南京緯三路過江通道沖刷坑搶險工程監(jiān)測技術(shù)

閆世虎，袁士彬，李家前

（上海達華測繪有限公司，上海 200136）

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的速度加快，人口密度的飛速增長，合理開發(fā)利用廣闊的地下空間已成為擴大城市容量和綜合功能的有效途徑，目前全國各地建成了大量的過江通道工程（如地鐵、隧道等），為經(jīng)濟發(fā)展提供了強大的動力。雖然過江通道施工技術(shù)水平日臻成熟，但是大量的工程實踐表明，在實際應(yīng)用過程中，由于地質(zhì)情況、自然條件、人為操作等不確定因素較多，不可避免的產(chǎn)生一定的風(fēng)險，由于水流沖刷的作用，容易形成沖刷坑，影響工程的安全。為確保工程的順利進行，在沖刷坑發(fā)生后如何形成一整套監(jiān)測技術(shù)方法和實施方案是十分必要的。

1 工程概況

南京緯三路過江通道是南京市正在建設(shè)的第二條快速聯(lián)接江北副城與江南主城的過江通道。它采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，位于南京長江大橋上游約4.8 km處，計劃于2014年7月底建成通車。

2013年2月中旬，S線盾構(gòu)刀盤掘進大江線路里程為SDK4+712處，江面出現(xiàn)大量氣泡和泛花水，江底覆蓋層沙土流失形成沖刷坑，進一步施工會增加工程風(fēng)險。根據(jù)專題會議精神，搶險采用拋砂袋壓載方案。

2 監(jiān)測的目的和意義

過江通道沖刷坑位處長江航道中心，來往船舶眾多，水流速度較快，搶險施工安全環(huán)境嚴峻。施工過程中，需對航道中來往船舶進行分流，部分施工船舶需靠泊施工區(qū)域附近碼頭，加之S線過江通道工程處于半停工狀態(tài)，其工期緊，時間拖得越久，所花費的成本代價越高，為此搶險工程施工效率顯得格外重要。

如何保障搶險工程施工高效率進行，控制砂袋拋填位置、時間和速率是其關(guān)鍵。為此在施工過程中，需要對沖刷坑及其附近河床進行全方位的水文地形跟蹤監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整和優(yōu)化施工方案，確保搶險工程施工安全，從而保障隧道工程施工安全和進度。

3 監(jiān)測技術(shù)組合研究分析

監(jiān)測技術(shù)的組合，實際上是利用多種監(jiān)測手段對工程進行全方位的監(jiān)測，實現(xiàn)技術(shù)互補，從而提供全面、準(zhǔn)確的形變信息，為工程預(yù)警、工程施工提供指導(dǎo)。

根據(jù)搶險施工方案，工程施工首先對沖刷深坑區(qū)域進行砂袋拋填，拋平后鋪設(shè)軟體排一層，最后進行3 m砂袋拋填壓載。其余范圍，在現(xiàn)有灘面上鋪設(shè)護底軟體排1層，再拋填3 m厚砂袋，以作預(yù)警防護。在整個沖刷坑搶險工程中，需對其施工前、施工中、施工后進行全方位監(jiān)測。

3.1 施工前監(jiān)測組合分析

搶險施工前，需對沖刷坑區(qū)域進行水下地形測量和監(jiān)測，以掌握其初始形態(tài)及其變化，為制定施工方案提供依據(jù)。監(jiān)測技術(shù)組合采用多波束結(jié)合側(cè)掃聲吶。

3.1.1 多波束全覆蓋監(jiān)測

多波束全覆蓋監(jiān)測采用FANSWEEP 20多波束掃測系統(tǒng)，配有運動補償器、波浪補償儀、聲速儀及電羅經(jīng)。測量前，精確校準(zhǔn)各項參數(shù)，然后對其內(nèi)、外符合精度進行檢查校核，確認符合要求后方可實施。

根據(jù)多波束全覆蓋監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，S線盾構(gòu)機刀盤停機位置已形成漏斗狀深坑（見圖1），呈近似圓形，最深處水深約為38 m，沖刷深度約為8 m，沖刷深度大于3 m的范圍約26 m×30 m，沖刷厚度超過1 m的范圍約為42 m×40 m。由于在測量過程中，沖刷坑區(qū)域仍有氣泡溢出，應(yīng)加強監(jiān)測，以確定沖刷坑的動態(tài)，及時預(yù)警。

圖1 沖刷坑多波束三維效果圖

3.1.2 側(cè)掃聲吶監(jiān)測

側(cè)掃聲吶測量采用Klein3000雙頻側(cè)掃聲納系統(tǒng)，根據(jù)沖刷坑區(qū)域環(huán)境，測線平行/垂直于航道布設(shè)，各掃道間有不小于10%的重疊。根據(jù)水深條件和作業(yè)狀況選擇合理參數(shù)，以獲取清晰的水底掃描圖像和準(zhǔn)確的對應(yīng)圖像位置（見圖2）。

圖2 沖刷坑側(cè)掃聲吶影像圖

掃側(cè)過程中嚴密監(jiān)視拖魚位置、水底面起伏情況，保證記錄剖面圖像清晰、連續(xù)。內(nèi)業(yè)處理時，通過側(cè)掃聲納專用軟件SonarPro進行數(shù)據(jù)回放，發(fā)現(xiàn)掃側(cè)目標(biāo)時，對目標(biāo)影像進行分析并截取。

3.1.3 監(jiān)測組合分析

多波束可以高效率地對水下實施全覆蓋的探測和監(jiān)測，并獲取高精度的水下地形數(shù)據(jù)，且可構(gòu)建地形三維模型。側(cè)掃聲吶可以提供高分辨率的水下地形聲學(xué)圖像，并對物質(zhì)的紋理特征進行定性的描述。將兩者綜合起來，可以有效增強不同觀測數(shù)據(jù)的互補性，提高監(jiān)測精度，從而提高工程質(zhì)量。

FANSWEEP 20多波束系統(tǒng)和Klein3000雙頻側(cè)掃聲納系統(tǒng)，可以接入同型號RTK-GPS定位信息，并利用HYPACK軟件進行定位、導(dǎo)航及數(shù)據(jù)處理，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了成本。

3.2 施工中監(jiān)測組合分析

搶險施工過程中，需對沖刷坑內(nèi)的砂袋拋填、鋪排、填平后的壓載進行全方位的監(jiān)測，及時為施工細節(jié)調(diào)整提供依據(jù)。監(jiān)測采用多波束、側(cè)掃聲吶、潛摸監(jiān)測和流速流向測量等。

3.2.1 多波束和側(cè)掃聲吶監(jiān)測

搶險施工過程中，采用FANSWEEP 20多波束系統(tǒng)對砂袋拋填壓載進行監(jiān)測，用于掌握砂袋拋填壓載的厚度。采用Klein3000雙頻側(cè)掃聲納系統(tǒng)對水下軟體鋪排和砂袋拋填壓載進行監(jiān)測，用于掌握軟體排的搭接寬度，及砂袋拋填平整度（見圖3、圖4）。將兩項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行組合分析，及時調(diào)整砂袋拋填的位置區(qū)域，在達到工程設(shè)計拋填厚度的同時，減少工程浪費。

圖3 軟體排側(cè)掃聲吶監(jiān)測圖像

圖4 砂袋壓載側(cè)掃聲吶監(jiān)測圖像

3.2.2 流速流向和潛摸監(jiān)測

搶險施工區(qū)域地處南京長江航道，存在潮流影響，施工時間接近長江汛期，水流流速較快，流向復(fù)雜。根據(jù)潮流預(yù)報，安排合理時間進行流速流向的監(jiān)測。

監(jiān)測技術(shù)采用SCL9-2直讀式海流計結(jié)合人工拋設(shè)浮漂。直讀式海流計監(jiān)測流速流向時，采用分層測取，往返觀測，求取其均值作為最后的觀測結(jié)果。人工拋設(shè)浮漂監(jiān)測，即把浮漂系在砂袋上，測取砂袋入水的平面位置，待砂袋沉入江底，不再移動，將系浮漂的繩子拉直，測取砂袋在江中的平面位置，從而推算其實際漂浮的距離。對兩項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，從而為軟體排、砂袋入水的位置、時間和拋填速率提供決策依據(jù)。

潛摸監(jiān)測，根據(jù)所觀測的流速流向及潮流預(yù)報，選擇恰當(dāng)時間，人工入水對軟體排、砂袋的拋填情況進行探摸監(jiān)測。為多波束及側(cè)掃聲吶的監(jiān)測結(jié)果提供參考，同時為施工細節(jié)的調(diào)整提供依據(jù)。

3.2.3 監(jiān)測組合分析

搶險施工中，監(jiān)測任務(wù)是繁重、關(guān)鍵的。在監(jiān)測過程中，多波束獲取砂袋的壓載厚度；側(cè)掃聲吶獲取砂袋、軟體排的聲學(xué)影像；流速流向獲取水流情況，砂袋實際漂浮距離。各項監(jiān)測，看似單項進行，實則組成系統(tǒng)，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)相互補充和校核，為搶險工程的施工提供了有力支撐。

3.3 施工后監(jiān)測組合分析

由于壓載突起河床后會引起河床的一定沖刷，為確保壓載在隧道施工期間的完好性和有效性，考慮在壓載施工結(jié)束～隧道掘進施工期間，采用多波束結(jié)合側(cè)掃聲吶對隧道上方河床進行監(jiān)測（見圖5），以掌握灘面沖刷和壓載完好情況。

圖5 沖刷坑區(qū)域內(nèi)河床壓載斷面圖

4 結(jié)語

緯三路過江通道沖刷坑搶險工程中，持續(xù)全面監(jiān)測是工程順利完成搶險、保障過江通道施工安全的關(guān)鍵因素之一。在監(jiān)測過程中，綜合利用多波束、側(cè)掃聲吶、流速流向等技術(shù)，將它們的分項觀測數(shù)據(jù)進行組合分析，不但可以有效增強不同觀測數(shù)據(jù)的互補性，而且能全面快速地掌握工程細部形變，從而提高工程質(zhì)量和工作效率，值得類似工程借鑒。

[1]JTJ 218—2005，水運工程水工建筑物原型觀測技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTS 131—2012，水運工程水測量規(guī)范[S].

[3]CJJ/T 8—2011，城市測量規(guī)范[S].

[4]武漢測繪科技大學(xué).測量學(xué)[M].北京：測繪出版社，1996.

[5]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.