南京五桥南塔基础区域抛石置换施工控制研究

陈 平 王军成 王振宇

(1.南京市公共工程建设中心 南京 210019; 2.江苏省地质勘查技术院 南京 210008)

1 工程背景

南京五桥采用桥跨布置为80 m+218 m+2×600 m+218 m+80 m的3塔组合梁斜拉桥方案，其中南塔主墩位于梅子洲左汊南岸侧，南侧承台边缘距离大堤约150 m，外侧恰好为深水陡坡，因此，为防止岸坡坍塌，该区域长期开展抛石防护工程。《南京五桥南岸抛石物探勘察报告》显示该区域抛石基本呈厚度不等的层状分布，部分区域抛石堆积成锥状，堆积厚度较大，抛石厚度达0.4～4.8 m，平均厚度在2 m左右。典型抛石层分布见图1。

图1 典型抛石分布图

施做南塔基础钻孔灌注桩需先进行钢护筒施工，钢护筒若在抛石区上打设定位十分困难，极易发生移位，导致桩基偏位；钢护筒穿过抛石层时容易发生卷边，导致钻机无法钻进，因此，对南塔工程区抛石进行清理，才能安全顺利地进行钢护筒施工作业。但工程区抛石是维护梅子洲南岸岸坡稳定的重要基础，抛石进行清理后，该区域将会发生冲刷，影响南岸岸坡稳定，需对该区域进行必要防护[1]，并且防护措施不能影响钢护筒的施工。

2 主要设计要点

2.1 水下抛石清理范围

设计南塔承台结构尺寸为顺水流方向长度40.2 m、宽度29.6 m、厚8 m，承台含封底混凝土厚度共10.5 m；基础为24根直径2.8 m的钻孔灌注桩。考虑到施工时所需空间，清理范围按承台平面尺寸外扩不应小于10 m进行考虑，边坡坡率大于1∶2，平面净尺寸为65 m(顺水流方向)×50 m(垂直水流方向)，总尺寸大于74 m×64 m，面积大于4 736 m2。

2.2 标高控制

由于南塔承台设计底标高为-4 m，封底层底标高为-6.5 m，考虑到钢套箱底板厚1.5 m，故承台范围永久抛石防护顶标高应控制不超过-8.0 m。在抛石清理过程中对局部高程较高的区域进行挖深，按保证袋装碎石置换厚度不小于0.5 m(单层)及以后的永久抛石防护厚度不小于2.0 m控制，确定抛石清理底面高程不高于-11.0 m。

2.3 清理工程量

根据物探等值线图计算清理抛石工程量，考虑施工区域位于长江，水深、流速大，范围外抛石容易进入清理区域，重复清理的可能性较大，按计算值的1.5倍测算。同时，根据水下地形线，计算超深0.4 m、超宽1.5 m，局部高程较高区域挖深等额外测算相应工程量。

2.4 袋装碎石临时防护材料要求

袋体材料为300 g/m2的编织复合布(150 g/m2的丙纶编织布和150 g/m2涤纶无纺布)。单只袋体容积约1.3 m3，袋体平面呈正方形，单袋厚度在0.5 m左右。碎石天然容重不得小于1.80 t/m3。级配石碎石粒径一般为2～6 cm，不允许出现粒径大于8 cm的碎石。

3 抛石清理控制分析

利用枯水期进行抛石清理施工，采用开体驳船及拖船配合4 m3抓斗挖泥船进行，施工时采用GPS定出清理范围，在水位不高于4.5 m或江水表面流速不大于2.5 m/s时进行施工，抛石清理时水深应小于15 m。施工工艺流程：施工准备→测量系统定位→抓斗船抛锚定位→斗抓抛石→抛石弃置运输船→抓斗船横、纵移动→清理自检→物探检测分析→二次清理→二次物探检测分析→GPS定点清除→高程测量→完成。

3.1 建立测量控制网

1) 建立GPS基准站和GPS测量系统相对坐标系，抓斗挖泥船定位采用自身GPS系统与测量GPS相结合进行总体平面测量控制。

2) 建立清理平面网格。抓斗船采用从上游向下游方向依次进行的顺序进行清理，根据抓斗容量将清理区域分为小网格状，并对网格进行编号，小网格顺水向10 m，垂直于水流方向也为10 m，每个网格平均抓斗85次(按每次抓4 m3计算)。

3.2 抛石清理成效分析

1) 抛石清理自检。按网格施工清理，抓斗内主要为泥沙后，进行下一网格的工作，直到全部完成。考虑到抓取时，附近抛石会在水下发生移动，已经清理区域不可避免会再次出现抛石。需对所有区域再次按网格进行全面梳理，直到重复来回抓取后主要为泥沙为止。

2) 侧扫声呐和浅地层剖面探测。抛石清理自检后，采用侧扫声呐[2]和浅地层剖面[3]2种物探方法相互印证，提高剩余抛石分布推断的合理性及准确性。

①侧扫声呐基本原理。工作中波束平面垂直于航行方向，沿航线方向束宽很窄,开角一般小于2°,以保证有较高分辨率；垂直于航线方向的束宽较宽，开角为20°～60°，以保证一定的扫描宽度。工作时发射出的声波投射在水底的区域呈长条形，换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在记录条纸上显示出水底的图像。回波信号较强的目标图像较黑，声波照射不到的影区图像色调很淡，根据影区的长度可以估算目标的高度。侧扫声呐主要用于圈定未被淤泥覆盖的抛石范围。

经实测，侧扫声呐影像图中抛石大体呈现出成群的暗斑状特征，淤泥或者砂层则呈现均匀光滑的影像特征。侧扫声呐影像见图2。

图2 侧扫声呐影像图

由图2可见，原物探反映的厚度不等、层状分布的块石堆已清除，仅有4处尚有异常，其中承台范围内最大的1号异常区存有颜色较深的成片暗斑状，推断局部抛石出露，厚度可能稍大；2，3和4号异常，影像图显示颜色稍深，基本推断表层存有抛石并大部分被泥沙覆盖，厚度较薄。但水底地形较复杂，受各方面因素影响，向坡回波信号较强也会引起影像图局部区域呈现暗斑，存在一定的误差。

②浅地层剖面探测基本原理。采用声波发射器垂直向水底重复发射大功率高频脉冲声波，声波遇到水底及其下面的存在波阻抗差异界面时产生反射波。通过仪器采集反射波信号，并对其进行放大和滤波等处理后，传输到计算机，由计算机描绘出反射剖面结构图。由于反射界面的深度不同，反射信号到达接收器的时间也不同；而地层介质波阻抗差别大小则决定了反射信号的强弱。依据反射波的这2个特性，结合侧扫声呐情况，可推断反射层位的深度及地质属性。浅地层剖面主要用于圈定抛石范围，推断抛石厚度。

浅地层剖面探测在东北向西南方向布置13条测线，测线编号分别为L5～L17线；西北向东南方向布置3条测线，分别为L23、L24和L25线。测线布置图及典型影像见图3和图4。

图3 浅地层剖面测线布置图

图4 浅地层剖面抛石典型影像图

浅地层测量典型剖面分析成果见图5。对照侧扫声呐和浅地层剖面图位置，可以看出，L6～L7线推断异常范围对应侧扫声呐4号异常区。以L6线为例，位于勘查区边界，剖面图62～68 m范围水底凸起，局部水底反射界面不清晰，推断为抛石和淤泥混合散射引起，一般不超过0.5 m。

L8线推断异常范围对应侧扫声呐1号、3号异常区，从侧扫声呐图上可以看出，1号、3号异常区的颜色较浅，相应位置的浅地层剖面上反射层也较薄，两者是一致的，预计该位置剩余抛石较薄，并与泥沙混杂，一般不超过0.5 m。

L9～L12线推断异常范围对应侧扫声呐1号异常区。以L10号线为例，浅地层剖面影像显示抛石范围较大且较厚，但一般不超过1 m，与侧扫声呐显示的颜色较深基本一致。

L13～L14线推断异常范围对应侧扫声呐2号异常区。以L13号线为例，浅地层剖面影像显示抛石位置与侧扫声呐结果也基本一致，厚度一般不超过0.5 m。

其余各测线的异常形态较为类似，不再一一列出。通过侧扫声呐和浅地层剖面等2种物探方法，提高了物探推断解释的合理性及准确性。

图5 浅地层剖面测量分析图

3) 抛石复清要点。根据物探分析成果，再次进行测量放样，对施工区域范围尚存的抛石位置复清。从现场施工来看，物探判断为异常区域的大部分位置都发现确有抛石存在，以抛石和淤泥混合物为主。多次抓取后，抛石特别少并且均较小时，停止作业。再次采用侧扫声呐和浅地层剖面扫描，布置同前次，结果见图6。

图6 第二次侧扫影像图和L10线剖面测量分析图

由图6可见，对比第一次侧扫声呐结果，探测区内颜色已经较均匀，连成片的抛石异常已经消失，尤其是1号异常区暗斑不再成片，呈现零星分布，推断为局部零星抛石异常。

浅地层剖面各测线的形态较为类似，水底反射界面总体清晰连续，局部模糊不清，推断为零星抛石与淤泥散射的反映。选取前次探测时抛石较厚的L10线剖面来看，可以看出整条测线范围都比较平滑，无异常，与侧扫声呐影像相应位置显示的情况也基本一致。

同时，由于抛石的清理置换是为完成桩基钢护筒的施工，因此，核心重点是钢护筒所在位置，为确保主体工程的顺利开展，通过GPS定位对钢护筒所在位置再进行点对点检查抓取，完成最后一道作业。由于钢护筒之间存在一定间距，即使尚有少量抛石的影响，也基本可以忽略不计。

后期钢护筒打设和钻孔灌注桩实际施工检验，均顺利完成，效果良好。

4) 高程测量结果。对抛石置换区域抛石清理前后水下高程进行测量。测量成果显示，因多次来回清理，抛石置换区域平均已挖至-12.45 m高程面，平均清挖深度3.2 m，满足设计提出的在-11.0 m高程面无抛石的要求，见图7。

图7 抛石清理后高程图

4 袋装碎石抛投分析

施工流程：布设控制点→水下地形测量→抛投小区划分→测量抛点水深、流速，计算和调整抛投落距→抛投船抛锚定位→运碎石船靠泊→袋装碎石抛投→移位继续抛投(直至该断面抛完)→断面测量→移至下一断面抛投→竣工测量[4]。

4.1 单元小区划分

根据水下地形进行分析，以抛投船一次抛投袋装碎石的有效长度和有效宽度合理划分抛区范围,见图8。

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

图8 网格划分抛投区格示意图

4.2 抛投提前量控制

袋装碎石自水面落入水中，受水流作用，将经过一段水平距离后落入江底，自落水点至着底点的水平距离称抛投落距，落距的大小与流速、水深、袋体大小、碎石密度等因素有关，难以用公式进行准确计算，因此，落距主要依靠现场试验确定，并通过每天水下地形实时高精度监测分析，及时调整第二天施工所用的袋装碎石落距。

1) 定点测量

①袋装碎石抛投前，先将抛投船移至即将要抛护的断面位置，进行抛前断面测量，比例为1∶200，沿轴线方向测量横断面，测量点距为1 m，并参照测量时水位及时算出河床断面标高。

②将抛投船上移至抛护该断面的位置定位、抛袋装碎石，该断面抛投完毕后，再将抛投船移至进行抛前测量的断面处，进行水下河床断面测量，要求抛后测量的点位与抛前测量的点位重合，测量成果算出后，确定该断面的实际增厚情况。

③定点测量应控制在袋装碎石有效宽度范围内，如达不到该要求，则进行补抛，并及时调整分区(条)格抛投计划和作业定位位置。

2) 准确定位，定量抛投。抛投船根据流速和水位及时调整船位是定位准确的关键，应勤测流速、流向、水深等参数，计算调整好袋装碎石抛投提前量。

4.3 抛后测量

抛投结束后，进行抛后测量以分析是否满足设计要求，如某些施工区域不能达到设计要求则需进行补抛。

5 结论

1) 抛石清理及防护置换考虑放坡及超宽、超深清理和采用2～6 cm粒径袋装碎石、单层0.5 m厚的设计是因时因地的有效方案。

2) 精准测量并采用网格化清理抛石能有效开展工作；采用侧扫声呐和浅地层剖面相结合的物探手段，相互印证，能提高推断的合理性及准确性，有效判断水下抛石分布状况，指引比较明确的目标位置；在抛石基本清理干净的情况下，桩基位置定点清理可进一步保证后续施工的可靠性。

3) 防护置换时，袋装碎石抛前提前量的确定和调整是实现防护层均匀分布的关键。

4) 后续钢护筒和钻孔灌注桩的顺利施工验证了本项前置工程的有效性，可为类似工程的实施提供了有益的借鉴。