張鈺豐

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 德州 251100)

1 工程概況

包蘭線(xiàn)東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋位于甘肅省蘭州市郊，該橋1954年11月開(kāi)工建設(shè)，1956年5月建成通車(chē)，是1950年代國(guó)內(nèi)有代表性的鋼筋混凝土鐵路拱橋之一。該橋位于黃河上游，橋址處兩岸峭壁矗立，水流湍急，每年五月上游雪融、春汛來(lái)勢(shì)較猛，夏秋間汛期流量大、水位高。東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1所示。正橋橋墩基礎(chǔ)采用鋼板樁圍堰筑島沉井，1號(hào)墩沉井僅一節(jié)，高4.0 m；2號(hào)墩沉井全高5.4 m。沉井頂?shù)陀趰u面部分用木圍堰。沉井截面為六角形，嵌入巖層約0.8 m。因流冰及水流湍急，墩身亦采用六角形截面。沉井頂至流冰水位以上1 m處，以花崗巖料石鑲面，作為破冰凌。橋址處河床覆蓋層為砂夾卵石，主墩基礎(chǔ)嵌入巖層僅0.8 m；基礎(chǔ)埋置較淺，極易被淘空。尤其是1#墩、2#墩位于河道中間，長(zhǎng)期處于大流速、河流沖刷及受流冰、流凌和漂浮物等影響。老橋飽經(jīng)滄桑，水中基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)形式、建造條件，受特殊水情、氣候影響較大，橋墩及水下基礎(chǔ)使用狀況不明，橋墩周邊河床沖刷也不明，橋墩水下部分自建橋起至今，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)水下檢測(cè)。因此，為確保鐵路橋梁和運(yùn)輸安全，亟需進(jìn)行大橋水下基礎(chǔ)檢測(cè)，掌握其健康狀況。

圖1 東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋結(jié)構(gòu)形式(單位：cm)

2 檢測(cè)難點(diǎn)及總體方案

2.1 檢測(cè)難點(diǎn)

2017年2月份，鐵道戰(zhàn)備舟橋處對(duì)包蘭線(xiàn)東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋進(jìn)行水下檢測(cè)作業(yè)。在實(shí)施水下檢測(cè)作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)存在以下難點(diǎn)：

一是受每年春夏汛期影響，此時(shí)段黃河流量大、水位較高，水流湍急，流速達(dá)2 m/s左右，無(wú)法實(shí)施潛水作業(yè)，水上作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)極大，此時(shí)段無(wú)法實(shí)施橋梁水下檢測(cè)作業(yè)。

二是此段黃河冬灌之后(11月中旬至次年2月底)，水位相對(duì)較低，流速相對(duì)較小(流速1 m/s)，能夠滿(mǎn)足潛水作業(yè)，但氣溫較低(達(dá)零下15 ℃)，給水下作業(yè)帶來(lái)較大困難。

三是橋位處水文相當(dāng)復(fù)雜，此橋位處河面較窄，而橋位上下流河面相對(duì)較寬，同時(shí)受地勢(shì)和橋墩阻水影響，橋墩處水深、流急，尤其是水下渦流、暗流極為復(fù)雜。起初潛水員著輕潛裝備下水，受水流沖擊作用，無(wú)法正常下潛至預(yù)定位置，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。隨后采取設(shè)置定位繩、移動(dòng)繩以及增加配重等潛水輔助措施。雖然潛水員能達(dá)到河床表面，但受水下亂流影響，潛水員無(wú)法站立，更無(wú)法進(jìn)行水下探摸和水下攝像作業(yè)，幾秒后被沖出水面，效果均不理想。實(shí)踐證明，在此復(fù)雜水文條件下，常規(guī)方式輕潛作業(yè)無(wú)法實(shí)施水下檢測(cè)作業(yè)。

四是受上下游水庫(kù)蓄水、放水影響，橋位處水位每天變化不定，流速變化較大，平潮時(shí)段時(shí)間短，且無(wú)規(guī)律可循。

五是此河段位于黃河上游，除小型旅游小艇外，無(wú)其它船只，無(wú)法為水上作業(yè)設(shè)備提供安全穩(wěn)定的浮平臺(tái)，給水上安全作業(yè)帶來(lái)了困擾。

在此水文、氣候、作業(yè)環(huán)境等條件下，對(duì)大橋基礎(chǔ)實(shí)施水下檢測(cè)，必須提出安全可靠、切實(shí)可行的創(chuàng)新性輔助措施和技術(shù)手段。

2.2 總體方案

根據(jù)2月份實(shí)施的水下檢測(cè)實(shí)踐和掌握的水文等情況，以“橋梁檢測(cè)必安全，橋梁檢測(cè)保安全”為基本原則，圍繞“準(zhǔn)備充分、多案并舉”的總體思路，通過(guò)多次研究論證，確定總體實(shí)施方案如下[1-2]：

(1)選擇最佳作業(yè)時(shí)期。此次檢測(cè)選在冬季，即黃河冬灌之后，此階段黃河流速相對(duì)較小，可大大降低水下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，水質(zhì)相對(duì)較清，便于水下探摸和攝像。

(2)創(chuàng)新提出利用舟橋器材拼組成檢測(cè)平臺(tái)。采用6節(jié)多用途浮箱拼組成浮平臺(tái)，并布設(shè)錨碇設(shè)施，為潛水作業(yè)、潛水輔助裝置的安裝和使用、水下攝像及相關(guān)設(shè)備提供安全穩(wěn)定的浮平臺(tái)；利用新型994機(jī)動(dòng)舟作為浮平臺(tái)的頂推設(shè)備，同時(shí)，為多波束測(cè)深系統(tǒng)和浮平臺(tái)移動(dòng)提供安全可靠的動(dòng)力保障。

(3)創(chuàng)新提出采用多波束測(cè)深系統(tǒng)、三維圖像聲吶、水下機(jī)器人等多種先進(jìn)水下檢測(cè)儀器設(shè)備,以實(shí)施多層次、多手段檢測(cè)方式作業(yè)。首先，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)橋位處河床進(jìn)行掃測(cè)，掌握墩位處的水深以及河床的地形地貌情況；然后，應(yīng)用三維圖像聲吶對(duì)橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行掃測(cè)，將橋墩及基礎(chǔ)以三維圖像顯示；再次，采用水下機(jī)器人對(duì)基礎(chǔ)實(shí)施全面攝像，全面掌握水下結(jié)構(gòu)情況。通過(guò)先進(jìn)儀器的檢測(cè)，查找到水下橋墩及基礎(chǔ)的薄弱環(huán)節(jié)，明確了潛水員水下探摸、攝像的重點(diǎn)、關(guān)鍵部位[3]。

(4)科學(xué)提出了重潛檢測(cè)，輕潛救援的水下作業(yè)方式。一方面因作業(yè)時(shí)段氣溫較低，輕潛無(wú)法抵御寒冷，會(huì)給潛水員身體帶來(lái)很大影響，且作業(yè)效率較低。另一方面因流速較大、渦流復(fù)雜，輕潛配重不夠，難以著河床作業(yè)，潛水員在水流作用下，漂浮不定，非常不安全。經(jīng)研究，采用重潛直供氣方式對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行水下探摸、攝像檢測(cè)作業(yè)，詳細(xì)查找河床局部沖刷、淘空，基礎(chǔ)及橋墩沖蝕、損壞、裂縫等結(jié)構(gòu)病害；輕潛作為應(yīng)急救援措施，確保檢測(cè)安全。

(5)創(chuàng)新研制了潛水梯、潛水籠等輔助設(shè)施。潛水梯底端支撐在河床上，上部依靠在浮平臺(tái)側(cè)，潛水員可沿潛水梯上下水，直接著床實(shí)施檢測(cè)作業(yè)，規(guī)避了潛水員在水流作用下漂浮影響。潛水籠是避流裝置，以克服大流速、渦流、亂流等不利因素。潛水籠懸掛于浮平臺(tái)一側(cè)，設(shè)有導(dǎo)向框架和升降籠。升降籠三面設(shè)圍板，能有效避流。潛水員站在升降籠中，不受流速影響，通過(guò)水上作業(yè)人員的調(diào)整，能夠升降作業(yè)，有效解決了特殊水文條件下潛水員無(wú)法實(shí)施水下作業(yè)的難題，確保了潛水作業(yè)安全。

3 檢測(cè)作業(yè)流程

橋梁水下檢測(cè)作業(yè)流程為：第一步機(jī)動(dòng)舟等水上動(dòng)力設(shè)備下水；第二步采用雙頻測(cè)深對(duì)橋位處及上下游各25 m處河床斷面進(jìn)行測(cè)量；第三步依據(jù)雙頻測(cè)深儀測(cè)得的水深數(shù)據(jù)，對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)橋位處及上、下游50 m范圍內(nèi)河床地形地貌進(jìn)行全方位掃測(cè)；第四步采用三維圖像聲吶對(duì)橋梁水下基礎(chǔ)進(jìn)行掃測(cè)；第五步通過(guò)掃測(cè)結(jié)果確定潛水員入水深度和重點(diǎn)檢測(cè)部位，可以很大程度降低潛水員的作業(yè)強(qiáng)度。采用安裝到浮平臺(tái)一側(cè)的潛水輔助裝置和潛水梯進(jìn)行水下探摸和水下攝像等檢測(cè)作業(yè)，同時(shí)采用水下機(jī)器人ROV水下作業(yè)進(jìn)行比對(duì)；最后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，形成檢測(cè)報(bào)告。水下檢測(cè)作業(yè)流程見(jiàn)圖2所示。

4 檢測(cè)作業(yè)

4.1 河床斷面測(cè)量

對(duì)橋位處、橋位上下游各25 m處河床斷面進(jìn)行測(cè)量，繪制河床斷面圖，通過(guò)河床斷面圖對(duì)比，分析河道變遷及河床沖刷、淤積情況及對(duì)橋徑渡洪能力的影響。測(cè)量時(shí)，在機(jī)動(dòng)舟船舷一側(cè)安裝HD380雙頻測(cè)深儀，與iRTK智能定位儀連掛，進(jìn)行水中河床斷面測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)對(duì)橋位范圍的水深測(cè)量，掌握河床大致高差情況，為多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)設(shè)置計(jì)劃線(xiàn)提供依據(jù)。經(jīng)測(cè)量，橋位上流水深較淺，在3～4 m左右；橋位下游水相對(duì)較深，在7～8 m左右；橋位處局部水較深，在8～9 m左右。

圖2 水下檢測(cè)作業(yè)流程

4.2 多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)河床

采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)橋位處及上、下游50 m范圍內(nèi)河床地形地貌全方位掃測(cè)，將河床的地形、地貌生成三維圖像。一是全面掌握橋位范圍內(nèi)的河床地形地貌，有無(wú)沖刷、淤積，河床的變化情況和河床覆蓋層的土質(zhì)特征；二是查找橋基有無(wú)局部沖刷、淘空等病害，周邊有無(wú)堆積物、拋填物等；三是取得詳細(xì)的河床標(biāo)高，為潛水輔助裝備的安裝提供可靠依據(jù)。和傳統(tǒng)潛水?dāng)z像相比較，現(xiàn)在的多波束測(cè)深技術(shù)不但可以對(duì)河床底部地形地貌進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，還可以定量測(cè)定出橋樁基礎(chǔ)周?chē)臎_刷情況，且安全快捷。

作業(yè)時(shí)，技術(shù)人員首先根據(jù)雙頻測(cè)深儀測(cè)量水域的水深數(shù)據(jù)和多波束換能器掃測(cè)角度，設(shè)計(jì)規(guī)劃計(jì)劃線(xiàn)。然后，將多波束換能器安裝到機(jī)動(dòng)舟船舷一側(cè)水下50 cm處，慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在甲板上，數(shù)據(jù)處理主機(jī)安裝在船艙內(nèi)，根據(jù)計(jì)算好的計(jì)劃線(xiàn)，進(jìn)行河道掃測(cè)作業(yè)，并隨時(shí)監(jiān)控好掃測(cè)數(shù)據(jù)，確保無(wú)死角。掃測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。根據(jù)這次數(shù)據(jù)分析，1#和2#橋墩大樁號(hào)側(cè)基礎(chǔ)四周局部沖刷明顯，基礎(chǔ)嵌入巖層的深度已經(jīng)減少至0.5 m；與原設(shè)計(jì)對(duì)比，1#和2#橋墩大樁號(hào)側(cè)基礎(chǔ)周?chē)呀?jīng)產(chǎn)生了20～30 cm的沖刷溝。

4.3 三維圖像聲吶側(cè)掃基礎(chǔ)

應(yīng)用三維圖像聲吶掃測(cè)，本系統(tǒng)主要由甲板聲吶圖像處理器、換能器、水下電纜、采集工作站等組成。本次采用支架上端與浮平臺(tái)邊緣焊接的安裝方式進(jìn)行掃測(cè)，將橋墩及基礎(chǔ)成三維圖像顯示，以查找基礎(chǔ)沖刷、淘空病害及橋墩結(jié)構(gòu)病害。通過(guò)在圖像上量取可得1#橋墩小樁號(hào)側(cè)河底到橋樁基礎(chǔ)頂端高度為3.421 m，與多波束數(shù)據(jù)3.4 m相吻合。三維圖像聲吶側(cè)掃1#橋墩結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

圖3 多波束掃測(cè)河床地形圖

圖4 三維圖像聲吶側(cè)掃1#橋墩

4.4 水下機(jī)器人(ROV)攝像檢測(cè)

水下機(jī)器人是一種自帶推進(jìn)動(dòng)力的水下攝像設(shè)備，由水下機(jī)械人和云控制臺(tái)組成，在水上作業(yè)人員操控下實(shí)施航行、潛水和水下攝像等作業(yè)，以逐步取代潛水員水下攝像等繁重作業(yè)?？刂婆_(tái)安裝在機(jī)動(dòng)舟甲板上，ROV由船邊航行至墩位處。由于墩位處渦流、亂流復(fù)雜，本次采用的為觀(guān)察型ROV，推動(dòng)力相對(duì)不足，無(wú)法抵御水流作用，未能有效的進(jìn)行水下攝像作業(yè)。以后遇到類(lèi)似情況，可采用大功率的水下作業(yè)型ROV，用于抵御水流作用。ROV水下作業(yè)情況見(jiàn)圖5所示。

4.5 重潛水下檢測(cè)作業(yè)

本次潛水員著重潛潛水服下水實(shí)施檢測(cè)作業(yè)。穿戴好潛水服后，潛水員沿著潛水梯下水，直接著床到橋墩基礎(chǔ)處，對(duì)橋基周邊局部沖刷情況進(jìn)行水下探摸和攝像；同時(shí)，浮平臺(tái)輔助人員抓好潛水員的安全繩，以克服大流速、渦流、亂流等不利因素影響；另一名潛水員穿戴輕潛潛水服作為應(yīng)急救援，以保障潛水員能安全順利完成水下探摸和水下攝像等檢測(cè)作業(yè)。

潛水員下水后，發(fā)現(xiàn)橋墩周?chē)鷾u流、亂流較大，作業(yè)難度較高?；A(chǔ)周邊基本無(wú)覆蓋層，局部位置有較大尺寸片石。經(jīng)潛水員對(duì)1#、2#墩墩身、沉井基礎(chǔ)及周邊河床詳細(xì)探摸、攝像，未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)局部淘空、裸露等病害，水下結(jié)構(gòu)狀況良好。潛水員實(shí)施水下檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖6所示。

圖5 ROV作業(yè)

5 結(jié)束語(yǔ)

東崗鎮(zhèn)黃河鐵路大橋水下檢測(cè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、檢測(cè)難度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大。舟橋處檢測(cè)隊(duì)積極探索研究，多案并舉，多層保障。一是充分發(fā)揮舟橋優(yōu)勢(shì)，拼組檢測(cè)浮平臺(tái)，為檢測(cè)作業(yè)提供可靠設(shè)施；二是研究設(shè)計(jì)了潛水梯、潛水輔助裝置，為潛水作業(yè)提供了安全保障；三是首次將多波束測(cè)深系統(tǒng)、三維圖形聲吶等水下地形測(cè)量?jī)x器應(yīng)用到橋梁水下檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了全方面、全方位檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率；四是采用重潛檢測(cè)、輕潛救援的水下作業(yè)方式，使水下檢測(cè)作業(yè)更安全。在檢測(cè)過(guò)程中，全體檢測(cè)人員克服重重困難，積極研究攻關(guān)，最終高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量完成了水下檢測(cè)任務(wù)。

圖6 潛水員水下檢測(cè)作業(yè)