淺地層剖面探測技術在蘇通大橋中的應用

（江蘇蘇通大橋有限責任公司，江蘇 南通 215500）

一、前言

蘇通大橋沖刷防護工程項目是長江河口地區易沖刷性河床上群樁基礎沖刷防護工程，施工現場水深流急。保證防護材料的成型率、滿足設計所要求的防護厚度是施工中的技術難點。防護工程的施工質量主要體現在防護層的厚度是否滿足設計要求。因此，本項目質量檢驗采用厚度控制為主、高程控制為輔的模式。這種驗收理念以大量監測分析數據為依據，較為合理。為此在大面積施工前，選取了位于中間的58號墩進行了試拋施工，初步探索了拋投成型規律。通過試拋得出了河床土質為粉砂，可能會有部分袋裝碎石陷入河床中。由于多波束測量無法監測分析陷入河床的部分，因此考慮采用物探的方法檢測。

水上物探探測方法一般采用：地質雷達、淺地層剖面探測、水上地震及水上高密度等，結合蘇通大橋沖刷防護工程項目具有水深大、探測目標體小、水流急及施工條件有限等特點，排除了地質雷達、水上地震及水上高密度電法，最終選擇淺地質剖面探測作為主要探測方法。

淺地層剖面探測對地下介質速度差異的異常較為有效，優點在于橫向采集數據密集，對于河底拋石頂界面探測較為清晰，不受電力橋墩建筑物等干擾，對于大規模異常探測較為有效；缺點在于對拋石較厚區域穿透深度受影響，有效信號需仔細辨別提取。

二、淺地層剖面探測技術及其工作原理

（一）淺地層剖面探測技術

淺地層剖面探測是一種基于水聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法。淺地層剖面儀又稱淺地層地震剖面儀，是水底剖面儀基礎上的改進，是研究水底各物質結構層形態和厚度的有效工具。

（二）工作原理

淺地層剖面探測工作是通過換能器將控制信號轉換為不同頻率的聲波脈沖周期性的向水底發射，聲波遇到水底和地層界面時產生反射信號，經換能器接收轉換并繪制成水底地層剖面圖像。

圖 1 淺地層剖面工作原理

聲波在水底傳播，遇到地層界面（界面兩側的介質性質存在差異）時發生反射，產生反射波的條件是界面兩邊介質的波阻抗不相等。由于聲波水底反射能量大小由反射系數Rpp決定。反射系數，ρ1v1、ρ2v2分別表示一、二層介質的密度和聲速，如果相鄰兩層有一定的密度和聲速差，其水底相鄰兩層就存在一定聲阻率量差，就能在剖面儀終端顯示器反映出相鄰兩層的界面線，并能分別顯示兩層沉積物的性質圖像特性與差異。

三、應用

蘇通大橋橋墩基礎沖刷防護采用上、下兩層結構，下層為反濾層，采用袋裝級配碎石，用于保土排水并填平橋墩沖刷坑，上層為護面層，采用塊石壓護，保證防護后的床面不被沖刷，總拋投量達30多萬立方米。

（一）測區范圍及測線布置

為探查部分橋墩的拋石分布及拋石厚度情況，物探工作組于對51#、55#、60#、61#橋墩的防護工程（反濾層及護面塊石層）進行了兩次物探復測工作，并進行了對比分析。

設計測線以橋墩為中心，如圖2所示，距離橋墩1m～2m布置二橫二縱呈井字型4條測線。但在實際探測過程中，為避免水流較大導致的儀器、船只等安全問題，盡量保證測線貼近橋墩進行多次探測，51#、55#、60#、61#橋墩實際探測測線布置如圖3所示。

圖2 設計測線布置圖

圖3 實際測線布置圖

（二）探測工作量

共完成51#、55#、60#、61#共4個橋墩的拋石探測，累計完成測線16條，測線總長1464.3m，測點11249個，如表1所示。

表1 淺地層剖面探測工作量

（三）成果對比分析

江水與拋石及拋石與泥沙地層均存在較為明顯的速度差異，因此具有較為清楚的拋石頂界面及拋石底界面，如圖4所示。

圖4 拋石探測原始數據及處理后成果圖

（四）對比驗證

以55#墩為例進行數據的對比分析，55#橋墩本次共完成物探測線4條（如圖3），測線編號分別為L55-A、L55-B、L55-C、L55-D，測線總長369.6m，測線貫穿55#橋墩反濾層及護面塊石層拋填區域。

L55-A測線多波束測量與淺地層剖面探測成果對比分析，測線方向自西向東。測線位置、多波束測量及淺地層剖面探測成果如圖5所示。

根據物探成果，物探測量斷面（中心防護區內）拋石面積 187.85m2，平均厚度3.83m；根據多波束地形測量成果，測量斷面（中心防護區內）拋石面積152.78m2，平均厚度3.12m（計算長度與物探相同）。其系數比例為1.23。將55#墩其他測線按同樣方法進行對比分析，結果如表2所示。

護面塊石施工前通過對51#、55#、60#、61#墩防護區的淺地層剖面探測，其成果與多波束監測成果比例系數為1.1；護面塊石施工后，通過對51#、55#、60#、61#墩防護區的淺地層剖面探測，其成果與多波束監測成果比例系數為1.185。通過淺地層剖面探測成果與多波束監測結果相結合，計算所得成型方量如表3所示：

圖5 55-A測線位置示意及淺地層剖面與多波束測量成果圖

表2 55#墩淺地層剖面與多波束測量成果對比匯總表

表3 拋投物成型方量對比表

通過物探成果與多波束監測成果對比、分析、計算，物探成型方量約為33.44萬m3,與拋投施工實際拋投量34.61萬m3比較接近，也就是說，通過對多波束測量結果與淺地層剖面探測成果的結合分析，實際拋投量的96.3%在現場成型，僅少量拋投物因水流等因素未在設計區域成型。拋投材料由于水流、地質等原因沖埋進原河床，成型厚度驗收計算時，應在通過多波束測量計算厚度基礎上，增加淺地層剖面系數比例的陷入原河床的厚度。

四、結語

沖刷防護中對拋投物成型效果的監測分析多采用單波束、多波束測量方法，當遇到河床底地質條件差，易發生拋投物沉陷情況時，多波束測量將無法監測到沉陷部分，蘇通大橋沖刷防護施工項目通過引入淺地層剖面探測技術，通過在有代表性的橋墩進行多波束測量與淺地層剖面探測對比得出淺地層剖面系數比例，成功解決了拋投物沉陷厚度計算問題。該技術在蘇通大橋橋墩沖刷防護工程項目的成功應用，為今后類似項目的驗收與監測分析工作提供了一定的參考價值。