超大尺寸沉井不排水下沉及封底水下三維機械聲吶應(yīng)用研究

李 冰 中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

魏湛力 中交二航局第四工程有限公司

水下工程的施工質(zhì)量主要取決于施工期間的監(jiān)測和水下測繪。水下工程完成后，水下結(jié)構(gòu)將隨著地形的變化而在一定程度上進行調(diào)整。利用水下工程檢測技術(shù)，一方面可以在施工過程中發(fā)現(xiàn)問題，從而采取必要的維護和加固措施。避免因發(fā)生隱患或缺陷而發(fā)生惡性工程質(zhì)量事故，確保工程施工質(zhì)量;另一方面，可以對已完成的水下工程進行后期觀測，以檢測隨著項目年齡增加可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)衰減甚至惡化，材料變質(zhì)或水下結(jié)構(gòu)老化。為建設(shè)方采取相應(yīng)措施提供依據(jù)。

通過采用合理的水下檢測方法或手段，技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確把握實際情況，并采取措施。避免漏處理和不必要的處理。

本世紀初，水下工程檢測技術(shù)得到很大發(fā)展，先后開發(fā)了一系列先進，高性能的水下檢測設(shè)備。如水下電視，側(cè)掃聲納，磁力計，淺剖面儀，按原理可分為光學(xué)，聲學(xué)，磁力探測，水下機器人等技術(shù)。

隨著沉箱基礎(chǔ)向較大的平面和較深的方向迅速發(fā)展，大型沉箱呈現(xiàn)出與中小型沉箱不同的下沉和密封方法，首次將水下聲納成像掃描測繪技術(shù)應(yīng)用到沉井下沉、封底施工中。

1 工程概況

五峰山長江特大橋北錨錠沉井基礎(chǔ)長100.7 m、寬72.1 m、高56 m。沉井總計共分10節(jié)，第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井、高8 m，第2節(jié)至10節(jié)為鋼筋混凝土沉井，其中第2節(jié)高6 m，第3節(jié)至8節(jié)高均為5 m，第9節(jié)高4 m，第10節(jié)高8 m。沉井封底混凝土厚為12 m。沉井頂面標(biāo)高為＋1.0 m，基底標(biāo)高為-55.0 m，基底置于砂層中。

沉井采用矩形截面，標(biāo)準(zhǔn)壁厚2.0 m，隔墻厚1.3 m，中間共設(shè)置48個（10.2×10.9）m的矩形井孔。沉井構(gòu)造見圖1。

圖1 北錨碇沉井構(gòu)造圖（單位cm）

2 常規(guī)方式測量泥面標(biāo)高

2.1 測量方式介紹

沉井下沉過程中各擬定工況下對刃腳埋深及泥面標(biāo)高有嚴格要求，首先需通過設(shè)備自身控制泥面狀態(tài)，然后通過測量手段監(jiān)控泥面狀態(tài)。

圖2 直吸泥管刃腳埋深控制圖示

（1）吸泥深度控制

空氣吸泥管為無縫鋼管，吸泥管的長度均一致，吊點設(shè)置均一致，梅根吸泥管均設(shè)置刻度標(biāo)尺。龍門吊尺寸、大鉤均一致。以沉井頂面平臺為參照，可通過吸泥管下放深度來控制吸泥面，此過程由操作人員進行控制，現(xiàn)場技術(shù)人員進行旁站監(jiān)控（見圖2）。

（2）刃腳埋深控制

直吸泥管無法直接吸到刃腳土，需根據(jù)吸泥深度及鍋底狀態(tài)控制刃腳土埋深，在假定的吸泥深度下，通過控制吸泥管與井壁間距來調(diào)控泥面鍋底形狀，確保刃腳埋深。

彎頭管在沉井終沉階段使用，可直接吸到刃腳土，以吸孔刃腳土為目的，彎頭管的走向需提前做好標(biāo)識（見圖3）。

圖3 彎頭吸泥管刃腳埋深控制圖示

（3）泥面標(biāo)高監(jiān)測

現(xiàn)場采用人工用測繩定時測量井壁及隔墻刃腳泥面標(biāo)高，另外需保留支撐的隔墻及井壁位置處布置有土壓力盒，根據(jù)土壓力情況也可判斷支撐情況。人工測量無法準(zhǔn)確判斷刃腳埋深情況，受沉井第二節(jié)剪力鍵的影響，測點的泥面標(biāo)高比刃腳位置的泥面標(biāo)高要低，以此數(shù)據(jù)代表刃腳埋深偏安全。每個井艙布置8個測點，共計384個點，監(jiān)測頻率為1次/6 h，并根據(jù)現(xiàn)場開挖功效做對應(yīng)調(diào)整（見圖4）。

傳統(tǒng)測繩法采集數(shù)據(jù)工作量繁重，且測繩測量時只能測具有代表性的角點及壁面中點，在指導(dǎo)施工中基本都是以點代面，只能進行邊角的粗略控制，如要測量沉井隔艙中間區(qū)域底面狀態(tài)，需要用人工用吊籃連續(xù)打點測量；測繩法誤差較大，無法判斷沉井底面狀態(tài)，不能達到精細化、可視化指導(dǎo)施工。設(shè)備自身控制標(biāo)高，測點受限，難以全面檢測泥面標(biāo)高。水下聲納成像掃描測繪技術(shù)能有效解決傳統(tǒng)方法的局限性，降低安全隱患。

2.2 水下聲納成像掃描測繪技術(shù)

三維圖像聲吶是一種通過靜態(tài)機械掃描模式進行作業(yè)的高精度三維成像聲學(xué)設(shè)備，該設(shè)備可以通過側(cè)舷安裝或者坐底兩種方式進行作業(yè)，目前廣泛應(yīng)用于航道整治、橋梁樁基和大壩等水下檢測中。代表性設(shè)備有Blue view 5000。對采集的數(shù)據(jù)采用專業(yè)軟件Proscan、Cyclone、Autodesk Recap等進行拼圖和除噪，最后得到三維點云立體圖像，該監(jiān)測方法誤差在厘米級。

2.3 水下三維機械掃描聲吶應(yīng)用

（1）選擇未施工沉井隔倉2，進場之前，確定現(xiàn)場施工情況。該隔倉內(nèi)水深最深達到55 m～60 m之間，國內(nèi)現(xiàn)有三維聲吶數(shù)據(jù)線纜長度在40 m～45 m左右，需對現(xiàn)有數(shù)據(jù)線纜進行測試，確定其數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)并接長硫化，在60 m水深范圍內(nèi)進行測試達到預(yù)期效果。其次，現(xiàn)場缺少聲吶監(jiān)測平臺及升降設(shè)備，將工人吊籃改造成聲吶監(jiān)測工作平臺，便于聲吶下放和回收。將沉井塔吊作為升降設(shè)備，通過塔吊合理布置測點，規(guī)避附近井艙施工造成的影響和風(fēng)險。若沉井隔倉2周圍沒有施工則井底滑坡掩埋設(shè)備風(fēng)險較小可以采用坐底方式監(jiān)測。若沉井周圍有施工，針對井壁四周有活動平臺的特點，采用三根繩索連接井壁并固定設(shè)備支架，將聲吶設(shè)備倒放入水（見圖5）。

（2）每天監(jiān)測之前，依據(jù)現(xiàn)場施工安排，確認需監(jiān)測沉井隔倉2，將監(jiān)測平臺及塔吊準(zhǔn)備到位，準(zhǔn)備4根70 m繩子（單根載重量40 kg以上），70 m以上電源線、空開插板、穩(wěn)壓器。連接三維聲吶設(shè)備，將設(shè)備調(diào)試到位，確保正常工作。

圖6 球形掃測示意圖

（3）采用坐底或倒放方式將三維機械掃描聲吶1設(shè)備放入水下，發(fā)射頻率為1.35 MHz，聲速設(shè)置在1 470 m/s左右，聲吶對隔倉內(nèi)水下結(jié)構(gòu)發(fā)射聲吶信號。沉井隔倉2尺寸10 m×10 m，將信號范圍設(shè)置在0.4 m～15 m之間。選擇球形掃描模式，通過終端軟件設(shè)置掃描速度，一般采取0.5°/s或1°/s，水平方向可掃描360°，豎直方向可設(shè)置四個角度分別為+45°、+15°、-15°、-45°。每次掃測固定豎直方向角度，水平方向旋轉(zhuǎn)360°，掃測一圈所用時間為6 min或12 min。球形掃測示意圖如圖6所示。

（4）對采集的數(shù)據(jù)采用專業(yè)軟件Proscan、Cyclone、

Autodesk Recap等進行拼圖和除噪，最后得到三維點云立體圖像，該監(jiān)測方法誤差在厘米級。該方法是現(xiàn)有公知技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員均知曉具體如何操作，在此不再贅述。作為示例：采用Autodesk Recap軟件，大致操作流程如下，首先打開Recap程序點擊主頁面中的“掃描項目”選項，在彈出的窗口中選擇新建項目，選擇需要導(dǎo)入的三維點云數(shù)據(jù)文件，文件格式后綴為XYZ，導(dǎo)入文件成功后，即可點擊“啟動項目”，進入數(shù)據(jù)后處理窗口；然后在后處理窗口中，通過“顏色模式”、“照明設(shè)置”、“點云設(shè)置”、“圍欄”、“限制框”等功能對點云數(shù)據(jù)進行縮放、調(diào)色、旋轉(zhuǎn)、除噪、剪切等，使點云數(shù)據(jù)干凈合理便于觀察和測量；最后完成數(shù)據(jù)處理后，將文件導(dǎo)出為PTS格式，將點云數(shù)據(jù)PTS后綴改為XYZ，用BLUEVIEW看圖軟件打開進行觀察、測量、分析。

由于每個沉井隔倉2中剪力鍵3到刃腳的高度為8m，可以量取泥面到剪力鍵3的高度得出整個隔倉內(nèi)部任意點的泥面高程。

沉井下沉底部吸泥工序中，該方法監(jiān)測圖及判斷如下：

圖7 三維點云立體圖像斷面典型示意圖

如圖7所示，從圖中可以實時了解施工中各艙泥面分布，合理布置吸泥區(qū)，同時可以精確量取各泥面高度，判斷刃腳和隔墻埋深。圖7為立面狀態(tài)下的三維點云立體圖像，圖中可以直觀看到淺色區(qū)域的隔倉壁上存在一條深色的分界線，該分界線即為沉井隔倉2中剪力鍵3位置，即為該方法中所定義的特征高度；而放大觀察隔倉壁圖像和泥面圖像，兩者圖像特征差異明顯，也會存在一個明顯的分界線，該分界線即為隔倉壁和泥面的交界線，在該交界線上取2點，并獲得該2點到特征高度的距離5.642 m和6.149 m，即圖8左部分存在一定的堆積，再將剪力鍵3到刃腳的高度分別減去這2個距離，即可得到這2點的刃腳埋深。同理，可以獲得泥面任一點到特征高度的距離，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)的均勻程度判斷泥面的分布和平整度，均勻也就也平整，反之則越不均勻就越不平整。

圖8 隔艙刃腳泥面分布圖及泥面高度測量

碎石找平層和水下封底混凝土施工工序中，監(jiān)測方法及判斷與泥面監(jiān)測類似，同樣可以獲得碎石層面、混凝土面任一點到特征高度的距離，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)的均勻程度判斷頂面的分布和平整度，越均勻也就越平整，反之越不均勻越不平整。

3 結(jié)束語

五峰長江特大橋北錨碇沉井不排水下沉、封底施工，首次采用了三維機械掃描聲吶監(jiān)測方法，克服了傳統(tǒng)測繩法中的缺點，通過水下成像能夠看到整個沉井隔倉底面及井壁的狀態(tài)，可以判斷刃腳埋深及懸空狀態(tài)，碎石找平層及水下混凝土是否填充到位；采用該監(jiān)測方法能夠減少測量人員、減少數(shù)據(jù)采集的工作量、縮短數(shù)據(jù)采集時間、減小測量誤差，可以精確化、可視化指導(dǎo)施工，能夠全面的掌握沉井底面狀態(tài)。尤其是在下沉困難或沉井入巖時，不再需要潛水員下水探摸，避免了由此帶來的安全隱患。在施工間歇中進行水下監(jiān)測，對施工中出現(xiàn)的問題進行迅速糾正和調(diào)整，避免出現(xiàn)安全和質(zhì)量事故。本監(jiān)測方法還具有檢測精度高，速度快，操作簡單，成本低等優(yōu)點，能夠精確化、可視化、科學(xué)化的指導(dǎo)施工，促進了沉井下沉水下監(jiān)測技術(shù)的革新。此工程經(jīng)驗可為其他類似工程提供借鑒和參考。