南京纬三路过江通道冲刷坑抢险工程监测技术

闫世虎，袁士彬，李家前

（上海达华测绘有限公司，上海 200136）

0 引言

随着经济建设的快速发展，城镇化的速度加快，人口密度的飞速增长，合理开发利用广阔的地下空间已成为扩大城市容量和综合功能的有效途径，目前全国各地建成了大量的过江通道工程（如地铁、隧道等），为经济发展提供了强大的动力。虽然过江通道施工技术水平日臻成熟，但是大量的工程实践表明，在实际应用过程中，由于地质情况、自然条件、人为操作等不确定因素较多，不可避免的产生一定的风险，由于水流冲刷的作用，容易形成冲刷坑，影响工程的安全。为确保工程的顺利进行，在冲刷坑发生后如何形成一整套监测技术方法和实施方案是十分必要的。

1 工程概况

南京纬三路过江通道是南京市正在建设的第二条快速联接江北副城与江南主城的过江通道。它采用双层结构设计，位于南京长江大桥上游约4.8 km处，计划于2014年7月底建成通车。

2013年2月中旬，S线盾构刀盘掘进大江线路里程为SDK4+712处，江面出现大量气泡和泛花水，江底覆盖层沙土流失形成冲刷坑，进一步施工会增加工程风险。根据专题会议精神，抢险采用抛砂袋压载方案。

2 监测的目的和意义

过江通道冲刷坑位处长江航道中心，来往船舶众多，水流速度较快，抢险施工安全环境严峻。施工过程中，需对航道中来往船舶进行分流，部分施工船舶需靠泊施工区域附近码头，加之S线过江通道工程处于半停工状态，其工期紧，时间拖得越久，所花费的成本代价越高，为此抢险工程施工效率显得格外重要。

如何保障抢险工程施工高效率进行，控制砂袋抛填位置、时间和速率是其关键。为此在施工过程中，需要对冲刷坑及其附近河床进行全方位的水文地形跟踪监测，根据监测结果，及时调整和优化施工方案，确保抢险工程施工安全，从而保障隧道工程施工安全和进度。

3 监测技术组合研究分析

监测技术的组合，实际上是利用多种监测手段对工程进行全方位的监测，实现技术互补，从而提供全面、准确的形变信息，为工程预警、工程施工提供指导。

根据抢险施工方案，工程施工首先对冲刷深坑区域进行砂袋抛填，抛平后铺设软体排一层，最后进行3 m砂袋抛填压载。其余范围，在现有滩面上铺设护底软体排1层，再抛填3 m厚砂袋，以作预警防护。在整个冲刷坑抢险工程中，需对其施工前、施工中、施工后进行全方位监测。

3.1 施工前监测组合分析

抢险施工前，需对冲刷坑区域进行水下地形测量和监测，以掌握其初始形态及其变化，为制定施工方案提供依据。监测技术组合采用多波束结合侧扫声呐。

3.1.1 多波束全覆盖监测

多波束全覆盖监测采用FANSWEEP 20多波束扫测系统，配有运动补偿器、波浪补偿仪、声速仪及电罗经。测量前，精确校准各项参数，然后对其内、外符合精度进行检查校核，确认符合要求后方可实施。

根据多波束全覆盖监测数据分析，S线盾构机刀盘停机位置已形成漏斗状深坑（见图1），呈近似圆形，最深处水深约为38 m，冲刷深度约为8 m，冲刷深度大于3 m的范围约26 m×30 m，冲刷厚度超过1 m的范围约为42 m×40 m。由于在测量过程中，冲刷坑区域仍有气泡溢出，应加强监测，以确定冲刷坑的动态，及时预警。

图1 冲刷坑多波束三维效果图

3.1.2 侧扫声呐监测

侧扫声呐测量采用Klein3000双频侧扫声纳系统，根据冲刷坑区域环境，测线平行/垂直于航道布设，各扫道间有不小于10%的重叠。根据水深条件和作业状况选择合理参数，以获取清晰的水底扫描图像和准确的对应图像位置（见图2）。

图2 冲刷坑侧扫声呐影像图

扫侧过程中严密监视拖鱼位置、水底面起伏情况，保证记录剖面图像清晰、连续。内业处理时，通过侧扫声纳专用软件SonarPro进行数据回放，发现扫侧目标时，对目标影像进行分析并截取。

3.1.3 监测组合分析

多波束可以高效率地对水下实施全覆盖的探测和监测，并获取高精度的水下地形数据，且可构建地形三维模型。侧扫声呐可以提供高分辨率的水下地形声学图像，并对物质的纹理特征进行定性的描述。将两者综合起来，可以有效增强不同观测数据的互补性，提高监测精度，从而提高工程质量。

FANSWEEP 20多波束系统和Klein3000双频侧扫声纳系统，可以接入同型号RTK-GPS定位信息，并利用HYPACK软件进行定位、导航及数据处理，提高了作业效率，节约了成本。

3.2 施工中监测组合分析

抢险施工过程中，需对冲刷坑内的砂袋抛填、铺排、填平后的压载进行全方位的监测，及时为施工细节调整提供依据。监测采用多波束、侧扫声呐、潜摸监测和流速流向测量等。

3.2.1 多波束和侧扫声呐监测

抢险施工过程中，采用FANSWEEP 20多波束系统对砂袋抛填压载进行监测，用于掌握砂袋抛填压载的厚度。采用Klein3000双频侧扫声纳系统对水下软体铺排和砂袋抛填压载进行监测，用于掌握软体排的搭接宽度，及砂袋抛填平整度（见图3、图4）。将两项监测数据进行组合分析，及时调整砂袋抛填的位置区域，在达到工程设计抛填厚度的同时，减少工程浪费。

图3 软体排侧扫声呐监测图像

图4 砂袋压载侧扫声呐监测图像

3.2.2 流速流向和潜摸监测

抢险施工区域地处南京长江航道，存在潮流影响，施工时间接近长江汛期，水流流速较快，流向复杂。根据潮流预报，安排合理时间进行流速流向的监测。

监测技术采用SCL9-2直读式海流计结合人工抛设浮漂。直读式海流计监测流速流向时，采用分层测取，往返观测，求取其均值作为最后的观测结果。人工抛设浮漂监测，即把浮漂系在砂袋上，测取砂袋入水的平面位置，待砂袋沉入江底，不再移动，将系浮漂的绳子拉直，测取砂袋在江中的平面位置，从而推算其实际漂浮的距离。对两项监测数据进行分析，从而为软体排、砂袋入水的位置、时间和抛填速率提供决策依据。

潜摸监测，根据所观测的流速流向及潮流预报，选择恰当时间，人工入水对软体排、砂袋的抛填情况进行探摸监测。为多波束及侧扫声呐的监测结果提供参考，同时为施工细节的调整提供依据。

3.2.3 监测组合分析

抢险施工中，监测任务是繁重、关键的。在监测过程中，多波束获取砂袋的压载厚度；侧扫声呐获取砂袋、软体排的声学影像；流速流向获取水流情况，砂袋实际漂浮距离。各项监测，看似单项进行，实则组成系统，各项监测数据相互补充和校核，为抢险工程的施工提供了有力支撑。

3.3 施工后监测组合分析

由于压载突起河床后会引起河床的一定冲刷，为确保压载在隧道施工期间的完好性和有效性，考虑在压载施工结束～隧道掘进施工期间，采用多波束结合侧扫声呐对隧道上方河床进行监测（见图5），以掌握滩面冲刷和压载完好情况。

图5 冲刷坑区域内河床压载断面图

4 结语

纬三路过江通道冲刷坑抢险工程中，持续全面监测是工程顺利完成抢险、保障过江通道施工安全的关键因素之一。在监测过程中，综合利用多波束、侧扫声呐、流速流向等技术，将它们的分项观测数据进行组合分析，不但可以有效增强不同观测数据的互补性，而且能全面快速地掌握工程细部形变，从而提高工程质量和工作效率，值得类似工程借鉴。

[1]JTJ 218—2005，水运工程水工建筑物原型观测技术规范[S].

[2]JTS 131—2012，水运工程水测量规范[S].

[3]CJJ/T 8—2011，城市测量规范[S].

[4]武汉测绘科技大学.测量学[M].北京：测绘出版社，1996.

[5]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.