環境敏感水域深水基礎施工技術

陸靜坡

（中鐵十一局集團第一工程有限公司，湖北襄陽 441104）

1 引言

隨著我國鐵路建設高速發展，橋梁穿越敏感水域進行工程建設的情況日益增加，其中，深水基礎工程建設對周邊水環境造成嚴重污染是目前亟須解決的問題。本文結合某鐵路橋梁深水基礎施工實例，詳細闡述了環境敏感水域深水基礎施工方法。

2 工程概述

鐘祥漢江特大橋橋址位于鐘祥市石牌鎮，以斜拉橋形式跨越漢江航道，橋全長548.1 m。橋位與漢江夾角為90°，主橋總體布置如圖1 所示。其中316#主墩為深水嵌巖承臺，承臺尺寸為22.75 m×29.0 m×6 m，采用雙壁鋼圍堰施工，為確保鋼圍堰能夠下沉到位，采用鉆爆船進行水下爆破，爆破深度達20 m，經計算爆破方量達2.5 萬m3。橋址處于鳡鳤鯮國家級水產種質資源保護核心區內，環境保護要求高。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

3 水下爆破方案確定

根據設計資料文件，主橋316#墩承臺嵌入基巖深度為6.209 m，考慮封底混凝土厚度5.791 m，故承臺基坑嵌入巖深度為12 m；巖層為強風化泥巖層，巖石堅硬，地基承載力特征值為300 kPa，采用抓斗、長臂挖機等機械開挖方式難以挖除整體基巖。因此，經過綜合考慮，采用鉆爆船水下鉆孔爆破，挖渣船清理渣土方案進行基坑開挖。

4 深水基礎方案優化

原設計承臺基坑爆破高度為12 m，方量約2.5 萬m3，爆破規模大，工藝復雜。根據水下爆破方案設計，12 m 厚巖層需要分兩層爆破（單層6 m），爆破作業長達6 個月。加之316#主墩處于鳡鳤鯮國家級水產種質資源保護核心區內，長期水下爆破和清基工作會引起水質和噪聲等多方面污染，對魚類繁殖和活動造成較大影響。

為了減小深水爆破對水產保護區的影響，項目在施工準備階段積極開展深水基礎施工方案優化工作。利用無人測量船水下地形測量技術[1-4]，快速精確測量出承臺及四周50 m 范圍水下河床地形，確定承臺位于河床低洼處，經認真研究，承臺抬高3～4 m 仍滿足通航條件影響批復文件中對橋墩承臺埋深的要求和洪水影響評價批復文件中對橋墩阻水比的控制要求。項目將情況反饋給建設單位，建設單位組織多方相關部門召開專家論證會，取得專家肯定意見；向航道局、港航局等相關行政部門發函，最終同意將316#承臺抬升3 m 方案變更。

變更后的承臺圍堰水下封底厚度可優化為5.291 m，故基坑爆破高度可由12 m 優化為8.5 m，水下爆破設計為一次爆破，減小深水爆破規模及施工工期，大大降低對水產保護區的影響。

5 無人測量船水下地形測量技術

316#墩水下爆破實施前，需對爆破區域進行原河床標高測量，并且每次爆破清基之后需對河床標高進行快速測量，避免河床堆積回淤影響測量數據準確性。水下爆破范圍為50.39 m×36.75 m，水下地形測量工程量大?？紤]到采取傳統載人船搭載測深儀方法測量效率低，不靈活，部分水域無法及時獲得水下地形數據，選用無人測量船水下地形測量技術，實現靈活準確、安全高效地完成爆破區域水下地形的信息自動采集、處理和分析等工作。

選用華微3 號Pro 無人測量船，測量船船體輕便小巧，攜帶方便，船體內置GNSS 雙天線，無須外接RTK，測量作業可實現單人遠程操作。該無人測量船采用單波束測深儀測量方式，與傳統人工測量相比，無人船搭載單波束測量頻率可以達到60 點/min，具有高效及精度高等優勢。

無人船單波束測量作業模式流程主要包括測前準備、測點勘察、測線布設、設備安裝調試、軟件設置、數據采集、數據處理等，其主要技術流程如下。

5.1 測前準備

無人船使用前應對船體、儀表及附屬軟、硬件等進行檢查、校正，保持正常工作狀態并在檢驗合格有效期內。選擇水深變化較大的水域檢測測深儀在不同水深及行駛速度工作狀態是否正常。

5.2 測點勘察

對待測水域進行踏勘，對測量船航行區域的障礙物進行標識。

5.3 測線布設

根據測量需求與測區的實際特點綜合考慮確定測區范圍，然后在待測區范圍內進行測量路線設計，測線沿水流方向布控，各測線平行布設。根據水深、地貌起伏情況以及測深儀的覆蓋范圍綜合確定，本工程的定位點間距選擇為2.5 m，對水下河床變化劇烈區域或重要區域做定位點加密測量，以完整反映水下地形為原則布設測線。

5.4 數據采集

1）在作業現場安裝好無人測量船，無人測量船下水并與基站PC 端連接，通信正常后連接CORS 系統，新建工程項目，輸入相關參數。

2）將布置好的航線數據導入測深數據采集軟件中，利用D270 便攜測深儀對水深進行等間距或等時間測量，設置施工坐標系統后，根據現場船體設置吃水、天線相位中心改正，通過自動避障系統，當水深大于0.5 m 時，采用自主導航模式進行。

5.5 數據處理

1）數據取樣及修正：外業數據采集工作完成后，打開Hydro Survey 軟件對所采集的數據進行處理。點擊[數據處理]→[水深取樣]，選擇需要進行處理的水深數據文件（dep 文件），調整至合適的橫縱坐標；查看測線數據情況，平滑數據回到正常的[斷面]上；待這條測線全部處理好后，設置好采樣間隔，點擊[采樣]；點擊[生成htt]保存數據，并依次取樣該次測量的所有測線水深數據。

2）數據導出：待所有的測線數據取樣完后，點擊[數據處理]→[數據導出]，將htt 文件通過軟件轉換導出成果數據文件，即可得到水下地形測點的三維坐標、水深等數據。

6 魚類保護區氣泡帷幕施工技術

6.1 工作原理

在水下爆破的過程中，其產生的沖擊波會在一定水域范圍內進行擴散，沖擊波會逐漸傳導至氣泡帷幕處。水下沖擊波在氣泡帷幕中會產生漫反射現象，此時會對沖擊波有一定的削弱作用。其次，氣泡帷幕中的氣泡在受到水下沖擊波的影響時會被壓縮，壓縮的過程實質上為吸能過程，此時可對水下沖擊波的能量進行削弱。除此之外，氣泡與水體之間的聲阻抗會產生突變，使得壓力不斷降低，達到削弱水下沖擊波的效果。

6.2 氣泡帷幕結構設計

利用上述工作原理研究水下爆破沖擊波削弱的控制措施，自主研制一套協同工作的魚類保護區氣泡帷幕結構系統[5-7]，該套系統主要由空壓機、帷幕管、連接管、進氣管、噴頭、供電系統以及其他附屬裝置組成。水下爆破氣泡帷幕裝置示意圖如圖2 所示。

圖2 水下爆破氣泡帷幕裝置示意圖

空壓機采用CS4-75 型號空壓機，空壓機為全密封箱體設計，并敷設專用吸音材料，使噪聲控制到更低水平。帷幕管上安裝若干個噴頭（見圖3），噴頭可在帷幕管上做擺動動作，帷幕管的一端連接有進氣管，進氣管連接空壓機為帷幕管提供氣體，氣體注入帷幕管中后，分配到每個噴頭上，并最后經過噴頭噴到水下，并在水下形成氣泡帷幕。

圖3 旋轉噴頭裝置示意圖

為了提高帷幕裝置的實用性，利用連接線將這些噴頭連接在一起，通過直線電機拽拉連接線的方式，可使這些噴頭作擺動動作，從而增大噴頭噴出的氣泡范圍，從而有效擴大了帷幕裝置的保護區域。

另外，噴頭進行旋轉專項設計。噴頭包括套管、鉸接座、擺動座、轉動座和頂噴，套管套接在帷幕管的外壁上并與帷幕管固定連接，鉸接座固定在套管的頂面上，擺動座通過銷軸轉動連接于鉸接座上，轉動座轉動連接于擺動座的頂端，頂噴固定連接于轉動座的頂端，且頂噴上均勻開設有多個噴孔。通過該旋轉專項設計，使噴頭所形成氣泡墻的厚度得以增加。而且還能夠增加氣泡墻的厚度，提高對水下生物的保護效果。

6.3 氣泡帷幕布設

氣泡帷幕圍繞鉆爆船進行布設，在鉆爆船的四周河床上布設一圈帷幕管，沿帷幕管縱向方向每隔3 m 設置配重塊，以防止帷幕管通氣后晃動并上浮。帷幕管的一端連接有進氣管，進氣管連通空壓機，帷幕管均布可旋轉噴頭。帷幕管布設在距爆破位置6 m 處，在爆破作業不對氣泡帷幕裝置造成破壞情況下，將其對水下沖擊波的削弱作用發揮到最佳狀態。

當爆破作業時，將鉆爆船移動到安全警戒區域以外。起爆前10 min 氣泡帷幕開始工作，啟動空壓機及直線電機，壓縮空氣通過進氣管進入帷幕管，氣體從帷幕管上旋轉擺動的噴頭噴出，在水體中形成一道氣泡帷幕墻，阻絕水下爆破產生的沖擊力。

7 結語

鐘祥漢江特大橋主橋316#墩橋址位于環境敏感水域，為了其深水基礎施工順利實施，從設計、施工多方面綜合采用措施降低深水基礎施工對環境敏感水域的影響。從工程設計方面入手，在滿足通航條件影響及洪水影響評價的要求下進行深嵌巖承臺抬升3 m，大大減小深水基礎施工規模和施工工期，從源頭降低工程建設環境敏感水域施工影響。從工程施工方面入手，研制一種新型魚類保護區氣泡帷幕裝置，擴大了帷幕裝置的保護區域，有效降低長期水下爆破作業對環境敏感水域的影響。目前，鐘祥漢江特大橋主橋承臺及水中墩身已順利澆筑完成，該橋的環境敏感水域深水基礎施工技術可為環境敏感水域地區同類型深水基礎施工提供借鑒。