陳 平 王軍成 王振宇

(1.南京市公共工程建設(shè)中心 南京 210019; 2.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院 南京 210008)

1 工程背景

南京五橋采用橋跨布置為80 m+218 m+2×600 m+218 m+80 m的3塔組合梁斜拉橋方案，其中南塔主墩位于梅子洲左汊南岸側(cè)，南側(cè)承臺(tái)邊緣距離大堤約150 m，外側(cè)恰好為深水陡坡，因此，為防止岸坡坍塌，該區(qū)域長(zhǎng)期開展拋石防護(hù)工程。《南京五橋南岸拋石物探勘察報(bào)告》顯示該區(qū)域拋石基本呈厚度不等的層狀分布，部分區(qū)域拋石堆積成錐狀，堆積厚度較大，拋石厚度達(dá)0.4～4.8 m，平均厚度在2 m左右。典型拋石層分布見圖1。

圖1 典型拋石分布圖

施做南塔基礎(chǔ)鉆孔灌注樁需先進(jìn)行鋼護(hù)筒施工，鋼護(hù)筒若在拋石區(qū)上打設(shè)定位十分困難，極易發(fā)生移位，導(dǎo)致樁基偏位；鋼護(hù)筒穿過拋石層時(shí)容易發(fā)生卷邊，導(dǎo)致鉆機(jī)無法鉆進(jìn)，因此，對(duì)南塔工程區(qū)拋石進(jìn)行清理，才能安全順利地進(jìn)行鋼護(hù)筒施工作業(yè)。但工程區(qū)拋石是維護(hù)梅子洲南岸岸坡穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，拋石進(jìn)行清理后，該區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生沖刷，影響南岸岸坡穩(wěn)定，需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行必要防護(hù)[1]，并且防護(hù)措施不能影響鋼護(hù)筒的施工。

2 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 水下拋石清理范圍

設(shè)計(jì)南塔承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸為順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度40.2 m、寬度29.6 m、厚8 m，承臺(tái)含封底混凝土厚度共10.5 m；基礎(chǔ)為24根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁?？紤]到施工時(shí)所需空間，清理范圍按承臺(tái)平面尺寸外擴(kuò)不應(yīng)小于10 m進(jìn)行考慮，邊坡坡率大于1∶2，平面凈尺寸為65 m(順?biāo)鞣较?×50 m(垂直水流方向)，總尺寸大于74 m×64 m，面積大于4 736 m2。

2.2 標(biāo)高控制

由于南塔承臺(tái)設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-4 m，封底層底標(biāo)高為-6.5 m，考慮到鋼套箱底板厚1.5 m，故承臺(tái)范圍永久拋石防護(hù)頂標(biāo)高應(yīng)控制不超過-8.0 m。在拋石清理過程中對(duì)局部高程較高的區(qū)域進(jìn)行挖深，按保證袋裝碎石置換厚度不小于0.5 m(單層)及以后的永久拋石防護(hù)厚度不小于2.0 m控制，確定拋石清理底面高程不高于-11.0 m。

2.3 清理工程量

根據(jù)物探等值線圖計(jì)算清理拋石工程量，考慮施工區(qū)域位于長(zhǎng)江，水深、流速大，范圍外拋石容易進(jìn)入清理區(qū)域，重復(fù)清理的可能性較大，按計(jì)算值的1.5倍測(cè)算。同時(shí)，根據(jù)水下地形線，計(jì)算超深0.4 m、超寬1.5 m，局部高程較高區(qū)域挖深等額外測(cè)算相應(yīng)工程量。

2.4 袋裝碎石臨時(shí)防護(hù)材料要求

袋體材料為300 g/m2的編織復(fù)合布(150 g/m2的丙綸編織布和150 g/m2滌綸無紡布)。單只袋體容積約1.3 m3，袋體平面呈正方形，單袋厚度在0.5 m左右。碎石天然容重不得小于1.80 t/m3。級(jí)配石碎石粒徑一般為2～6 cm，不允許出現(xiàn)粒徑大于8 cm的碎石。

3 拋石清理控制分析

利用枯水期進(jìn)行拋石清理施工，采用開體駁船及拖船配合4 m3抓斗挖泥船進(jìn)行，施工時(shí)采用GPS定出清理范圍，在水位不高于4.5 m或江水表面流速不大于2.5 m/s時(shí)進(jìn)行施工，拋石清理時(shí)水深應(yīng)小于15 m。施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→測(cè)量系統(tǒng)定位→抓斗船拋錨定位→斗抓拋石→拋石棄置運(yùn)輸船→抓斗船橫、縱移動(dòng)→清理自檢→物探檢測(cè)分析→二次清理→二次物探檢測(cè)分析→GPS定點(diǎn)清除→高程測(cè)量→完成。

3.1 建立測(cè)量控制網(wǎng)

1) 建立GPS基準(zhǔn)站和GPS測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)坐標(biāo)系，抓斗挖泥船定位采用自身GPS系統(tǒng)與測(cè)量GPS相結(jié)合進(jìn)行總體平面測(cè)量控制。

2) 建立清理平面網(wǎng)格。抓斗船采用從上游向下游方向依次進(jìn)行的順序進(jìn)行清理，根據(jù)抓斗容量將清理區(qū)域分為小網(wǎng)格狀，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)，小網(wǎng)格順?biāo)?0 m，垂直于水流方向也為10 m，每個(gè)網(wǎng)格平均抓斗85次(按每次抓4 m3計(jì)算)。

3.2 拋石清理成效分析

1) 拋石清理自檢。按網(wǎng)格施工清理，抓斗內(nèi)主要為泥沙后，進(jìn)行下一網(wǎng)格的工作，直到全部完成?？紤]到抓取時(shí)，附近拋石會(huì)在水下發(fā)生移動(dòng)，已經(jīng)清理區(qū)域不可避免會(huì)再次出現(xiàn)拋石。需對(duì)所有區(qū)域再次按網(wǎng)格進(jìn)行全面梳理，直到重復(fù)來回抓取后主要為泥沙為止。

2) 側(cè)掃聲吶和淺地層剖面探測(cè)。拋石清理自檢后，采用側(cè)掃聲吶[2]和淺地層剖面[3]2種物探方法相互印證，提高剩余拋石分布推斷的合理性及準(zhǔn)確性。

①側(cè)掃聲吶基本原理。工作中波束平面垂直于航行方向，沿航線方向束寬很窄,開角一般小于2°,以保證有較高分辨率；垂直于航線方向的束寬較寬，開角為20°～60°，以保證一定的掃描寬度。工作時(shí)發(fā)射出的聲波投射在水底的區(qū)域呈長(zhǎng)條形，換能器陣接收來自照射區(qū)各點(diǎn)的反向散射信號(hào)，經(jīng)放大、處理和記錄，在記錄條紙上顯示出水底的圖像?；夭ㄐ盘?hào)較強(qiáng)的目標(biāo)圖像較黑，聲波照射不到的影區(qū)圖像色調(diào)很淡，根據(jù)影區(qū)的長(zhǎng)度可以估算目標(biāo)的高度。側(cè)掃聲吶主要用于圈定未被淤泥覆蓋的拋石范圍。

經(jīng)實(shí)測(cè)，側(cè)掃聲吶影像圖中拋石大體呈現(xiàn)出成群的暗斑狀特征，淤泥或者砂層則呈現(xiàn)均勻光滑的影像特征。側(cè)掃聲吶影像見圖2。

圖2 側(cè)掃聲吶影像圖

由圖2可見，原物探反映的厚度不等、層狀分布的塊石堆已清除，僅有4處尚有異常，其中承臺(tái)范圍內(nèi)最大的1號(hào)異常區(qū)存有顏色較深的成片暗斑狀，推斷局部拋石出露，厚度可能稍大；2，3和4號(hào)異常，影像圖顯示顏色稍深，基本推斷表層存有拋石并大部分被泥沙覆蓋，厚度較薄。但水底地形較復(fù)雜，受各方面因素影響，向坡回波信號(hào)較強(qiáng)也會(huì)引起影像圖局部區(qū)域呈現(xiàn)暗斑，存在一定的誤差。

②淺地層剖面探測(cè)基本原理。采用聲波發(fā)射器垂直向水底重復(fù)發(fā)射大功率高頻脈沖聲波，聲波遇到水底及其下面的存在波阻抗差異界面時(shí)產(chǎn)生反射波。通過儀器采集反射波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大和濾波等處理后，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)描繪出反射剖面結(jié)構(gòu)圖。由于反射界面的深度不同，反射信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)間也不同；而地層介質(zhì)波阻抗差別大小則決定了反射信號(hào)的強(qiáng)弱。依據(jù)反射波的這2個(gè)特性，結(jié)合側(cè)掃聲吶情況，可推斷反射層位的深度及地質(zhì)屬性。淺地層剖面主要用于圈定拋石范圍，推斷拋石厚度。

淺地層剖面探測(cè)在東北向西南方向布置13條測(cè)線，測(cè)線編號(hào)分別為L(zhǎng)5～L17線；西北向東南方向布置3條測(cè)線，分別為L(zhǎng)23、L24和L25線。測(cè)線布置圖及典型影像見圖3和圖4。

圖3 淺地層剖面測(cè)線布置圖

圖4 淺地層剖面拋石典型影像圖

淺地層測(cè)量典型剖面分析成果見圖5。對(duì)照側(cè)掃聲吶和淺地層剖面圖位置，可以看出，L6～L7線推斷異常范圍對(duì)應(yīng)側(cè)掃聲吶4號(hào)異常區(qū)。以L6線為例，位于勘查區(qū)邊界，剖面圖62～68 m范圍水底凸起，局部水底反射界面不清晰，推斷為拋石和淤泥混合散射引起，一般不超過0.5 m。

L8線推斷異常范圍對(duì)應(yīng)側(cè)掃聲吶1號(hào)、3號(hào)異常區(qū)，從側(cè)掃聲吶圖上可以看出，1號(hào)、3號(hào)異常區(qū)的顏色較淺，相應(yīng)位置的淺地層剖面上反射層也較薄，兩者是一致的，預(yù)計(jì)該位置剩余拋石較薄，并與泥沙混雜，一般不超過0.5 m。

L9～L12線推斷異常范圍對(duì)應(yīng)側(cè)掃聲吶1號(hào)異常區(qū)。以L10號(hào)線為例，淺地層剖面影像顯示拋石范圍較大且較厚，但一般不超過1 m，與側(cè)掃聲吶顯示的顏色較深基本一致。

L13～L14線推斷異常范圍對(duì)應(yīng)側(cè)掃聲吶2號(hào)異常區(qū)。以L13號(hào)線為例，淺地層剖面影像顯示拋石位置與側(cè)掃聲吶結(jié)果也基本一致，厚度一般不超過0.5 m。

其余各測(cè)線的異常形態(tài)較為類似，不再一一列出。通過側(cè)掃聲吶和淺地層剖面等2種物探方法，提高了物探推斷解釋的合理性及準(zhǔn)確性。

圖5 淺地層剖面測(cè)量分析圖

3) 拋石復(fù)清要點(diǎn)。根據(jù)物探分析成果，再次進(jìn)行測(cè)量放樣，對(duì)施工區(qū)域范圍尚存的拋石位置復(fù)清。從現(xiàn)場(chǎng)施工來看，物探判斷為異常區(qū)域的大部分位置都發(fā)現(xiàn)確有拋石存在，以拋石和淤泥混合物為主。多次抓取后，拋石特別少并且均較小時(shí)，停止作業(yè)。再次采用側(cè)掃聲吶和淺地層剖面掃描，布置同前次，結(jié)果見圖6。

圖6 第二次側(cè)掃影像圖和L10線剖面測(cè)量分析圖

由圖6可見，對(duì)比第一次側(cè)掃聲吶結(jié)果，探測(cè)區(qū)內(nèi)顏色已經(jīng)較均勻，連成片的拋石異常已經(jīng)消失，尤其是1號(hào)異常區(qū)暗斑不再成片，呈現(xiàn)零星分布，推斷為局部零星拋石異常。

淺地層剖面各測(cè)線的形態(tài)較為類似，水底反射界面總體清晰連續(xù)，局部模糊不清，推斷為零星拋石與淤泥散射的反映。選取前次探測(cè)時(shí)拋石較厚的L10線剖面來看，可以看出整條測(cè)線范圍都比較平滑，無異常，與側(cè)掃聲吶影像相應(yīng)位置顯示的情況也基本一致。

同時(shí)，由于拋石的清理置換是為完成樁基鋼護(hù)筒的施工，因此，核心重點(diǎn)是鋼護(hù)筒所在位置，為確保主體工程的順利開展，通過GPS定位對(duì)鋼護(hù)筒所在位置再進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢查抓取，完成最后一道作業(yè)。由于鋼護(hù)筒之間存在一定間距，即使尚有少量拋石的影響，也基本可以忽略不計(jì)。

后期鋼護(hù)筒打設(shè)和鉆孔灌注樁實(shí)際施工檢驗(yàn)，均順利完成，效果良好。

4) 高程測(cè)量結(jié)果。對(duì)拋石置換區(qū)域拋石清理前后水下高程進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量成果顯示，因多次來回清理，拋石置換區(qū)域平均已挖至-12.45 m高程面，平均清挖深度3.2 m，滿足設(shè)計(jì)提出的在-11.0 m高程面無拋石的要求，見圖7。

圖7 拋石清理后高程圖

4 袋裝碎石拋投分析

施工流程：布設(shè)控制點(diǎn)→水下地形測(cè)量→拋投小區(qū)劃分→測(cè)量拋點(diǎn)水深、流速，計(jì)算和調(diào)整拋投落距→拋投船拋錨定位→運(yùn)碎石船靠泊→袋裝碎石拋投→移位繼續(xù)拋投(直至該斷面拋完)→斷面測(cè)量→移至下一斷面拋投→竣工測(cè)量[4]。

4.1 單元小區(qū)劃分

根據(jù)水下地形進(jìn)行分析，以拋投船一次拋投袋裝碎石的有效長(zhǎng)度和有效寬度合理劃分拋區(qū)范圍,見圖8。

1.1拋區(qū)1.2拋區(qū)1.3拋區(qū)1.4拋區(qū)……2.1拋區(qū)2.2拋區(qū)2.3拋區(qū)2.4拋區(qū)………………………………

圖8 網(wǎng)格劃分拋投區(qū)格示意圖

4.2 拋投提前量控制

袋裝碎石自水面落入水中，受水流作用，將經(jīng)過一段水平距離后落入江底，自落水點(diǎn)至著底點(diǎn)的水平距離稱拋投落距，落距的大小與流速、水深、袋體大小、碎石密度等因素有關(guān)，難以用公式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，因此，落距主要依靠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，并通過每天水下地形實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)調(diào)整第二天施工所用的袋裝碎石落距。

1) 定點(diǎn)測(cè)量

①袋裝碎石拋投前，先將拋投船移至即將要拋?zhàn)o(hù)的斷面位置，進(jìn)行拋前斷面測(cè)量，比例為1∶200，沿軸線方向測(cè)量橫斷面，測(cè)量點(diǎn)距為1 m，并參照測(cè)量時(shí)水位及時(shí)算出河床斷面標(biāo)高。

②將拋投船上移至拋?zhàn)o(hù)該斷面的位置定位、拋袋裝碎石，該斷面拋投完畢后，再將拋投船移至進(jìn)行拋前測(cè)量的斷面處，進(jìn)行水下河床斷面測(cè)量，要求拋后測(cè)量的點(diǎn)位與拋前測(cè)量的點(diǎn)位重合，測(cè)量成果算出后，確定該斷面的實(shí)際增厚情況。

③定點(diǎn)測(cè)量應(yīng)控制在袋裝碎石有效寬度范圍內(nèi)，如達(dá)不到該要求，則進(jìn)行補(bǔ)拋，并及時(shí)調(diào)整分區(qū)(條)格拋投計(jì)劃和作業(yè)定位位置。

2) 準(zhǔn)確定位，定量拋投。拋投船根據(jù)流速和水位及時(shí)調(diào)整船位是定位準(zhǔn)確的關(guān)鍵，應(yīng)勤測(cè)流速、流向、水深等參數(shù)，計(jì)算調(diào)整好袋裝碎石拋投提前量。

4.3 拋后測(cè)量

拋投結(jié)束后，進(jìn)行拋后測(cè)量以分析是否滿足設(shè)計(jì)要求，如某些施工區(qū)域不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求則需進(jìn)行補(bǔ)拋。

5 結(jié)論

1) 拋石清理及防護(hù)置換考慮放坡及超寬、超深清理和采用2～6 cm粒徑袋裝碎石、單層0.5 m厚的設(shè)計(jì)是因時(shí)因地的有效方案。

2) 精準(zhǔn)測(cè)量并采用網(wǎng)格化清理拋石能有效開展工作；采用側(cè)掃聲吶和淺地層剖面相結(jié)合的物探手段，相互印證，能提高推斷的合理性及準(zhǔn)確性，有效判斷水下拋石分布狀況，指引比較明確的目標(biāo)位置；在拋石基本清理干凈的情況下，樁基位置定點(diǎn)清理可進(jìn)一步保證后續(xù)施工的可靠性。

3) 防護(hù)置換時(shí)，袋裝碎石拋前提前量的確定和調(diào)整是實(shí)現(xiàn)防護(hù)層均勻分布的關(guān)鍵。

4) 后續(xù)鋼護(hù)筒和鉆孔灌注樁的順利施工驗(yàn)證了本項(xiàng)前置工程的有效性，可為類似工程的實(shí)施提供了有益的借鑒。