浅地层剖面探测技术在苏通大桥中的应用

（江苏苏通大桥有限责任公司，江苏 南通 215500）

一、前言

苏通大桥冲刷防护工程项目是长江河口地区易冲刷性河床上群桩基础冲刷防护工程，施工现场水深流急。保证防护材料的成型率、满足设计所要求的防护厚度是施工中的技术难点。防护工程的施工质量主要体现在防护层的厚度是否满足设计要求。因此，本项目质量检验采用厚度控制为主、高程控制为辅的模式。这种验收理念以大量监测分析数据为依据，较为合理。为此在大面积施工前，选取了位于中间的58号墩进行了试抛施工，初步探索了抛投成型规律。通过试抛得出了河床土质为粉砂，可能会有部分袋装碎石陷入河床中。由于多波束测量无法监测分析陷入河床的部分，因此考虑采用物探的方法检测。

水上物探探测方法一般采用：地质雷达、浅地层剖面探测、水上地震及水上高密度等，结合苏通大桥冲刷防护工程项目具有水深大、探测目标体小、水流急及施工条件有限等特点，排除了地质雷达、水上地震及水上高密度电法，最终选择浅地质剖面探测作为主要探测方法。

浅地层剖面探测对地下介质速度差异的异常较为有效，优点在于横向采集数据密集，对于河底抛石顶界面探测较为清晰，不受电力桥墩建筑物等干扰，对于大规模异常探测较为有效；缺点在于对抛石较厚区域穿透深度受影响，有效信号需仔细辨别提取。

二、浅地层剖面探测技术及其工作原理

（一）浅地层剖面探测技术

浅地层剖面探测是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。浅地层剖面仪又称浅地层地震剖面仪，是水底剖面仪基础上的改进，是研究水底各物质结构层形态和厚度的有效工具。

（二）工作原理

浅地层剖面探测工作是通过换能器将控制信号转换为不同频率的声波脉冲周期性的向水底发射，声波遇到水底和地层界面时产生反射信号，经换能器接收转换并绘制成水底地层剖面图像。

图 1 浅地层剖面工作原理

声波在水底传播，遇到地层界面（界面两侧的介质性质存在差异）时发生反射，产生反射波的条件是界面两边介质的波阻抗不相等。由于声波水底反射能量大小由反射系数Rpp决定。反射系数，ρ1v1、ρ2v2分别表示一、二层介质的密度和声速，如果相邻两层有一定的密度和声速差，其水底相邻两层就存在一定声阻率量差，就能在剖面仪终端显示器反映出相邻两层的界面线，并能分别显示两层沉积物的性质图像特性与差异。

三、应用

苏通大桥桥墩基础冲刷防护采用上、下两层结构，下层为反滤层，采用袋装级配碎石，用于保土排水并填平桥墩冲刷坑，上层为护面层，采用块石压护，保证防护后的床面不被冲刷，总抛投量达30多万立方米。

（一）测区范围及测线布置

为探查部分桥墩的抛石分布及抛石厚度情况，物探工作组于对51#、55#、60#、61#桥墩的防护工程（反滤层及护面块石层）进行了两次物探复测工作，并进行了对比分析。

设计测线以桥墩为中心，如图2所示，距离桥墩1m～2m布置二横二纵呈井字型4条测线。但在实际探测过程中，为避免水流较大导致的仪器、船只等安全问题，尽量保证测线贴近桥墩进行多次探测，51#、55#、60#、61#桥墩实际探测测线布置如图3所示。

图2 设计测线布置图

图3 实际测线布置图

（二）探测工作量

共完成51#、55#、60#、61#共4个桥墩的抛石探测，累计完成测线16条，测线总长1464.3m，测点11249个，如表1所示。

表1 浅地层剖面探测工作量

（三）成果对比分析

江水与抛石及抛石与泥沙地层均存在较为明显的速度差异，因此具有较为清楚的抛石顶界面及抛石底界面，如图4所示。

图4 抛石探测原始数据及处理后成果图

（四）对比验证

以55#墩为例进行数据的对比分析，55#桥墩本次共完成物探测线4条（如图3），测线编号分别为L55-A、L55-B、L55-C、L55-D，测线总长369.6m，测线贯穿55#桥墩反滤层及护面块石层抛填区域。

L55-A测线多波束测量与浅地层剖面探测成果对比分析，测线方向自西向东。测线位置、多波束测量及浅地层剖面探测成果如图5所示。

根据物探成果，物探测量断面（中心防护区内）抛石面积 187.85m2，平均厚度3.83m；根据多波束地形测量成果，测量断面（中心防护区内）抛石面积152.78m2，平均厚度3.12m（计算长度与物探相同）。其系数比例为1.23。将55#墩其他测线按同样方法进行对比分析，结果如表2所示。

护面块石施工前通过对51#、55#、60#、61#墩防护区的浅地层剖面探测，其成果与多波束监测成果比例系数为1.1；护面块石施工后，通过对51#、55#、60#、61#墩防护区的浅地层剖面探测，其成果与多波束监测成果比例系数为1.185。通过浅地层剖面探测成果与多波束监测结果相结合，计算所得成型方量如表3所示：

图5 55-A测线位置示意及浅地层剖面与多波束测量成果图

表2 55#墩浅地层剖面与多波束测量成果对比汇总表

表3 抛投物成型方量对比表

通过物探成果与多波束监测成果对比、分析、计算，物探成型方量约为33.44万m3,与抛投施工实际抛投量34.61万m3比较接近，也就是说，通过对多波束测量结果与浅地层剖面探测成果的结合分析，实际抛投量的96.3%在现场成型，仅少量抛投物因水流等因素未在设计区域成型。抛投材料由于水流、地质等原因冲埋进原河床，成型厚度验收计算时，应在通过多波束测量计算厚度基础上，增加浅地层剖面系数比例的陷入原河床的厚度。

四、结语

冲刷防护中对抛投物成型效果的监测分析多采用单波束、多波束测量方法，当遇到河床底地质条件差，易发生抛投物沉陷情况时，多波束测量将无法监测到沉陷部分，苏通大桥冲刷防护施工项目通过引入浅地层剖面探测技术，通过在有代表性的桥墩进行多波束测量与浅地层剖面探测对比得出浅地层剖面系数比例，成功解决了抛投物沉陷厚度计算问题。该技术在苏通大桥桥墩冲刷防护工程项目的成功应用，为今后类似项目的验收与监测分析工作提供了一定的参考价值。