水下三維聲吶在錨碇沉井施工中的應用

吳立柱，游斌，何超，吳中正*

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.武漢長江航道救助打撈局，湖北 武漢 430014）

0 引言

沉井作為大型懸索橋錨碇基礎(chǔ)，在穩(wěn)固地基、承擔主懸索斜向拉力等方面有重要作用?？紤]到沉井施工后期地下水位較高、土壓力較大，沉井一般采用不排水方式下沉[1-2]。為保障下沉質(zhì)量與施工安全，有必要進行沉井水下檢測，對井底泥面、刃腳埋深、隔墻脫空等進行合理控制。沉井水下傳統(tǒng)檢測方法一般采用測繩測量、潛水員潛摸，這些方法缺點明顯，工作繁重，測量誤差大[3]。

水下三維聲吶探測技術(shù)可模擬形成水下環(huán)境的聲吶圖像，首次應用于五峰山大橋錨碇沉井水下檢測。相較于傳統(tǒng)的測繩測量，水下三維聲吶探測技術(shù)可通過水下成像顯示整個沉井隔艙底面及井壁的狀態(tài)，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。采用三維聲吶探測技術(shù)可縮短數(shù)據(jù)采集時間，減小測量誤差，能精確化、可視化指導施工，全面掌握沉井底面情況。

1 工程概述

五峰山長江特大橋橋梁總長6 408.909 m，其中跨江大橋主橋長1 432 m；南北公鐵合建段引橋長1 444.799 m（北岸757.9 m，南岸686.899 m）；南北單建鐵路引橋長3 532.11 m（北岸2 304.811 m，南岸1 227.299 m）。鐵路設(shè)計行車速度250 km/h，正線線間距4.6 m，預留兩線鐵路。高速公路雙向八車道，設(shè)計行車速度100 km/h，橋面寬度40.5 m。正橋主航道橋采用雙塔連續(xù)鋼桁梁懸索橋形式。

五峰山長江特大橋北岸錨碇沉井基礎(chǔ)長和寬分別為100.7 m和72.1 m，高56 m，共分12節(jié)，目前是我國規(guī)模最大的沉井。沉井采用不排水下沉，基底需入強風化巖層3.80 m。沉井地基處于長江江灘上，經(jīng)多年的江水沖刷，以沉積體形式存在，基底地質(zhì)較為復雜。為保障作業(yè)安全與施工質(zhì)量，需及時掌握沉井下沉狀態(tài)，對隔倉底面及井壁進行實時監(jiān)控。

2 水下三維聲吶探測系統(tǒng)

三維圖像聲吶系統(tǒng)又稱為三維全景成像聲吶系統(tǒng)，是當前最先進的聲吶探測系統(tǒng)之一[4-5]。本文應用的Blue View 5000三維圖像聲吶系統(tǒng)是水下三維探測系統(tǒng)的典型代表，通過圖像聲吶發(fā)射和接收聲吶波束，形成類似于光學全息效果的水下目標三維點云立體圖像，在水下低照明度環(huán)境可形成清晰的三維圖像[6-8]。

2.1 工作原理

BV5000三維圖像聲吶系統(tǒng)通過聲吶頭向目標發(fā)射和接收聲波信號，獲取1°垂直面內(nèi)的二維云圖信息，通過機械驅(qū)動聲吶頭旋轉(zhuǎn)掃測，最終由計算機將360°范圍內(nèi)的二維數(shù)據(jù)合成三維圖像，形成三維點云立體圖像，將水下地形、結(jié)構(gòu)和目標物的形狀、尺寸大小、位置信息實時地反應出來，如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)組成

BV5000水下三維聲吶探測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括聲吶頭、云臺、接線盒、支架、數(shù)據(jù)傳輸線纜，軟件包括研發(fā)團隊自主開發(fā)的 Proscan、Meshlab和第三方軟件 Cyclone、Recap等及若干驅(qū)動程序。BV5000可生成水下地形、結(jié)構(gòu)和目標物的高分辨圖像，聲吶采用緊湊型低重量設(shè)計，便于在三腳架或ROV上安裝，該設(shè)備整體性能比較穩(wěn)定，30 m范圍內(nèi)的長度誤差可控制在4 cm內(nèi)，角度誤差在1°以內(nèi)，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 水下三維聲吶探測系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of underwater three-dimensional sonar detection system

表1 BV5000水下聲吶探測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of BV5000 underwater sonar detection system

3 三維聲吶探測系統(tǒng)在錨碇沉井中的應用實例

本文采用BV5000三維聲吶掃測設(shè)備對五峰山特大沉井進行水下檢測，由于沉井底面地質(zhì)復雜，傳統(tǒng)的正測法會受到厚淤泥層的影響，改用倒吊法進行測量。采用BV5000的球形掃描模式，掃描速度為1°/s，水平方向掃描360°，豎直方向設(shè)置 4 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1圈所用時間為6 min，獲取1個隔倉的水下實時數(shù)據(jù)僅需24 min。

五峰山長江特大橋北錨碇沉井的隔倉分布如圖2，共有48個隔倉，針對各個隔倉的掃測結(jié)果，選取典型的隔倉掃測結(jié)果進行分析。

3.1 沉井水下泥面檢測

圖2 沉井隔倉分布圖Fig.2 Distribution of caisson compartments

五峰山特大橋錨碇沉井采用不排水下沉，即用水力機械沖吸出土緩慢下沉。在沖吸出土過程中，及時測量沉井隔倉內(nèi)泥面標高及軸線位置，精確測量井壁刃腳埋深和隔墻懸空距離，指導沉井下沉施工，保障安全施工。

沉井33號隔艙整體泥面分布見圖3，從中可以清晰地看到隔艙底部整個泥面的分布情況，隔艙內(nèi)部揚州側(cè)泥面較高，淤泥較厚，并向鎮(zhèn)江側(cè)緩慢降低。

圖3 沉井33號隔艙整體泥面分布情況Fig.3 Distribution of mud surface in the 33 caisson compartment

33號隔艙揚州側(cè)井壁剖面見圖4，從圖中可以看到揚州側(cè)壁面刃腳踏面到型鋼距離2.8 m，壁面刃腳埋深超過2.0 m；揚州側(cè)與下游側(cè)拐角處有部分鏤空危險，需要合理控制抽泥位置。

圖4 揚州側(cè)井壁剖面圖Fig.4 Profile of the caisson wall on Yangzhou side

33號隔艙鎮(zhèn)江側(cè)井壁懸空，中間區(qū)域懸空距離在0.9～1.2 m之間，需控制抽泥管位置，防止懸空距離超過2.0 m。

3.2 沉井水下碎石層檢測

為了保證制作沉井的地基具有足夠的承載力，基坑開挖至起沉標高后立即用碎石分層回填夯實，并在碎石層上鋪設(shè)混凝土墊層，以擴大沉井刃腳下的支撐面。需要進行水下檢測以判別碎石層墊層的分布情況，測量井壁刃腳、隔墻埋深、最高點及最低點的高度。

11號隔艙整體碎石層墊層分布不均勻，靠近上游側(cè)和揚州側(cè)夾角處出現(xiàn)堆積層，下游側(cè)附近碎石未能填充到位。

11號隔艙上游側(cè)碎石層：揚州側(cè)碎石墊層底部到剪力鍵的距離在6.88～6.38 m之間，最大高差0.50 m；上游側(cè)碎石墊層底部到剪力鍵的距離在7.70～7.30 m之間，最大高差0.40 m；最高點到剪力鍵的距離為5.45 m左右。

11號隔艙下游側(cè)碎石層：鎮(zhèn)江側(cè)碎石墊層底部到剪力鍵的距離在6.88～5.57 m之間，最大高差1.31 m；下游側(cè)碎石墊層底部到剪力鍵的距離在7.41～6.38 mm之間，最大高差1.03 m。

3.3 沉井水下混凝土墊層檢測

沉井底部碎石層鋪設(shè)后，鋪設(shè)1 m厚的混凝土，并進行自流平施工。需要檢測沉井水下1 m厚混凝土層分布情況，測量隔艙四周埋深、最高點及最低點標高。

34號隔艙1 m厚混凝土墊層，隔艙內(nèi)1 m混凝土墊層整體分布均勻平整，混凝土均已到邊，靠近下游側(cè)有一小堆，無明顯較低點。

34號隔艙上游側(cè)厚混凝土墊層：上游側(cè)底面到剪力鍵距離在6.11～5.97 m之間，最大高差0.14 m，揚州側(cè)底面到剪力鍵距離在6.13～5.86 m之間，最大高差0.27 m。

34號隔艙下游側(cè)厚混凝土墊層：下游側(cè)底面到剪力鍵距離在6.05～5.79 m之間，最大高差0.26 m，鎮(zhèn)江側(cè)底面到剪力鍵距離在5.97～5.80 m之間，最大高差0.17 m，其中最高點到剪力鍵距離為4.37 m。

4 結(jié)語

由本文典型沉井隔倉掃測結(jié)果可以看到，三維聲吶探測系統(tǒng)在錨碇沉井的水下檢測中，對沉井底面、刃腳部位和隔艙壁的檢測結(jié)果直觀清晰，檢測方式便捷，檢測速度快，對沉井不排水下沉施工具有重要指導意義。