海洋地質勘查方法用于內河軟土淺水條件下殘樁探測的可行性分析與驗證

郭強

摘 要：上海河道升級整治中發現大量原橋梁殘樁，位于現橋梁位置上下游100m范圍內，樁頭位于泥下1m左右。河道升級需挖深河底，原有殘樁需要拔除或部分切割，而絕大部分殘樁的位置信息不明，需要首先進行探測。目前已有的各種橋梁殘樁探測方法效果均不理想，缺少一種效果明顯、分辨率高、抗干擾性能好的方法。文中針對以上不足，提出采用海洋地質勘查中常用的淺地層剖面方法進行泥下殘樁探測，并根據使用條件和高分辨率要求選擇了參量陣淺剖儀。文中對測量原理、設備、流程、效果進行了分析，并與拖魚式淺剖儀檢測方法進行了對比，針對一般樁徑較小，容易漏檢的情況采用小角度斜測的方式，最后通過實際工程驗證了該方法盲區小、目標反映明顯和分辨率高的優勢，可以很好地適應軟土地基條件下橋樁的探測。

關鍵詞：海洋地質勘查方法 軟土地基 殘樁探測 淺地層剖面

1.引言

上海有很多早年建的橋梁是在拆除老橋梁的基礎上建的，新建橋梁一般在原址上下游100m附近，為了保證通航安全及船舶吃水深度，原橋梁拆除后須處理樁基，一般有拔除和部分切割兩種方式，采用切割處理時，絕大部分切割至泥面以下1-2m。隨著經濟發展和航運需求激增，原有航道標準過低已滿足不了船舶數量、噸位增加的要求，須進行升級，主要是對航道進行拓寬、挖深以及對礙航物的處理。根據規定，原遺留樁基需要拔除或切割至不高于設計泥面以下1m。由于年代久遠，很多遺留樁基原始坐標位置資料已缺失，需要探測確認。針對探測問題已開展了大量的試驗或工程，針對各種條件有潛水插桿排查、磁法、水下地質雷達、淺剖等方法，但至目前為止仍然沒有一種可靠的方法，一方面是由于所采用的方法本身的局限性；另一方面是由于目標直徑較小，盲探中很容易被漏測。

淺剖儀廣泛應用在海洋地質勘查中，以走航式探測水下淺部地層結構，具有效率高和經濟實用特點。目前，應用廣泛的淺剖儀有壓電陶瓷式和聲參量陣式，壓電陶瓷式的優勢在于保持一定分辨率的同時，探測深度得到了延伸，但總體來說分辨率較差。聲參量陣式淺剖儀采用兩個頻率接近的聲波脈沖合成其它頻率聲波進行探測，具有指向性好和分辨率高的優勢，但穿透地層的深度較淺。

基于以上理由，文中將聲參量陣淺剖儀用于軟土地基條件下河道殘留橋樁的探測，在描述該方法原理、參數設置依據等基礎上，對工程驗證過程和成果進行研究分析。

2.方法和原理

2.1淺地層剖面探測原理

淺地層剖面儀利用聲波探測淺地層的剖面結構，聲波在兩側阻抗不同的地層界面會發生發射，如圖1所示，反射系數R與上、下層阻抗Z1，Z2相關，理論計算公式見（1）。地層差異往往與聲學反射界面是吻合的，因此通過對反射界面的獲取和分析可以判斷出地層結構分布和異常。聲參量陣方法是在高電壓下同時向水底發射兩個頻率接近的高頻聲波信號（f1，f2）作為主頻，當聲波作用于水體時，會產生一系列二次頻率如 f1/ f2/（f1+f2）/（f1-f2）/2f1/2f2等。其中的f1高頻用于探測水深，而f1和f2的頻率非常接近，因此（f1-f2）頻率很低，具有很強的穿透性，可以用來探測海底淺地層剖面，而且仍然保持高頻時的束角不變，保證了波束的強指向性。

2.2淺水區域的主要影響因素

淺水區域淺剖探測中除過底質、噪聲、船只擺動等因素的影響外，多次反射帶來的干擾是最嚴重的問題。多次波一般由河床和水面的二次或多次反射組成，表現為水深的兩倍或多倍。在淺水區，聲波遇底部沉積物衰減系數和擴散系數損失都很小，信號保留有足夠的能量，它可在水面和河床間反射多次，直到信號能量減弱到水聽器不能收到為止。地形平坦時，多次波反射在剖面上表現為平行條帶。在底質松軟地區，泥面反射系數較小，多次反射的影響有所下降，但仍然比較嚴重。

3.軟土淺水條件下橋樁探測關鍵技術

在淺水條件下存在聲波多次反射的干擾，對目標識別極為不利，另外，橋樁相對幾何尺寸較小，容易被漏測。一般來說，淺剖探測采用走航方式，更易于識別管線類平臥結構目標。綜合考慮以上理由，為了減少或避免不利因素并提高探測精度，采用淺剖儀小角度傾斜安裝的方式對橋樁進行探測，一方面大大降低了橋樁被漏測的概率，另一方面改變了多次反射波的路徑進而減少了干擾。為了提高該方法定位橋樁的精度，需要對地層波速進行實測。

3.1地層波速校正

采用預埋標記物的方法，以外徑10cm，長2m的鋼管作為標記物，埋設至泥下深度H1，開槽后將鋼管水平吊放至槽內后采用原土覆蓋至原始泥面狀態。采用釬桿插入泥下至鋼管底部，釬桿直立后采用GPS測量水平位置和入水深度H2，根據H1和H2即可計算出鋼管頂部埋深：

H = H2-H1 （2）

采用參量陣淺剖儀測量鋼管頂和泥面反射波時差Δt，得到探查區域的地層波速V0作為后續淺剖儀波速設置的依據：

4.工程應用

4.1工程概況

上海嘉定區某新建橋區域需探查上下游50m范圍內殘留橋樁，該河道寬65m，屬感潮河，高平潮時水深0.5-3.8m，其中航道范圍內水深3.5-3.8m，經過對多種方法的綜合比較分析，確定采用聲參量陣淺剖儀進行探查。搭載船只采用玻璃鋼包木船，在水面航行采用河道兩邊繩索牽引方式。測線垂直于航道中心線布置，間距0.3m，測量前采用GPS放樣方法在河道兩岸做好標記。水面平面定位采用華測X10型GPS接收機，橋樁探測采用德國Innomar公司研制的SEC2000標準型參量陣剖面儀。

探查時段水流速度實測小于0.1m/s，船只行進速度1m/s，采用距離觸發模式控制采集，觸發間距0.1m。共完成62條測線，識別殘樁3處，水位下降后采用釬桿插入泥下驗證均確認為殘留橋樁。

4.2測量結果分析

共探測到殘留橋樁3處，如圖3所示，（a）為正常區域的反射圖像，（b）為殘留橋樁位置的反射剖面圖像，由圖可見，橋樁反射的特征弧較為明顯，能夠達到準確識別的要求。在特征識別的基礎上，根據反射弧頂的走時和實測波速，計算得出了殘樁平面位置。使用釬桿在定位點及周邊進行了搜索，結果表明，計算得出平面坐標與實際樁位偏差，最大約0.3m，但均能被很容易地搜索到。

5.總結與展望

文中針對水下殘留橋樁探測難題，提出采用海洋地質勘查中的聲參量陣淺剖方法予以解決，文中詳細分析了該方法的原理、系統組成和實施步驟，并以實際工程案例進行了驗證分析，得到了以下成果或結論：

（1）聲參量陣淺剖儀能夠有效用于軟土地質條件下水下殘留橋樁或類似結構的探測，具有分辨率高、準確性好且易于實施的優勢。

（2）測量前進行波速校正能夠有效地提高測量準確度，有利于提高橋樁的平面和深度探查精度。

（3）小角度傾斜測量的方式能夠有效地避免波束多次反射干擾，并且能夠有效防止漏測橋樁。

文中對該方法在上海軟土條件下的探測進行了研究，上海絕大部分地區為單一的軟土地基，有利于殘樁探測。在地質條件復雜情況下文中方法的可行性、準確性和分辨率驗證以及應對措施將是下一步需要研究的內容。

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