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敏感海域大直径钢管沉桩施工环保措施研究

文档作者：谭　昱，陈儒发，谭逸波文档来源：广东省长大公路工程有限公司		点击数：	更新时间： 2025年09月25日
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２０１４ 年６ 月上
第４３ 卷　第１１ 期
施　工　技　术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 　４５
ＤＯＩ：１０􀆰 ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１４１１００４５
敏感海域大直径钢管沉桩施工环保措施研究∗
谭　昱，陈儒发，谭逸波
（广东省长大公路工程有限公司，广东　广州　５１０６２０）
［摘要］ 为减弱海洋工程桩基础施工对海域环境造成的不良影响，开展大直径深长桩基础钢管沉桩施工的环境敏
感性研究，本试验设计特制的减噪装置为气幕发生器，以研究沉桩过程中气泡帷幕的减噪效果；同时，对比分析了
不同沉桩形成对环境影响的强弱。结果表明：钢管沉桩时开启气幕发生器，噪声峰值声压衰减量可达２４％ ～７４％；
撞击沉桩产生的噪声峰值声压明显大于振动沉桩所产生的噪声峰值声压，撞击沉桩噪声在一定的频带范围内有较
高的能量分布。
［关键词］ 桥梁工程；桩；钢管沉桩；气幕发生器；峰值声压；试验
［中图分类号］ Ｕ４４５􀆰 ５５１ ［文献标识码］ Ａ　　　　［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１４）１１⁃００４５⁃０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ
Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｐｉｌｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｓｅａ Ａｒｅａｓ
Ｔａｎ Ｙｕ， Ｃｈｅｎ Ｒｕｆａ， Ｔａｎ Ｙｉｂｏ
（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｃｈａｎｇｄａ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６２０， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｗｅａｋｅｎ ｔｈｅ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ
ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ
ｆｏｒ ｌａｒｇｅ⁃ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｄｅｅｐ⁃ｌｏｎｇ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ， ｔｈａｔ ｉｓ ａｉｒ ｃｕｒｔａｉｎ
ｇｅｎｅｒａｔｏｒ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ
ｃｕｒｔａｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ； ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ， ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ
ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ
ｐｅａｋ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｐ ｔｏ ２４％ ｔｏ ７４％ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｕｒｔａｉｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｔｕｒｎｅｄ ｏｎ． Ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｐｅａｋ
ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｉｍｐａｃｔ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｂｙ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ． Ｔｈｅ
ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｒｉｄｇｅｓ； ｐｉｌｅｓ； ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ； ａｉｒ ｃｕｒｔａｉｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ； ｐｅａｋ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｌｅｖｅｌ； ｔｅｓｔｉｎｇ
∗ 广东省交通运输厅科技项目（科技⁃２０１３⁃０２⁃０３８） ［作者简介］ 谭　昱，硕士研究生，助理工程师，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔａｎｙｕ２０５＠
１６３． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１３⁃０４⁃０７
０　引言
本文依托某跨海桥梁沉桩施工进行现场试验，
该工程地处白海豚保护区，环境要素多，拟通过设
置有、无气幕发生器两种工况，对比分析不同钢管
沉桩形式下施工过程中所产生的噪声测试结果，分
别研究振动锤及液压锤插打钢管时所产生的噪声
大小及其强度衰减规律，评估其对海洋生物的影
响；通过试验检测验证、评价气幕发生器装置的减
噪效果。
１　减噪装置原理及设计
减噪装置的工作原理为在被插打钢管外围设
置自行设计的“气幕发生器”以形成水中气幕来消
减钢管插打时引起的水中激波能量，减小其传播范
围。气幕发生器有效结构尺寸为３ｍ × ３ｍ × ５􀆰 ０５ｍ
长方体；３ 层结构，层高１􀆰 ６ｍ，底座由３􀆰 ３２ｍ × ３ｍ
双拼Ｉ２５ａ 焊接而成；每层骨架由［１０ 焊接而成；外
框架由４ 根长５􀆰 ３ｍ 的［１０ 组成；每根外框架［１０
的最上面开直径为３ｃｍ 圆孔作为吊环，用于起吊气
幕发生器；其框架结构如图１ 所示。
在气幕发生器骨架内布置一条直径为３􀆰 ８ｃｍ
的钢丝高压胶管，胶管水平方向上每５ｃｍ 开２ 个直
径为３ｍｍ 的气孔，上、下层气孔位置错开布置。用
铁丝将高压胶管绑扎在骨架的各竖杆、斜杆上。打
　４６ 施工技术 第４３ 卷
图１　气幕发生器框架结构（单位：ｃｍ）
Ｆｉｇ． １　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ
ｃｕｒｔａｉｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）
桩时通过外接空压机往胶管内压入高压空气，气体
从胶管所开气孔中流出，形成气幕，来抑制打桩时
水中所产生的激波影响，钢丝高压胶管布置如图２
所示。
图２　钢丝高压胶管布置（单位：ｃｍ）
Ｆｉｇ． ２　Ｔｈｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｅｅｌ
ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈｏｓｅ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）
此外，在气幕发生器底座位置设置胶管通过
“风包装置”与外接空压机相连以加大气管的进气
气压，保证气管的进气量，使气管产生能满足减噪
要求的高质量气泡。风包装置采用直径为１４ｃｍ、壁
厚为８ｍｍ 的钢管制作而成；风包装置一端开孔接空
压机，另一端开４２ｍｍ 双孔通过阀门接气幕发生器
的高压钢丝胶管。其构造如图３ 所示，气幕发生器
底座进气管进气口位置如图４ 所示。
试验发现，空压机选型对气幕发生器减噪效果
图３　风包装置构造
Ｆｉｇ． ３　Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｂａｇ ｄｅｖｉｃｅ
图４　进气管进气口位置（单位：ｃｍ）
Ｆｉｇ． ４　Ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔａｋｅ
ｐｉｐｅ ｉｎｌｅｔ ｐｏｒｔ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）
尤为关键，本试验设计的气幕发生器须选用≥６ｍ３
的空压机方可形成足量气幕以满足减噪要求。
２　试验过程控制
大直径深长桩基础钢管沉桩环境敏感性试验
研究流程如图５ 所示。
图５　环境敏感性试验研究流程
Ｆｉｇ． ５　Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
２􀆰 １　振动锤振动沉桩试验
采用ＶＭＺ⁃９０ 振动锤振沉ϕ８２０ｍｍ，长２４ｍ 的
２０１４ Ｎｏ． １１ 谭　昱等：敏感海域大直径钢管沉桩施工环保措施研究 　４７
钢管。吊装下放钢管桩后，在气幕发生器的顶端４
个吊环处系钢缆绳，使用浮吊吊装气幕发生器，从
钢管桩的顶部缓缓下放直至海床面；启动水中气幕
发生器并产生气幕；用振动锤插打钢管至海床面以
下１０ｍ，钢管插打时引起的水中激波监测采用水中
振动测试仪进行监测；在气幕发生器外设置如图６ａ
所示的５ 个监测点，每处监测点分别在距水面１，２，
３ｍ 处各设置１ 个海洋环境振动测试仪的水听器，监
听钢护筒插打时海洋振动变化的幅度。
按同样的方式，在无气幕情况下插打另一根钢
管至海床面以下１０ｍ；在相同位置布设海洋环境振
动测试仪即“水听器”，监测在无气幕发生器时钢管
插打的海洋振动变化幅度。
图６　水下噪声监测点水听器纵向布置示意（单位：ｍ）
Ｆｉｇ． ６　Ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ
ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｎｏｉｓｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ（ｕｎｉｔ：ｍ）
２􀆰 ２　液压锤撞击沉桩试验
图７　振动沉桩监测数据变化趋势
Ｆｉｇ． ７　Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
采用ＢＳＰＨＨ３０ 液压锤撞击式打桩船击沉
ϕ２ ２００ｍｍ，长为６２ｍ 的复合桩钢管。同２􀆰 １ 步骤监
测沉桩过程水中激波，气幕发生器外设置如图６ｂ 所
示的６ 个监测点，每处监测点分别在距水面１，２􀆰 ５，
４ｍ 处各设置１ 个海洋环境振动测试仪的水听器，监
听钢管插打时海洋振动变化的幅度。
３　结果分析
３􀆰 １　相关声学参数定义
１）声压Ｐ　声压是由于声扰动产生的逾量压
强，是空间位置和时间的函数，单位为Ｐａ；是定量描
述声波最基本的物理量。
２）峰值声压Ｐｍ 　声场中瞬时的声压称为瞬时
声压，在一定时间间隔内最大的瞬时声压为峰值
声压。
３）声压级Ｌｐ 　人耳可以感受到得最弱和最强
的声音，声压数值变化范围可达到１０６ 量级，用对数
标度以突出其数量级的变化更容易分析。另外，人
耳对声音的接收并不正比于强度的绝对值，而更近
于正比其对数值。因此，在声学中普遍使用对数标
度来度量声压，称为声压级，单位为ｄＢ。其定义为：
将待测声压的有效值Ｐｅ 与参考声压Ｐ０ 的比值取以
１０ 为底的常用对数，再乘以２０，即
Ｌｐ ＝ ２０ｌｇＰｅ ／ Ｐ０
　　在水中，参考声压Ｐ０ ＝ １􀆰 ０ × １０ －６ Ｐａ ＝ １μＰａ。
同样，峰值声压的对数标度称为峰值声压级。
３􀆰 ２　振动沉桩与撞击沉桩监测数据变化趋势（见
图７，８）
３􀆰 ３　振动沉桩与撞击沉桩监测数据分析
１）气泡帷幕对振动沉桩噪声峰值声压衰减
效果
从图７ 可以看出，振动打桩产生的噪声峰值声
压和采用气泡帷幕防护时振动打桩产生的噪声峰
值声压均随着传输距离的增加而逐渐减小。本次
液压式振动打桩试验采用气泡帷幕以衰减水中噪
声峰值声压的效果较为明显，从实测数据可见：监
测距离３􀆰 ５ ～ １０２􀆰 ６ｍ，水下２ｍ 处振动打桩噪声峰
值声压衰减量为２４％ ～ ７４％。以水下２ｍ 为例，采
用气泡帷幕防护时振动打桩噪声峰值声压衰减量
随距离变化关系如表１ 所示。
２）气泡帷幕对撞击打桩噪声峰值声压衰减
效果
从图８ 可以看出，撞击沉桩产生的噪声峰值声
压和采用气泡帷幕防护时撞击沉桩产生的噪声峰
值声压随着传输距离的增加而逐渐减小。
由于监测时海洋背景噪声较大，在３８５ｍ 监测
点和４９８ｍ 监测点，采用气泡帷幕防护时撞击打桩
　４８ 施工技术 第４３ 卷
　　　
图８　撞击沉桩监测数据变化趋势
Ｆｉｇ． ８　Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｐｉｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｙ ｉｍｐａｃｔ
表１　水下２ｍ 处振动打桩噪声峰值声压比较
Ｔａｂｌｅ １　Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｅａｋ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｐｉｌｅ
ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｔ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ２ ｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
距离／ ｍ 打桩峰值
声压／ Ｐａ
气泡帷幕打桩
峰值声压／ Ｐａ 衰减量／ ％
３􀆰 ５ １ １９０􀆰 ０ ３４２􀆰 ００ ７３
２６􀆰 ３ — ６７􀆰 ４０ —
４６􀆰 ９ １２６􀆰 ０ ６４􀆰 ６０ ４９
８８􀆰 ２ ４５􀆰 ２ １１􀆰 ６０ ７４
１０２􀆰 ６ １１􀆰 ４ ８􀆰 ６８ ２４
产生的周期性噪声信号淹没在背景噪声中，无法分
辨。在８５２ｍ 监测点，撞击打桩产生的周期性噪声
也无法分辨，故图中未标识。即在该情景下，撞击
沉桩产生的水中噪声峰值声压接近或小于海洋背
景噪声（包括船舶自噪声）峰值声压。本次撞击沉
桩试验采用气泡帷幕以衰减水中噪声峰值声压的
效果较为明显：监测距离６５ ～ １８９ｍ，水下４ｍ 撞击
打桩噪声峰值声压衰减量为１１％ ～ ５０％。以水下
４ｍ 为例，采用气泡帷幕防护时撞击打桩噪声峰值声
压衰减量随距离变化关系如表２ 所示。
表２　水下４ｍ 处撞击打桩噪声峰值声压比较
Ｔａｂｌｅ ２　Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｅａｋ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｐｉｌｅ
ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｙ ｉｍｐａｃｔ ａｔ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ４ ｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
距离／ ｍ 打桩峰值
声压／ Ｐａ
气泡帷幕打桩
峰值声压／ Ｐａ 衰减量／ ％
６５ １ １８０ １ ０５０ １１
１１８ ６７８ ３５８ ４７
１８９ ２８８ １４５ ５０
３８５ ２１７ — —
４９８ １９５ — —
８５２ — — —
４　结语
１）采用气幕发生器相对于不采用气幕发生器
时的噪声峰值声压衰减量可达２４％ ～７４％。
　　２）撞击沉桩产生的噪声峰值声压明显大于振
动沉桩所产生的噪声峰值声压，撞击沉桩噪声在一
定的频带范围内有较高的能量分布。从减少噪声
对海洋环境影响的角度而言，采用振动沉桩形式优
于撞击沉桩形式。
３）采用振动沉桩，距离１０２􀆰 ６ｍ、水下３ｍ 处，所
产生的水下噪声峰值声压为１４Ｐａ，而采用气泡帷幕
防护时，在距离８８􀆰 ２ｍ 处，振动打桩噪声的峰值声
压为１２􀆰 ５Ｐａ，二者皆远小于“可能有少数鱼类受伤”
的水中冲击波压力值（２􀆰 ０ ×１０５Ｐａ）和人体开始“发
生致命危险”的水中冲击波压力值（２􀆰 ４ × １０５ Ｐａ）。
故本次振动沉桩试验产生的水中噪声冲击波对
１００ｍ 以外、采用气泡帷幕防护时对９０ｍ 以外水域
中的人和鱼类所产生的影响很小。
４）采用撞击沉桩，距离５００ｍ、水下４ｍ 处，撞击
沉桩产生的水下噪声峰值声压为１９５Ｐａ，而采用气
泡帷幕防护时，在距离１８９ｍ 处，撞击打桩噪声的峰
值声压为１４５Ｐａ，二者皆远小于“可能有少数鱼类受
伤”的水中冲击波压力值（２􀆰 ０ ×１０５Ｐａ）和人体开始
“发生致命危险” 的水中冲击波压力值（２􀆰 ４ ×
１０５Ｐａ）。故本次液压式撞击沉桩产生的水中噪声冲
击波对５００ｍ 以外、采用气泡帷幕防护时对１８９ｍ 以
外水域中的人和鱼类所产生的影响较小。
参考文献：
［ １ ］　杨光煦． 水下工程爆破［Ｍ］． 北京：海洋出版社，１９９２．
［ ２ ］　广东省长大公路工程有限公司联合体． 港珠澳大桥主体工程
桥梁试桩工程施工及试验研究［Ｒ］． ２０１１．
［ ３ ］　苏欣， 许肖梅． 厦门海域水下爆破中的冲击波监测与分析
［Ｊ］． 厦门大学学报：自然科学版， ２００７（Ｓ１）：２５⁃２７，８８．
［ ４ ］　王文辉， 刘华， 唐世来． 水下爆破冲击波影响的控制与防护
［Ｃ］ ／ ／ 第七届全国工程爆破学术会议论文集． ２００１．
［ ５ ］　陶明． 水下钻孔爆破水击波衰减规律的研究［Ｄ］． 武汉：武
汉理工大学， ２００９．
［ ６ ］　莫海鸿，杨小平． 基础工程（２ 版）［Ｍ］． 北京：中国建筑工业
出版社，２００８．

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