馬來西亞檳城二橋勘察新技術(shù)應(yīng)用

李孝杰，胡建平

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

1 工程概況

馬來西亞檳城二橋是連接馬來西亞檳城（島）Bayan Lepas南端和馬來西亞西側(cè)大陸Hujung Bukit的第2座跨海大橋，是馬來西亞“第九大馬計劃”之首要工程，也是東南亞地區(qū)最長的跨海大橋。主橋采用三跨雙塔H形斜拉橋結(jié)構(gòu)，橋面寬28.8 m，雙向四車道加雙向摩托車道，設(shè)計時速80 km/h，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為120 a，總投資額約14.5億美元。

工程具有勘察線路長、工作量大、任務(wù)重、水深條件不利、工程地質(zhì)復(fù)雜、原位測試類型多等特點，許多技術(shù)問題亟待解決。

從2007年7月—2010年6月，先后進(jìn)行了難度高、地形復(fù)雜的跨海段約17 km海域勘察，工程中大量采用自主研發(fā)的海上船載式勘探平臺、海上鉆探取樣新工藝、海上原位測試及中外巖土數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，充分展示了“中國勘察”高質(zhì)量、低成本的技術(shù)優(yōu)勢。

2 場地工程條件

2.1 勘察線路長、勘探項目眾多

檳城二橋總長度約24 km，其中海域橋段總長約 17 km（圖 1），勘察分 3個階段進(jìn)行。2007年第1階段，完成地質(zhì)勘探孔205個，主橋區(qū)域孔深約120.0 m，其余橋段孔深一般為70.0～90.0 m，累計鉆進(jìn)入土16 497.7 m；2009年第2階段，完成鉆探孔和靜力觸探試驗孔18個，入土1 684.9 m，并在鉆孔內(nèi)進(jìn)行旁壓試驗；2010年第3階段，完成主橋灌注樁樁底界面取芯檢驗孔32個；還需完成波速測試孔10個、十字板剪切試驗孔14個等。要求采用馬來西亞JKR標(biāo)準(zhǔn)，并參照英標(biāo)[1]采用全芯取樣，勘察質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。

圖1 馬來西亞檳城二橋位置圖Fig.1 Map of Penang Bridge II in Malaysia

2.2 水深條件不利

靠近北海Batu Kawan區(qū)段為潮間帶區(qū)域，落潮時灘涂裸露，漲潮時淹沒，潮位差不足1.5 m，勘察作業(yè)受制于漲退潮時間以及船的吃水深度。若采用常規(guī)的搭建作業(yè)平臺法，則存在反復(fù)搭、拆、遷的過程，耗時、耗力、效率低，并影響潮間帶區(qū)域生態(tài)環(huán)境。需要一種新方法解決這個勘察區(qū)域路不能建、車不能到、船不能進(jìn)的盲區(qū)。

2.3 地質(zhì)條件復(fù)雜

勘察區(qū)域淺部為多層不同厚度和不同硬度欠固結(jié)的全新世沖積層。不同的土層呈現(xiàn)不同的顏色、密度，顯示經(jīng)歷不同的沉積條件和歷史。這些沉積層的厚度介于16～42 m。

根據(jù)土層不同的強(qiáng)度和顏色，分為上層土和下層土。上層土非常軟，為淺～深灰色粉質(zhì)黏土，局部含有腐爛的有機(jī)質(zhì)和淺灰色松散的細(xì)到粗的砂透鏡體。從泥面到-20 m，土的可塑性指標(biāo)平均值約50%，含水量平均值約100%，平均密度約為1.4 g/cm3。下層土為沖積層，主要為粉質(zhì)黏土，夾有松～中密的黏質(zhì)砂土透鏡體。在-20 m以下土壤的可塑性指標(biāo)平均值約40%，含水量平均值約為50%，平均密度約為1.6 g/cm3。

由于勘察區(qū)域覆蓋層以黏性土和砂土為主，且砂土的顆粒較粗，呈中粗砂狀，混少量礫石顆粒，局部含砂質(zhì)結(jié)核，給勘探中采用的泥漿護(hù)壁工藝造成了較大的影響，如果泥漿配比調(diào)配不好，孔壁在一定時間內(nèi)易坍塌，導(dǎo)致土體擾動或原位測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，同時增大了卡鉆或埋鉆的風(fēng)險。

基巖風(fēng)化層在不同區(qū)段性質(zhì)不同，橋段大部分區(qū)域巖性為巖漿巖—花崗巖，而在靠近北海的Batu Kawan區(qū)段為沉積巖—頁巖或變質(zhì)巖—千枚巖，巖面起伏大。

2.4 原位測試類型多

根據(jù)設(shè)計意圖及工程的重要性，本工程分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、十字板抗剪強(qiáng)度試驗、波速試驗、旁壓試驗和靜力觸探試驗等多種海上原位測試項目。尤其是波速試驗、旁壓試驗和帶孔壓測試的靜力觸探試驗，其中波速試驗深度達(dá)到入土120 m，旁壓試驗深度達(dá)到入土70 m，靜力觸探試驗深度更是達(dá)到了入土80 m，這在以密實中粗砂土地層為主的海域勘探中實為罕見。

3 技術(shù)創(chuàng)新

由于勘察區(qū)域地況、地貌、風(fēng)浪、潮流及潮間帶漲落潮等影響，勘探時間受到限制，泥漿流失易造成海上環(huán)境污染，取樣質(zhì)量要求高，若采用類似海上石油開采或國外專用勘探設(shè)備，所需投入非常龐大，勘察費用昂貴，不利于海外市場的拓展。為此，采用一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的勘察新技術(shù)：1）突破了船載平臺5級海況的限制，使海上勘探作業(yè)時間延長30%以上；2）采用了海上取樣新技術(shù)，獲取Ⅰ～Ⅱ級土樣，并將取樣率提升至95%以上；3）提出了中外巖土分類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，提供了1套符合中外規(guī)范的土工試驗報告。

3.1 海上船載式勘探平臺

3.1.1 平臺模塊化拼裝設(shè)計

勘探平臺采用模塊化拼裝設(shè)計，模塊通用性廣，便于集裝箱裝載和長距離運輸。當(dāng)?shù)貎?yōu)選1艘自航式小平底船舶，船舷與艏艉線之間甲板上鋪設(shè)模塊組件，將模塊中型鋼、支架通過螺栓固定形成平臺框架，部分懸臂于舷體一側(cè)，鋪設(shè)地板后形成勘探工作區(qū)?，F(xiàn)場無需大型吊裝設(shè)備，采用積木搭接法，拼裝簡便，整個安裝1～2 d內(nèi)即可完成，從而在現(xiàn)場快速形成1個海上船載式勘探平臺[2]。

3.1.2 不間斷鉆進(jìn)法

為了縮短海上勘探時間，提升作業(yè)效率，采用獨創(chuàng)的三鉆機(jī)混合鉆進(jìn)法[2]。船載平臺上1臺主鉆機(jī)負(fù)責(zé)鉆進(jìn)，平臺另側(cè)2臺輔助鉆機(jī)交叉承擔(dān)上下提引鉆桿，這樣可大幅縮短清孔與取樣時間，減少了孔內(nèi)漿液沉積，提升了取土質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)卡鉆故障時，集三鉆機(jī)提引疊加的優(yōu)勢，快速排除故障，從而進(jìn)一步降低了海上勘探作業(yè)的事故風(fēng)險。

3.1.3 泥漿回收循環(huán)利用

泥漿循環(huán)裝置由旁通接頭、管道、雙層過濾網(wǎng)、回收池、泥漿泵等組成[2]。泥漿泵從過濾池中吸入泥漿壓入管道，管道中泥漿通過鉆桿、鉆頭被不斷地壓入孔底，并和孔底被鉆頭磨碎的土顆粒融合，形成懸浮液，在泥漿泵不斷壓入泥漿下，將孔底的土顆粒持續(xù)地通過鉆桿外側(cè)沿孔壁和套管內(nèi)上溢，漿液帶至船體平臺并流回泥漿池經(jīng)雙層過濾后得以循環(huán)使用，既節(jié)約了資源，又保護(hù)了水域自然、生態(tài)環(huán)境。

創(chuàng)新設(shè)計的船載式勘察平臺[3]，具有以下優(yōu)點：1）不受地域限制。目前已應(yīng)用于“一帶一路”沿線20多個國家。2）應(yīng)用范圍廣。船載式平臺可用于潮間帶～近海水域勘探。3）勘探成本低于同類產(chǎn)品50%。

3.2 海上鉆探取樣新工藝

海上勘探取樣易受風(fēng)、浪、涌及鉆桿與套管之間碰撞等因素影響，取樣成功率低，難以獲取Ⅰ或Ⅱ級土樣，需采用新技術(shù)提升取樣率和取土質(zhì)量。

3.2.1 雙管單動取土器

為了滿足本工程英標(biāo)[1]全芯原狀取樣要求，采用了自主研發(fā)的雙管單動取芯取土器[4-5]。這種新穎取土器可用于黏性土、粉土和粉細(xì)砂，取芯取樣1個鉆進(jìn)回次同時完成，并具有防止土芯、土樣脫落的功能，能準(zhǔn)確控制鉆進(jìn)進(jìn)尺，巖芯采取率達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求，而且取土質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)取土器，鉆進(jìn)效率高于目前常用的取樣鉆探工藝。其工作原理屬于重管單動回轉(zhuǎn)壓入取土器，具有國內(nèi)外回轉(zhuǎn)壓入取土器的一些基本結(jié)構(gòu)外，其內(nèi)管由容納土芯的巖芯管和彈簧活門裝置組成，彈簧活門裝置由活門座、彈簧翻板和活絡(luò)管靴組成。

3.2.2 封閉式軟土取樣器

針對超軟土取樣結(jié)構(gòu)易擾動、取樣率低，發(fā)明了一種超軟土原狀取樣技術(shù)[6]。取樣器由驅(qū)動缸、缸套、活塞等組成，采用獨特的桿內(nèi)壓力傳遞設(shè)計，驅(qū)使翻蓋自動封閉（圖2），使超軟土取樣成功率提升至95%以上。

圖2 封閉式軟土取樣器Fig.2 Closed sampler for soft soil

該取樣技術(shù)可用于海床下不同深度超軟土取樣，為顆粒分析、泥沙沉降、淤泥流變特性試驗提供樣本。

3.3 海上原位測試技術(shù)

隨著海上基礎(chǔ)設(shè)計越來越重視原位測試SPT所提供的貫入擊數(shù)（N），有關(guān)SPT落距的規(guī)定，中國GB 50021—2009《巖土工程勘察規(guī)范》中為（76±2）cm；英國BS1377-9：2007中為（76±3）cm。陸域作業(yè)時，現(xiàn)有的勘探設(shè)備及方法能夠準(zhǔn)確控制落距，但海域作業(yè)時，勘探設(shè)備固定在船載平臺上，在波浪起伏的海況下，無法控制穿心錘的落距，使得標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（N）失真。

為此研制了一種用于海上SPT落錘控制裝置[7]，由鉆桿、鋼絲繩及穿心錘等組成。驅(qū)動裝置安裝在船體上，內(nèi)含波浪檢測模塊和控制模塊，波浪檢測模塊內(nèi)設(shè)傾角傳感器和陀螺儀傳感器，傾角傳感器測得船體傾斜角度，陀螺儀傳感器測得船體角速度，實時傳輸給控制模塊；控制模塊根據(jù)波浪檢測模塊測得的數(shù)據(jù)，計算出船體下一時間段t內(nèi)的波浪升沉變化量，并計算出波浪補(bǔ)償量，使穿心錘獲得標(biāo)準(zhǔn)落距。另外，設(shè)計中還含有用于測量鋼絲繩的張力傳感器，測量鉆桿位置的測距傳感器，以及液壓泵、伺服閥、液壓馬達(dá)和卷揚機(jī)組成的驅(qū)動裝置，見圖3。

圖3 海上SPT落錘控制原理圖Fig.3 Control chart of SPT drop at sea

波浪檢測和控制集成模塊，可實時預(yù)測船體下一時間段升降變化量，實時驅(qū)動鋼絲繩距離補(bǔ)償，確保穿心錘標(biāo)準(zhǔn)落距與自由落體，從而準(zhǔn)確獲得海上SPT貫入擊數(shù)（N）；采用自適應(yīng)智能控制算法，實現(xiàn)液壓傳動無級變速，使陸域SPT依托本發(fā)明而延伸至海域，滿足了本工程的需求。

3.4 軟土測試與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

為準(zhǔn)確預(yù)測建成后大橋基礎(chǔ)沉降趨勢，需要準(zhǔn)確獲取土的次固結(jié)系數(shù)。為滿足本工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需完成中外標(biāo)準(zhǔn)之間土體分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3.4.1 室內(nèi)次固結(jié)測試方法

大橋部分基礎(chǔ)位于軟土層上。軟土具有壓縮性高、孔隙比大、含水量高及承載力低等特性，易造成基礎(chǔ)變形[8]。目前普遍認(rèn)為，最能反映工后沉降的是次固結(jié)系數(shù)，但在GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和行業(yè)規(guī)范中均未列入測試標(biāo)準(zhǔn)，造成無章可循，若參照固結(jié)試驗標(biāo)準(zhǔn)，則存在試驗周期、加載方式等差異，造成同一種土不同的試驗室提交的次固結(jié)系數(shù)會不同，無法真實反映橋基沉降特性及趨勢[9]。

為滿足本工程需求，采用一種創(chuàng)新測試法：硬件采用傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線、采集器等構(gòu)成多聯(lián)全自動采集系統(tǒng)[10-11]。軟件采用加荷算法控制，確保采集的試樣高度變化與設(shè)定的時間同步，實時生成孔隙比與時間對數(shù)關(guān)系曲線；采用增點測讀法，測得次固結(jié)曲線，反演推導(dǎo)出次固結(jié)系數(shù)。該方法在洋山深水港等多個海相工程中應(yīng)用與驗證[12]，本工程采用海上原狀取樣，室內(nèi)采用分級加載、延時校正的快速測試法，得出整個大橋次固結(jié)系數(shù)與壓力變化關(guān)系。大橋建成后的工后沉降觀測結(jié)果與之基本一致。

3.4.2 中外巖土數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

針對中外巖土分類差異性，提出基于顆粒劃分法、分類界限法的二叉樹遍歷與區(qū)域匹配算法，自動完成中外標(biāo)準(zhǔn)之間土體分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而打破了中外巖土分類差異所構(gòu)成的障礙[13]。

轉(zhuǎn)換原理：首先基于中外主流規(guī)范建模，編制軟件實現(xiàn)智能轉(zhuǎn)換。1）采用人機(jī)交互設(shè)計，集信息配置、導(dǎo)入接口、計算、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出接口5大模塊；2）采用顆粒劃分法（圖4）、分類界限法、二叉樹遍歷貪心算法，利用二叉樹結(jié)構(gòu)存放著的結(jié)點信息，通過指針賦值，實現(xiàn)結(jié)點之間遍歷，軟件智能完成中外標(biāo)準(zhǔn)之間土體分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[14]。

圖4 中美歐/英土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)Fig.4 Engineering classification standards of soilsin China,America,Europe and Britain

4 結(jié)語

集多項關(guān)鍵技術(shù)的“中國勘察”解決了海上勘探取樣率低、原位測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等一系列難題，并將惡劣海況影響勘察的因素大為降低。在檳城二橋工程勘察實踐中，勘察手段多樣性、針對性強(qiáng)，這些都為大橋質(zhì)量優(yōu)與技術(shù)先進(jìn)提供了有力的支撐，同時為類似的海外工程提供了寶貴經(jīng)驗與參考。