环境敏感水域深水基础施工技术

陆静坡

（中铁十一局集团第一工程有限公司，湖北襄阳 441104）

1 引言

随着我国铁路建设高速发展，桥梁穿越敏感水域进行工程建设的情况日益增加，其中，深水基础工程建设对周边水环境造成严重污染是目前亟须解决的问题。本文结合某铁路桥梁深水基础施工实例，详细阐述了环境敏感水域深水基础施工方法。

2 工程概述

钟祥汉江特大桥桥址位于钟祥市石牌镇，以斜拉桥形式跨越汉江航道，桥全长548.1 m。桥位与汉江夹角为90°，主桥总体布置如图1 所示。其中316#主墩为深水嵌岩承台，承台尺寸为22.75 m×29.0 m×6 m，采用双壁钢围堰施工，为确保钢围堰能够下沉到位，采用钻爆船进行水下爆破，爆破深度达20 m，经计算爆破方量达2.5 万m3。桥址处于鳡鳤鯮国家级水产种质资源保护核心区内，环境保护要求高。

图1 主桥总体布置图（单位：m）

3 水下爆破方案确定

根据设计资料文件，主桥316#墩承台嵌入基岩深度为6.209 m，考虑封底混凝土厚度5.791 m，故承台基坑嵌入岩深度为12 m；岩层为强风化泥岩层，岩石坚硬，地基承载力特征值为300 kPa，采用抓斗、长臂挖机等机械开挖方式难以挖除整体基岩。因此，经过综合考虑，采用钻爆船水下钻孔爆破，挖渣船清理渣土方案进行基坑开挖。

4 深水基础方案优化

原设计承台基坑爆破高度为12 m，方量约2.5 万m3，爆破规模大，工艺复杂。根据水下爆破方案设计，12 m 厚岩层需要分两层爆破（单层6 m），爆破作业长达6 个月。加之316#主墩处于鳡鳤鯮国家级水产种质资源保护核心区内，长期水下爆破和清基工作会引起水质和噪声等多方面污染，对鱼类繁殖和活动造成较大影响。

为了减小深水爆破对水产保护区的影响，项目在施工准备阶段积极开展深水基础施工方案优化工作。利用无人测量船水下地形测量技术[1-4]，快速精确测量出承台及四周50 m 范围水下河床地形，确定承台位于河床低洼处，经认真研究，承台抬高3～4 m 仍满足通航条件影响批复文件中对桥墩承台埋深的要求和洪水影响评价批复文件中对桥墩阻水比的控制要求。项目将情况反馈给建设单位，建设单位组织多方相关部门召开专家论证会，取得专家肯定意见；向航道局、港航局等相关行政部门发函，最终同意将316#承台抬升3 m 方案变更。

变更后的承台围堰水下封底厚度可优化为5.291 m，故基坑爆破高度可由12 m 优化为8.5 m，水下爆破设计为一次爆破，减小深水爆破规模及施工工期，大大降低对水产保护区的影响。

5 无人测量船水下地形测量技术

316#墩水下爆破实施前，需对爆破区域进行原河床标高测量，并且每次爆破清基之后需对河床标高进行快速测量，避免河床堆积回淤影响测量数据准确性。水下爆破范围为50.39 m×36.75 m，水下地形测量工程量大。考虑到采取传统载人船搭载测深仪方法测量效率低，不灵活，部分水域无法及时获得水下地形数据，选用无人测量船水下地形测量技术，实现灵活准确、安全高效地完成爆破区域水下地形的信息自动采集、处理和分析等工作。

选用华微3 号Pro 无人测量船，测量船船体轻便小巧，携带方便，船体内置GNSS 双天线，无须外接RTK，测量作业可实现单人远程操作。该无人测量船采用单波束测深仪测量方式，与传统人工测量相比，无人船搭载单波束测量频率可以达到60 点/min，具有高效及精度高等优势。

无人船单波束测量作业模式流程主要包括测前准备、测点勘察、测线布设、设备安装调试、软件设置、数据采集、数据处理等，其主要技术流程如下。

5.1 测前准备

无人船使用前应对船体、仪表及附属软、硬件等进行检查、校正，保持正常工作状态并在检验合格有效期内。选择水深变化较大的水域检测测深仪在不同水深及行驶速度工作状态是否正常。

5.2 测点勘察

对待测水域进行踏勘，对测量船航行区域的障碍物进行标识。

5.3 测线布设

根据测量需求与测区的实际特点综合考虑确定测区范围，然后在待测区范围内进行测量路线设计，测线沿水流方向布控，各测线平行布设。根据水深、地貌起伏情况以及测深仪的覆盖范围综合确定，本工程的定位点间距选择为2.5 m，对水下河床变化剧烈区域或重要区域做定位点加密测量，以完整反映水下地形为原则布设测线。

5.4 数据采集

1）在作业现场安装好无人测量船，无人测量船下水并与基站PC 端连接，通信正常后连接CORS 系统，新建工程项目，输入相关参数。

2）将布置好的航线数据导入测深数据采集软件中，利用D270 便携测深仪对水深进行等间距或等时间测量，设置施工坐标系统后，根据现场船体设置吃水、天线相位中心改正，通过自动避障系统，当水深大于0.5 m 时，采用自主导航模式进行。

5.5 数据处理

1）数据取样及修正：外业数据采集工作完成后，打开Hydro Survey 软件对所采集的数据进行处理。点击[数据处理]→[水深取样]，选择需要进行处理的水深数据文件（dep 文件），调整至合适的横纵坐标；查看测线数据情况，平滑数据回到正常的[断面]上；待这条测线全部处理好后，设置好采样间隔，点击[采样]；点击[生成htt]保存数据，并依次取样该次测量的所有测线水深数据。

2）数据导出：待所有的测线数据取样完后，点击[数据处理]→[数据导出]，将htt 文件通过软件转换导出成果数据文件，即可得到水下地形测点的三维坐标、水深等数据。

6 鱼类保护区气泡帷幕施工技术

6.1 工作原理

在水下爆破的过程中，其产生的冲击波会在一定水域范围内进行扩散，冲击波会逐渐传导至气泡帷幕处。水下冲击波在气泡帷幕中会产生漫反射现象，此时会对冲击波有一定的削弱作用。其次，气泡帷幕中的气泡在受到水下冲击波的影响时会被压缩，压缩的过程实质上为吸能过程，此时可对水下冲击波的能量进行削弱。除此之外，气泡与水体之间的声阻抗会产生突变，使得压力不断降低，达到削弱水下冲击波的效果。

6.2 气泡帷幕结构设计

利用上述工作原理研究水下爆破冲击波削弱的控制措施，自主研制一套协同工作的鱼类保护区气泡帷幕结构系统[5-7]，该套系统主要由空压机、帷幕管、连接管、进气管、喷头、供电系统以及其他附属装置组成。水下爆破气泡帷幕装置示意图如图2 所示。

图2 水下爆破气泡帷幕装置示意图

空压机采用CS4-75 型号空压机，空压机为全密封箱体设计，并敷设专用吸音材料，使噪声控制到更低水平。帷幕管上安装若干个喷头（见图3），喷头可在帷幕管上做摆动动作，帷幕管的一端连接有进气管，进气管连接空压机为帷幕管提供气体，气体注入帷幕管中后，分配到每个喷头上，并最后经过喷头喷到水下，并在水下形成气泡帷幕。

图3 旋转喷头装置示意图

为了提高帷幕装置的实用性，利用连接线将这些喷头连接在一起，通过直线电机拽拉连接线的方式，可使这些喷头作摆动动作，从而增大喷头喷出的气泡范围，从而有效扩大了帷幕装置的保护区域。

另外，喷头进行旋转专项设计。喷头包括套管、铰接座、摆动座、转动座和顶喷，套管套接在帷幕管的外壁上并与帷幕管固定连接，铰接座固定在套管的顶面上，摆动座通过销轴转动连接于铰接座上，转动座转动连接于摆动座的顶端，顶喷固定连接于转动座的顶端，且顶喷上均匀开设有多个喷孔。通过该旋转专项设计，使喷头所形成气泡墙的厚度得以增加。而且还能够增加气泡墙的厚度，提高对水下生物的保护效果。

6.3 气泡帷幕布设

气泡帷幕围绕钻爆船进行布设，在钻爆船的四周河床上布设一圈帷幕管，沿帷幕管纵向方向每隔3 m 设置配重块，以防止帷幕管通气后晃动并上浮。帷幕管的一端连接有进气管，进气管连通空压机，帷幕管均布可旋转喷头。帷幕管布设在距爆破位置6 m 处，在爆破作业不对气泡帷幕装置造成破坏情况下，将其对水下冲击波的削弱作用发挥到最佳状态。

当爆破作业时，将钻爆船移动到安全警戒区域以外。起爆前10 min 气泡帷幕开始工作，启动空压机及直线电机，压缩空气通过进气管进入帷幕管，气体从帷幕管上旋转摆动的喷头喷出，在水体中形成一道气泡帷幕墙，阻绝水下爆破产生的冲击力。

7 结语

钟祥汉江特大桥主桥316#墩桥址位于环境敏感水域，为了其深水基础施工顺利实施，从设计、施工多方面综合采用措施降低深水基础施工对环境敏感水域的影响。从工程设计方面入手，在满足通航条件影响及洪水影响评价的要求下进行深嵌岩承台抬升3 m，大大减小深水基础施工规模和施工工期，从源头降低工程建设环境敏感水域施工影响。从工程施工方面入手，研制一种新型鱼类保护区气泡帷幕装置，扩大了帷幕装置的保护区域，有效降低长期水下爆破作业对环境敏感水域的影响。目前，钟祥汉江特大桥主桥承台及水中墩身已顺利浇筑完成，该桥的环境敏感水域深水基础施工技术可为环境敏感水域地区同类型深水基础施工提供借鉴。