高频免共振钢管桩在城市高架桥桩基中的应用探讨

高频免共振钢管桩在城市高架桥桩基中的应用探讨

谭兆辉

上海公路桥梁（集团）有限公司 上海市 201906

摘要：在国家环保政策的推动下，公路桥梁建设中的绿色建筑思想与方法得到了有效普及。特别是在城市地区的桥梁建设中，如何降低对周围环境和居民的影响，变得非常重要。在此基础上，本项目拟采用高频率免共振下的钢管桩沉桩新技术，为我国道路和桥梁的绿色化建设奠定基础。

关键词：城市桥梁；钢管桩；免共振

引言：为了获得更好的环境保护效果，城市基础建设部门在建设绿色城市的过程中，提出了“绿色”的“免共振沉桩”新思路，即采用“免共振沉桩”新方法，取代了传统的“钻孔灌注桩”或“预制 PHC管桩”等方法，降低了施工项目现场噪声、泥浆排放量、混凝土浇筑量，同时强化了周边建（构）筑物的防护。

1施工工艺原理

偏心块通过高度旋转能够产生激振力，产生的激振力会直接作用在夹具上，而此时，夹具又会将激振力传递给桩基，桩机就可以借助激振力进行高速振动，高速振动会使得钢管桩周围的土壤颗粒发生液化反应，进而无法对临近的钢管桩产生较大的摩擦阻力，桩身就会完成有效沉降，这便是振动锤的工作原理。但是，由于在起动和停机时，振动锤的频率必然会经过土体的共振频率值，因此，在施工中难以避免共振。即，振动锤在实施施工操作时，将发生二次共振。高频免共振锤体之所以能达到免共振目的，是因为它具有两个特点：一个是可变的偏心力矩，另一个是高频。另外，高频免共振锤还配备了一种调整机构，这种机构可以通过调整偏心质量来调整偏心力矩。另一方面，由于两个对象的振动频率相同，所以会产生共振。为此，为解决振动台与土体的共振问题，并确保桩的正常施工和承载力，要求振动台的工作速度高于土体的自振频率，以防止振动台与土体发生共振。

2新型设备工艺原理及特点

针对目前的情况，传统的打桩技术已难以满足现行的绿色建筑规范需求，研究一种新的、绿色的打桩技术具有十分重要的意义。本文重点阐述了在上海北横通道上采用的高频率免共振沉桩技术，该技术既快速又不会对周围环境造成太大的影响，特别适合在市中心地区进行施工。

2.1主要设备原理

高频免共振钢管桩采用的是一种在施工过程中使用的无需共振的振动锤。它采用了一种特殊的结构形式，即利用一个特制的振动锤作为激振机。这类振动锤与普通振动锤最大的区别在于，设备启动和停机时振动频次会大幅缩减，起动时，切断振动锤的偏心力矩，一旦振动锤的振动频次达到其工作频率的标准要求时，偏心力矩便会开启。同时还能将激振产生的能量通过一个专门设计的阻尼系统加以吸收。如此一来，便可避免土体固有的振动频率所导致的任何共振现象。该振动锤用一个特殊结构组成，其中包括一压电陶瓷驱动器以及连接两个压电陶瓷驱动器的弹簧。其振幅可任意调节0至100%，保证其最大振幅及峰值振速为0至100%。另外，通过改变激振器中弹簧刚度的大小来控制振幅的变化范围。即便是微小的幅度，也足以保证噪音的最小化。

2.2场地处理

桩基施工之前，首先对场地进行处理，利用挖掘机来回碾压，以保证地面强度达到设备工作的要求，然后在打桩时，放置钢板，以保证设备的稳定，然后，相应的设备和钢管桩才能进场到位。

2.3垂直度控制

在传统的钢管桩施工中，通常使用履带吊车与振动锤相结合的方式，利用经纬仪及地下设备对钢管桩的垂直度进行控制，无刚性支撑的结果就是成桩垂直度可能面临无法满足要求情况。为了让垂直度符合要求，免共振振动锤可配合使用配套桩架，以起到纠正垂直度的作用，目前，常用的桩架有l60PR、SPR558等，如图1所示。

同时，如果现场条件许可，还可以采用与之匹配的导轨支架来调节钢管桩的垂直度（图2）。

                 图1                               图2

2.4喂桩

免共振振动锤喂桩基础是利用模块化液压起吊设备安装于振动锤之上，利用链条使桩基础由水平施工位置上升至垂直施工位置的自动提桩装置,再将其提升并插入夹具系统中的设定位置，从而实现了高效、精准的桩身升降。它采用了一种特殊的结构形式，即利用一个特制的振动锤作为激振机。该设备可显著缩短起桩和对桩的时间，从而提升施工现场的安全性水平。

2.5振动沉桩

第1节木桩在下落时，必须使木桩的头部与地面上的木桩位置一致，并用两根经纬仪进行90°的横向切割。在能够看到整个桩身的位置上，观察桩身的垂直度。在垂直度控制方面有两点需特别注意：首先，是对桩机机身垂直度进行调整，促使桩机机身的垂直度更高，符合施工要求。而后，还需要配合使用经纬仪对桩身的垂直度进行检测，如果发现桩身的垂直度不符合要求，则需要进行校准。垂直度误差则应控制在0.5%以下。由于第一节垂直度误差要求较高，所以需要使用桩机不断调整，直至符合要求。

对第1节桩的沉桩质量要进行严格的控制，对沉桩时的桩身变化要进行仔细观察，如果出现了偏差或者倾斜，要马上对其进行分析，并采取相应的对策予以解决：在桩身变形过大或者有显著的走动的时候，要将其拔出，并且要对其进行重新测设，重新插桩。

3工艺优势

3.1环境效益

传统的打孔桩法会带来大量的废渣和粉尘，例如上海北横隧道有1700多个桩基，如果全部使用打孔桩法，每天会产生150000米的废渣，废渣的总量巨大，如果将其量化，甚至可以直接将上百个游泳池填满。此外，还需要注意的一点是，PHC管桩锤击施工产生的噪音较大，因为其中的操作除了敲击土体，还包括挤土、振动等。而采用高频率免共振技术的钢管桩，可以很好地解决上述问题。

3.2社会效益

钢管桩的高频免共振技术在施工方面具有卓越的优势，其施工速度惊人，每日可完成8根，同时不需要采用夜间施工方式保证施工效率，而不需要夜间施工，就可以将夜间施工中的噪声与光污染降至最大。

从资源的角度来看，钢管桩不需要浇注混凝土，可以极大地节省混凝土的用量，例如上海北横隧道，就可以节省五万方的混凝土，从而极大地降低了因混凝土生产而产生的废料、废水、粉尘等污染。同时，由于钢管桩是快速预制、快速组装的重要组成部分，极大地提高了该桥的总体施工进度。

3.3经济效益

钢管桩是一种新型的技术，尽管它的施工安装费用很高，但是它的整体费用并不高于常规的钻孔灌注桩，因为它节省了大量的混凝土和其他材料。此外，同等桩长条件下，钢管桩的单桩承载能力也要比普通钻孔桩高得多，例如上海北横隧道，如果使用普通钻孔桩，大约需要1700个桩基，而使用钢管桩仅需l500个就能实现。所以，尽管钢管桩的单桩造价比钻孔灌注桩要高出15-20%，但其使用范围以及应用率并不比钻孔灌注桩低。随着我国推行绿色建筑，钢结构在我国的广泛应用，钢管桩在我国的应用也将越来越多。

结语：高频率面共振压装技术的有效应用，不仅可以将施工噪音降至最低标准范围内，同时作为一种绿色施工新方法，在城市道路或桥梁等基础工程建设应用过程中还能够给环境提供较好的保护，故值得大范围的使用与推广。

参考文献：

[1]张娟.高频免共振液压振动沉桩钢管桩承载力研究[J].土工基础,2021,35(05):616-620.

[2]施耀锋.紧邻地铁隧道高频免共振液压锤沉桩施工技术[J].建筑科技,2018,2(02):30-33.

[3]徐军彪.钢管桩高频免共振沉桩在桥基施工中的应用[J].建筑施工,2017,39(07):1074-1076.