南京五橋南塔基礎區(qū)域拋石置換施工控制研究

陳 平 王軍成 王振宇

(1.南京市公共工程建設中心 南京 210019; 2.江蘇省地質勘查技術院 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，南側承臺邊緣距離大堤約150 m，外側恰好為深水陡坡，因此，為防止岸坡坍塌，該區(qū)域長期開展拋石防護工程?！赌暇┪鍢蚰习稈伿锾娇辈靾蟾妗凤@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

施做南塔基礎鉆孔灌注樁需先進行鋼護筒施工，鋼護筒若在拋石區(qū)上打設定位十分困難，極易發(fā)生移位，導致樁基偏位；鋼護筒穿過拋石層時容易發(fā)生卷邊，導致鉆機無法鉆進，因此，對南塔工程區(qū)拋石進行清理，才能安全順利地進行鋼護筒施工作業(yè)。但工程區(qū)拋石是維護梅子洲南岸岸坡穩(wěn)定的重要基礎，拋石進行清理后，該區(qū)域將會發(fā)生沖刷，影響南岸岸坡穩(wěn)定，需對該區(qū)域進行必要防護[1]，并且防護措施不能影響鋼護筒的施工。

2 主要設計要點

2.1 水下拋石清理范圍

設計南塔承臺結構尺寸為順水流方向長度40.2 m、寬度29.6 m、厚8 m，承臺含封底混凝土厚度共10.5 m；基礎為24根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁?？紤]到施工時所需空間，清理范圍按承臺平面尺寸外擴不應小于10 m進行考慮，邊坡坡率大于1∶2，平面凈尺寸為65 m(順水流方向)×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 標高控制

由于南塔承臺設計底標高為-4 m，封底層底標高為-6.5 m，考慮到鋼套箱底板厚1.5 m，故承臺范圍永久拋石防護頂標高應控制不超過-8.0 m。在拋石清理過程中對局部高程較高的區(qū)域進行挖深，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)物探等值線圖計算清理拋石工程量，考慮施工區(qū)域位于長江，水深、流速大，范圍外拋石容易進入清理區(qū)域，重復清理的可能性較大，按計算值的1.5倍測算。同時，根據(jù)水下地形線，計算超深0.4 m、超寬1.5 m，局部高程較高區(qū)域挖深等額外測算相應工程量。

2.4 袋裝碎石臨時防護材料要求

袋體材料為300 g/m2的編織復合布(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抓斗挖泥船進行，施工時采用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時進行施工，拋石清理時水深應小于15 m。施工工藝流程：施工準備→測量系統(tǒng)定位→抓斗船拋錨定位→斗抓拋石→拋石棄置運輸船→抓斗船橫、縱移動→清理自檢→物探檢測分析→二次清理→二次物探檢測分析→GPS定點清除→高程測量→完成。

3.1 建立測量控制網

1) 建立GPS基準站和GPS測量系統(tǒng)相對坐標系，抓斗挖泥船定位采用自身GPS系統(tǒng)與測量GPS相結合進行總體平面測量控制。

2) 建立清理平面網格。抓斗船采用從上游向下游方向依次進行的順序進行清理，根據(jù)抓斗容量將清理區(qū)域分為小網格狀，并對網格進行編號，小網格順水向10 m，垂直于水流方向也為10 m，每個網格平均抓斗85次(按每次抓4 m3計算)。

3.2 拋石清理成效分析

1) 拋石清理自檢。按網格施工清理，抓斗內主要為泥沙后，進行下一網格的工作，直到全部完成。考慮到抓取時，附近拋石會在水下發(fā)生移動，已經清理區(qū)域不可避免會再次出現(xiàn)拋石。需對所有區(qū)域再次按網格進行全面梳理，直到重復來回抓取后主要為泥沙為止。

2) 側掃聲吶和淺地層剖面探測。拋石清理自檢后，采用側掃聲吶[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確性。

①側掃聲吶基本原理。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。工作時發(fā)射出的聲波投射在水底的區(qū)域呈長條形，換能器陣接收來自照射區(qū)各點的反向散射信號，經放大、處理和記錄，在記錄條紙上顯示出水底的圖像?；夭ㄐ盘栞^強的目標圖像較黑，聲波照射不到的影區(qū)圖像色調很淡，根據(jù)影區(qū)的長度可以估算目標的高度。側掃聲吶主要用于圈定未被淤泥覆蓋的拋石范圍。

經實測，側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。側掃聲吶影像見圖2。

圖2 側掃聲吶影像圖

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，其中承臺范圍內最大的1號異常區(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。但水底地形較復雜，受各方面因素影響，向坡回波信號較強也會引起影像圖局部區(qū)域呈現(xiàn)暗斑，存在一定的誤差。

②淺地層剖面探測基本原理。采用聲波發(fā)射器垂直向水底重復發(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產生反射波。通過儀器采集反射波信號，并對其進行放大和濾波等處理后，傳輸?shù)接嬎銠C，由計算機描繪出反射剖面結構圖。由于反射界面的深度不同，反射信號到達接收器的時間也不同；而地層介質波阻抗差別大小則決定了反射信號的強弱。依據(jù)反射波的這2個特性，結合側掃聲吶情況，可推斷反射層位的深度及地質屬性。淺地層剖面主要用于圈定拋石范圍，推斷拋石厚度。

淺地層剖面探測在東北向西南方向布置13條測線，測線編號分別為L5～L17線；西北向東南方向布置3條測線，分別為L23、L24和L25線。測線布置圖及典型影像見圖3和圖4。

圖3 淺地層剖面測線布置圖

圖4 淺地層剖面拋石典型影像圖

淺地層測量典型剖面分析成果見圖5。對照側掃聲吶和淺地層剖面圖位置，可以看出，L6～L7線推斷異常范圍對應側掃聲吶4號異常區(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線推斷異常范圍對應側掃聲吶1號、3號異常區(qū)，從側掃聲吶圖上可以看出，1號、3號異常區(qū)的顏色較淺，相應位置的淺地層剖面上反射層也較薄，兩者是一致的，預計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線推斷異常范圍對應側掃聲吶1號異常區(qū)。以L10號線為例，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，與側掃聲吶顯示的顏色較深基本一致。

L13～L14線推斷異常范圍對應側掃聲吶2號異常區(qū)。以L13號線為例，淺地層剖面影像顯示拋石位置與側掃聲吶結果也基本一致，厚度一般不超過0.5 m。

其余各測線的異常形態(tài)較為類似，不再一一列出。通過側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確性。

圖5 淺地層剖面測量分析圖

3) 拋石復清要點。根據(jù)物探分析成果，再次進行測量放樣，對施工區(qū)域范圍尚存的拋石位置復清。從現(xiàn)場施工來看，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，停止作業(yè)。再次采用側掃聲吶和淺地層剖面掃描，布置同前次，結果見圖6。

圖6 第二次側掃影像圖和L10線剖面測量分析圖

由圖6可見，對比第一次側掃聲吶結果，探測區(qū)內顏色已經較均勻，連成片的拋石異常已經消失，尤其是1號異常區(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。選取前次探測時拋石較厚的L10線剖面來看，可以看出整條測線范圍都比較平滑，無異常，與側掃聲吶影像相應位置顯示的情況也基本一致。

同時，由于拋石的清理置換是為完成樁基鋼護筒的施工，因此，核心重點是鋼護筒所在位置，為確保主體工程的順利開展，通過GPS定位對鋼護筒所在位置再進行點對點檢查抓取，完成最后一道作業(yè)。由于鋼護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。

后期鋼護筒打設和鉆孔灌注樁實際施工檢驗，均順利完成，效果良好。

4) 高程測量結果。對拋石置換區(qū)域拋石清理前后水下高程進行測量。測量成果顯示，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，滿足設計提出的在-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：布設控制點→水下地形測量→拋投小區(qū)劃分→測量拋點水深、流速，計算和調整拋投落距→拋投船拋錨定位→運碎石船靠泊→袋裝碎石拋投→移位繼續(xù)拋投(直至該斷面拋完)→斷面測量→移至下一斷面拋投→竣工測量[4]。

4.1 單元小區(qū)劃分

根據(jù)水下地形進行分析，以拋投船一次拋投袋裝碎石的有效長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，將經過一段水平距離后落入江底，自落水點至著底點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，難以用公式進行準確計算，因此，落距主要依靠現(xiàn)場試驗確定，并通過每天水下地形實時高精度監(jiān)測分析，及時調整第二天施工所用的袋裝碎石落距。

1) 定點測量

①袋裝碎石拋投前，先將拋投船移至即將要拋護的斷面位置，進行拋前斷面測量，比例為1∶200，沿軸線方向測量橫斷面，測量點距為1 m，并參照測量時水位及時算出河床斷面標高。

②將拋投船上移至拋護該斷面的位置定位、拋袋裝碎石，該斷面拋投完畢后，再將拋投船移至進行拋前測量的斷面處，進行水下河床斷面測量，要求拋后測量的點位與拋前測量的點位重合，測量成果算出后，確定該斷面的實際增厚情況。

③定點測量應控制在袋裝碎石有效寬度范圍內，如達不到該要求，則進行補拋，并及時調整分區(qū)(條)格拋投計劃和作業(yè)定位位置。

2) 準確定位，定量拋投。拋投船根據(jù)流速和水位及時調整船位是定位準確的關鍵，應勤測流速、流向、水深等參數(shù)，計算調整好袋裝碎石拋投提前量。

4.3 拋后測量

拋投結束后，進行拋后測量以分析是否滿足設計要求，如某些施工區(qū)域不能達到設計要求則需進行補拋。

5 結論

1) 拋石清理及防護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厚的設計是因時因地的有效方案。

2) 精準測量并采用網格化清理拋石能有效開展工作；采用側掃聲吶和淺地層剖面相結合的物探手段，相互印證，能提高推斷的合理性及準確性，有效判斷水下拋石分布狀況，指引比較明確的目標位置；在拋石基本清理干凈的情況下，樁基位置定點清理可進一步保證后續(xù)施工的可靠性。

3) 防護置換時，袋裝碎石拋前提前量的確定和調整是實現(xiàn)防護層均勻分布的關鍵。

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