約為2m，如果防護管理不當，則可能會造成埋地管道發生位移或者破裂。在樁基施工前，首先對施工場地地質條件進行勘查，土層分布情況如圖1所示，地質地貌均比較簡單，巖土是由黏土以及粉土所組成的。通過對巖土參數、樁基以及埋地管道參數進行檢測，所得結果見表1和表2。另外，埋地管道鋼材的屈服強度為220MPa。

圖1 土層分布情況

表1 巖土參數

表2 樁基及埋地管道參數

4.2 計算模型

4.2.1 有限元模型

在本次計算模型創建中，選用有限元方法。首先，以該橋梁工程以及埋地管道的各項參數作為依據，采用Solidworks軟件創建三維幾何模型；其次，將已創建完成的幾何模型導入Ansys軟件中進行分析，對樁基施工過程中對埋地管道所產生的影響進行模擬分析，樁基和周圍土體結構的三維幾何模型如圖2所示。

圖2 三維幾何模型

在本次模型分析中，有限元模型的網格劃分情況如圖3所示。另外，對樁身、1-2-3a層土體以及埋地管道均進行網格加密處理，埋地管道網格劃分情況如圖4所示。本次研究中所創建的有限元模型為Solid45型，模型總網格數為732602個，節點數為442648個。

圖3 模型網格劃分

圖4 埋地管道網格劃分

為了能夠對樁基施工現場實際情況進行模擬分析，對于模型底面以及側面，均施加無摩擦約束，保證其能夠沿縱向膨脹并發生變形；在不同土層、管道以及土體之間可應用摩擦約束，同時，對于樁基頂部可施加荷載，對橋梁工程上部結構作用進行模擬。在對有限元模型計算時，可應用兩種計算方式，包括拉格朗日以及高斯法。

4.2.2 工況設置

在本次研究中，將樁基和埋地管道之間的距離、埋地管道壁厚、樁基深度、埋地管道的埋深作為關鍵變量，工況設置情況如下：

（1）該施工場地周邊埋地管道的壁厚為10mm，埋深為3m。在樁基施工中，當樁基深度達到30m時，對于樁基與埋地管道之間的距離，可設置為8種工況，包括0.5m、lm、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m以及4m。

（2）當樁基和埋地管道之間的距離為2m，管道埋深為3m，同時，樁基深度達到30m時，對于埋地管道壁厚，可設置為5種工況，包括6mm、7mm、8mm、9mm以及10mm。

（3）當樁基和埋地管道之間的距離為2m，樁基深度為30m，管道壁厚為10mm時，對于埋地管道埋深，可設置為5種工況，包括1.8m、2.4m、3m、3.6m以及4.2m。

（4）當樁基和埋地管道之間的距離為2m，管道壁厚為10mm，管道埋深為3m時，對于埋地管道埋深，可設置為7種工況，包括30m、35m、40m、45m、50m、55m以及60m。

4.3 安全性影響因素分析

4.3.1 橋梁樁基與管道距離的影響

當樁基和埋地管道之間的距離發生變化時，埋地管道最大應力以及最大沉降量的變化形式如圖5所示。由圖5可以看出，當二者之間的距離比較大時，埋地管道的最大應力以及沉降量均會逐漸降低，同時，降低趨勢逐漸放緩。當樁基和埋地管道之間的距離達到0.5m時，埋地管道的最大應力為583.18MPa，而當二者之間的距離為4m時，埋地管道的最大應力為28.64MPa；當二者之間的距離為0.5m時，埋地管道的最大沉降量為36.426mm，當二者之間的距離為4m時，埋地管道的最大沉降量為4.869mm；當二者之間的距離在2.03m以內時，埋地管道的最大應力即可超過管道鋼材的屈服強度。

圖5 樁基與管道距離對管道受力和沉降影響

4.3.2 管道壁厚的影響

當埋地管道的壁厚發生變化時，埋地管道最大應力和最大沉降量的變化情況如圖6所示。由圖6可以看出，當埋地管道的壁厚為8mm時，最大應力為322.84MPa，而最大沉降量為7.07mm；當埋地管道的壁厚為10mm時，最大應力為223.21MPa，最大沉降量為4.23mm。如果管道壁厚持續增加，則管道最大應力以及沉降量的下降趨勢將逐漸放緩。當管道壁厚在9.95mm以內時，管道最大應力即可超過管道鋼材的屈服強度。

圖6 管道壁厚對管道受力和沉降影響

4.3.3 管道埋深的影響

當埋地管道埋深發生變化時，埋地管道最大應力和最大沉降量的變化情況如圖7所示。由圖7可以看出，當埋地管道的埋深達到1.8m時，管道最大應力為340.91MPa，而最大沉降量為16.312mm；當埋地管道的埋深達到4.2m時，管道最大應力為147.29MPa，而最大沉降量為4.028mm。如果管道埋深持續增加，則管道最大應力以及沉降量的下降趨勢將逐漸放緩。當管道埋深在3.05m以內時，埋地管道的最大應力將超過管道鋼材的屈服強度。

圖7 管道埋深對管道受力和沉降影響

4.3.4 樁基深度的影響

當樁基深度發生變化時，埋地管道最大應力和最大沉降量的變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，當樁基深度不斷增加時，管道最大應力和沉降量均會持續增加。當樁基深度達到30m時，管道的最大應力為219.93MPa，而最大沉降量為6.984mm；當樁基深度達到60m時，管道的最大應力為648.25MPa，而最大沉降量為41.254mm。當樁基深度不斷增加時，管道最大應力以及沉降量將繼續增加。當樁基深度達到31.08m以上時，埋地管道的最大應力將超過管道鋼材的屈服強度。

圖8 樁基深度對管道受力和沉降影響

5 結語

綜上所述，本文選擇某橋梁樁基施工作為研究對象，創建有限元模型，對樁基施工對埋地管道所產生的影響進行探究。根據本次研究，當樁基和埋地管道之間的距離大、管道壁厚大、管道埋深大時，埋地管道的應力以及沉降量均比較小，而當樁基深度持續增加時，埋地管道的應力以及沉降量均會顯著增加。為避免對埋地管道造成不良影響，在樁基施工中，應當將樁基與埋地管道之間的距離控制在2.03m以上，將樁基深度控制在31.08m以內，將管道壁厚控制在9.95mm以上，同時要求管道埋深大于3.05m。