南京五橋南塔基礎區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，該區域長期開展拋石防護工程。《南京五橋南岸拋石物探勘察報告》顯示該區域拋石基本呈厚度不等的層狀分布，部分區域拋石堆積成錐狀，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，鋼護筒若在拋石區上打設定位十分困難，極易發生移位，導致樁基偏位；鋼護筒穿過拋石層時容易發生卷邊，導致鉆機無法鉆進，因此，對南塔工程區拋石進行清理，才能安全順利地進行鋼護筒施工作業。但工程區拋石是維護梅子洲南岸岸坡穩定的重要基礎，拋石進行清理后，該區域將會發生沖刷，影響南岸岸坡穩定，需對該區域進行必要防護[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。考慮到施工時所需空間，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

根據物探等值線圖計算清理拋石工程量，考慮施工區域位于長江，水深、流速大，范圍外拋石容易進入清理區域，重復清理的可能性較大，按計算值的1.5倍測算。同時，根據水下地形線，計算超深0.4 m、超寬1.5 m，局部高程較高區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測量系統相對坐標系，抓斗挖泥船定位采用自身GPS系統與測量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，根據抓斗容量將清理區域分為小網格狀，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生移動，已經清理區域不可避免會再次出現拋石。需對所有區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。工作時發射出的聲波投射在水底的區域呈長條形，換能器陣接收來自照射區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。回波信號較強的目標圖像較黑，聲波照射不到的影區圖像色調很淡，根據影區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出成群的暗斑狀特征，淤泥或者砂層則呈現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域呈現暗斑，存在一定的誤差。

②淺地層剖面探測基本原理。采用聲波發射器垂直向水底重復發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，傳輸到計算機，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。以L6線為例，位于勘查區邊界，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，從側掃聲吶圖上可以看出，1號、3號異常區的顏色較淺，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。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。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。根據物探分析成果，再次進行測量放樣，對施工區域范圍尚存的拋石位置復清。從現場施工來看，物探判斷為異常區域的大部分位置都發現確有拋石存在，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。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號異常區暗斑不再成片，呈現零星分布，推斷為局部零星拋石異常。

淺地層剖面各測線的形態較為類似，水底反射界面總體清晰連續，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。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 單元小區劃分

根據水下地形進行分析，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范圍,見圖8。

1.1拋區1.2拋區1.3拋區1.4拋區……2.1拋區2.2拋區2.3拋區2.4拋區………………………………

圖8 網格劃分拋投區格示意圖

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，落距主要依靠現場試驗確定，并通過每天水下地形實時高精度監測分析，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(條)格拋投計劃和作業定位位置。

2) 準確定位，定量拋投。拋投船根據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，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防護層均勻分布的關鍵。

4) 后續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。