陸靜坡

（中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司，湖北襄陽 441104）

1 引言

隨著我國鐵路建設(shè)高速發(fā)展，橋梁穿越敏感水域進(jìn)行工程建設(shè)的情況日益增加，其中，深水基礎(chǔ)工程建設(shè)對周邊水環(huán)境造成嚴(yán)重污染是目前亟須解決的問題。本文結(jié)合某鐵路橋梁深水基礎(chǔ)施工實(shí)例，詳細(xì)闡述了環(huán)境敏感水域深水基礎(chǔ)施工方法。

2 工程概述

鐘祥漢江特大橋橋址位于鐘祥市石牌鎮(zhèn)，以斜拉橋形式跨越漢江航道，橋全長548.1 m。橋位與漢江夾角為90°，主橋總體布置如圖1 所示。其中316#主墩為深水嵌巖承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為22.75 m×29.0 m×6 m，采用雙壁鋼圍堰施工，為確保鋼圍堰能夠下沉到位，采用鉆爆船進(jìn)行水下爆破，爆破深度達(dá)20 m，經(jīng)計(jì)算爆破方量達(dá)2.5 萬m3。橋址處于鳡鳤鯮國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)核心區(qū)內(nèi)，環(huán)境保護(hù)要求高。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

3 水下爆破方案確定

根據(jù)設(shè)計(jì)資料文件，主橋316#墩承臺(tái)嵌入基巖深度為6.209 m，考慮封底混凝土厚度5.791 m，故承臺(tái)基坑嵌入巖深度為12 m；巖層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，巖石堅(jiān)硬，地基承載力特征值為300 kPa，采用抓斗、長臂挖機(jī)等機(jī)械開挖方式難以挖除整體基巖。因此，經(jīng)過綜合考慮，采用鉆爆船水下鉆孔爆破，挖渣船清理渣土方案進(jìn)行基坑開挖。

4 深水基礎(chǔ)方案優(yōu)化

原設(shè)計(jì)承臺(tái)基坑爆破高度為12 m，方量約2.5 萬m3，爆破規(guī)模大，工藝復(fù)雜。根據(jù)水下爆破方案設(shè)計(jì)，12 m 厚巖層需要分兩層爆破（單層6 m），爆破作業(yè)長達(dá)6 個(gè)月。加之316#主墩處于鳡鳤鯮國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)核心區(qū)內(nèi)，長期水下爆破和清基工作會(huì)引起水質(zhì)和噪聲等多方面污染，對魚類繁殖和活動(dòng)造成較大影響。

為了減小深水爆破對水產(chǎn)保護(hù)區(qū)的影響，項(xiàng)目在施工準(zhǔn)備階段積極開展深水基礎(chǔ)施工方案優(yōu)化工作。利用無人測量船水下地形測量技術(shù)[1-4]，快速精確測量出承臺(tái)及四周50 m 范圍水下河床地形，確定承臺(tái)位于河床低洼處，經(jīng)認(rèn)真研究，承臺(tái)抬高3～4 m 仍滿足通航條件影響批復(fù)文件中對橋墩承臺(tái)埋深的要求和洪水影響評價(jià)批復(fù)文件中對橋墩阻水比的控制要求。項(xiàng)目將情況反饋給建設(shè)單位，建設(shè)單位組織多方相關(guān)部門召開專家論證會(huì)，取得專家肯定意見；向航道局、港航局等相關(guān)行政部門發(fā)函，最終同意將316#承臺(tái)抬升3 m 方案變更。

變更后的承臺(tái)圍堰水下封底厚度可優(yōu)化為5.291 m，故基坑爆破高度可由12 m 優(yōu)化為8.5 m，水下爆破設(shè)計(jì)為一次爆破，減小深水爆破規(guī)模及施工工期，大大降低對水產(chǎn)保護(hù)區(qū)的影響。

5 無人測量船水下地形測量技術(shù)

316#墩水下爆破實(shí)施前，需對爆破區(qū)域進(jìn)行原河床標(biāo)高測量，并且每次爆破清基之后需對河床標(biāo)高進(jìn)行快速測量，避免河床堆積回淤影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。水下爆破范圍為50.39 m×36.75 m，水下地形測量工程量大?？紤]到采取傳統(tǒng)載人船搭載測深儀方法測量效率低，不靈活，部分水域無法及時(shí)獲得水下地形數(shù)據(jù)，選用無人測量船水下地形測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活準(zhǔn)確、安全高效地完成爆破區(qū)域水下地形的信息自動(dòng)采集、處理和分析等工作。

選用華微3 號Pro 無人測量船，測量船船體輕便小巧，攜帶方便，船體內(nèi)置GNSS 雙天線，無須外接RTK，測量作業(yè)可實(shí)現(xiàn)單人遠(yuǎn)程操作。該無人測量船采用單波束測深儀測量方式，與傳統(tǒng)人工測量相比，無人船搭載單波束測量頻率可以達(dá)到60 點(diǎn)/min，具有高效及精度高等優(yōu)勢。

無人船單波束測量作業(yè)模式流程主要包括測前準(zhǔn)備、測點(diǎn)勘察、測線布設(shè)、設(shè)備安裝調(diào)試、軟件設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等，其主要技術(shù)流程如下。

5.1 測前準(zhǔn)備

無人船使用前應(yīng)對船體、儀表及附屬軟、硬件等進(jìn)行檢查、校正，保持正常工作狀態(tài)并在檢驗(yàn)合格有效期內(nèi)。選擇水深變化較大的水域檢測測深儀在不同水深及行駛速度工作狀態(tài)是否正常。

5.2 測點(diǎn)勘察

對待測水域進(jìn)行踏勘，對測量船航行區(qū)域的障礙物進(jìn)行標(biāo)識。

5.3 測線布設(shè)

根據(jù)測量需求與測區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)綜合考慮確定測區(qū)范圍，然后在待測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行測量路線設(shè)計(jì)，測線沿水流方向布控，各測線平行布設(shè)。根據(jù)水深、地貌起伏情況以及測深儀的覆蓋范圍綜合確定，本工程的定位點(diǎn)間距選擇為2.5 m，對水下河床變化劇烈區(qū)域或重要區(qū)域做定位點(diǎn)加密測量，以完整反映水下地形為原則布設(shè)測線。

5.4 數(shù)據(jù)采集

1）在作業(yè)現(xiàn)場安裝好無人測量船，無人測量船下水并與基站PC 端連接，通信正常后連接CORS 系統(tǒng)，新建工程項(xiàng)目，輸入相關(guān)參數(shù)。

2）將布置好的航線數(shù)據(jù)導(dǎo)入測深數(shù)據(jù)采集軟件中，利用D270 便攜測深儀對水深進(jìn)行等間距或等時(shí)間測量，設(shè)置施工坐標(biāo)系統(tǒng)后，根據(jù)現(xiàn)場船體設(shè)置吃水、天線相位中心改正，通過自動(dòng)避障系統(tǒng)，當(dāng)水深大于0.5 m 時(shí)，采用自主導(dǎo)航模式進(jìn)行。

5.5 數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)取樣及修正：外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作完成后，打開Hydro Survey 軟件對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。點(diǎn)擊[數(shù)據(jù)處理]→[水深取樣]，選擇需要進(jìn)行處理的水深數(shù)據(jù)文件（dep 文件），調(diào)整至合適的橫縱坐標(biāo)；查看測線數(shù)據(jù)情況，平滑數(shù)據(jù)回到正常的[斷面]上；待這條測線全部處理好后，設(shè)置好采樣間隔，點(diǎn)擊[采樣]；點(diǎn)擊[生成htt]保存數(shù)據(jù)，并依次取樣該次測量的所有測線水深數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)導(dǎo)出：待所有的測線數(shù)據(jù)取樣完后，點(diǎn)擊[數(shù)據(jù)處理]→[數(shù)據(jù)導(dǎo)出]，將htt 文件通過軟件轉(zhuǎn)換導(dǎo)出成果數(shù)據(jù)文件，即可得到水下地形測點(diǎn)的三維坐標(biāo)、水深等數(shù)據(jù)。

6 魚類保護(hù)區(qū)氣泡帷幕施工技術(shù)

6.1 工作原理

在水下爆破的過程中，其產(chǎn)生的沖擊波會(huì)在一定水域范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，沖擊波會(huì)逐漸傳導(dǎo)至氣泡帷幕處。水下沖擊波在氣泡帷幕中會(huì)產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)對沖擊波有一定的削弱作用。其次，氣泡帷幕中的氣泡在受到水下沖擊波的影響時(shí)會(huì)被壓縮，壓縮的過程實(shí)質(zhì)上為吸能過程，此時(shí)可對水下沖擊波的能量進(jìn)行削弱。除此之外，氣泡與水體之間的聲阻抗會(huì)產(chǎn)生突變，使得壓力不斷降低，達(dá)到削弱水下沖擊波的效果。

6.2 氣泡帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用上述工作原理研究水下爆破沖擊波削弱的控制措施，自主研制一套協(xié)同工作的魚類保護(hù)區(qū)氣泡帷幕結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[5-7]，該套系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、帷幕管、連接管、進(jìn)氣管、噴頭、供電系統(tǒng)以及其他附屬裝置組成。水下爆破氣泡帷幕裝置示意圖如圖2 所示。

圖2 水下爆破氣泡帷幕裝置示意圖

空壓機(jī)采用CS4-75 型號空壓機(jī)，空壓機(jī)為全密封箱體設(shè)計(jì)，并敷設(shè)專用吸音材料，使噪聲控制到更低水平。帷幕管上安裝若干個(gè)噴頭（見圖3），噴頭可在帷幕管上做擺動(dòng)動(dòng)作，帷幕管的一端連接有進(jìn)氣管，進(jìn)氣管連接空壓機(jī)為帷幕管提供氣體，氣體注入帷幕管中后，分配到每個(gè)噴頭上，并最后經(jīng)過噴頭噴到水下，并在水下形成氣泡帷幕。

圖3 旋轉(zhuǎn)噴頭裝置示意圖

為了提高帷幕裝置的實(shí)用性，利用連接線將這些噴頭連接在一起，通過直線電機(jī)拽拉連接線的方式，可使這些噴頭作擺動(dòng)動(dòng)作，從而增大噴頭噴出的氣泡范圍，從而有效擴(kuò)大了帷幕裝置的保護(hù)區(qū)域。

另外，噴頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。噴頭包括套管、鉸接座、擺動(dòng)座、轉(zhuǎn)動(dòng)座和頂噴，套管套接在帷幕管的外壁上并與帷幕管固定連接，鉸接座固定在套管的頂面上，擺動(dòng)座通過銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接于鉸接座上，轉(zhuǎn)動(dòng)座轉(zhuǎn)動(dòng)連接于擺動(dòng)座的頂端，頂噴固定連接于轉(zhuǎn)動(dòng)座的頂端，且頂噴上均勻開設(shè)有多個(gè)噴孔。通過該旋轉(zhuǎn)專項(xiàng)設(shè)計(jì)，使噴頭所形成氣泡墻的厚度得以增加。而且還能夠增加氣泡墻的厚度，提高對水下生物的保護(hù)效果。

6.3 氣泡帷幕布設(shè)

氣泡帷幕圍繞鉆爆船進(jìn)行布設(shè)，在鉆爆船的四周河床上布設(shè)一圈帷幕管，沿帷幕管縱向方向每隔3 m 設(shè)置配重塊，以防止帷幕管通氣后晃動(dòng)并上浮。帷幕管的一端連接有進(jìn)氣管，進(jìn)氣管連通空壓機(jī)，帷幕管均布可旋轉(zhuǎn)噴頭。帷幕管布設(shè)在距爆破位置6 m 處，在爆破作業(yè)不對氣泡帷幕裝置造成破壞情況下，將其對水下沖擊波的削弱作用發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

當(dāng)爆破作業(yè)時(shí)，將鉆爆船移動(dòng)到安全警戒區(qū)域以外。起爆前10 min 氣泡帷幕開始工作，啟動(dòng)空壓機(jī)及直線電機(jī)，壓縮空氣通過進(jìn)氣管進(jìn)入帷幕管，氣體從帷幕管上旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的噴頭噴出，在水體中形成一道氣泡帷幕墻，阻絕水下爆破產(chǎn)生的沖擊力。

7 結(jié)語

鐘祥漢江特大橋主橋316#墩橋址位于環(huán)境敏感水域，為了其深水基礎(chǔ)施工順利實(shí)施，從設(shè)計(jì)、施工多方面綜合采用措施降低深水基礎(chǔ)施工對環(huán)境敏感水域的影響。從工程設(shè)計(jì)方面入手，在滿足通航條件影響及洪水影響評價(jià)的要求下進(jìn)行深嵌巖承臺(tái)抬升3 m，大大減小深水基礎(chǔ)施工規(guī)模和施工工期，從源頭降低工程建設(shè)環(huán)境敏感水域施工影響。從工程施工方面入手，研制一種新型魚類保護(hù)區(qū)氣泡帷幕裝置，擴(kuò)大了帷幕裝置的保護(hù)區(qū)域，有效降低長期水下爆破作業(yè)對環(huán)境敏感水域的影響。目前，鐘祥漢江特大橋主橋承臺(tái)及水中墩身已順利澆筑完成，該橋的環(huán)境敏感水域深水基礎(chǔ)施工技術(shù)可為環(huán)境敏感水域地區(qū)同類型深水基礎(chǔ)施工提供借鑒。