沉管隧道碎石基礎(chǔ)整平監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

王崇明，孔維達(dá)，雷 鵬，王曉進(jìn)

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.交通運(yùn)輸部廣州打撈局，廣州 510260)

圖1 帶壟溝的碎石基礎(chǔ)

從目前國(guó)內(nèi)外沉管隧道的基礎(chǔ)處理發(fā)展來(lái)看，沉管隧道基礎(chǔ)處理的方法主要有先鋪法和后填法兩大類(lèi)，先鋪法有刮砂法和刮石法，后填法有砂流法、灌囊法和壓漿法等。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已建設(shè)的百座以上隧道基礎(chǔ)處理方法統(tǒng)計(jì)，先鋪法占已建隧道的28%，噴砂法占18%，壓砂法占17%，灌砂法占16%，先鋪法占的比例最高。后填法的主要優(yōu)點(diǎn)在于高程便于調(diào)節(jié)，施工設(shè)備占用航道時(shí)間短和潛水工作量少，但在地震時(shí)容易發(fā)生砂土液化，而使基礎(chǔ)失去承載力。對(duì)于海底沉管隧道，由于水深大、水流復(fù)雜、管節(jié)體量大，若使用后填法基礎(chǔ)需要對(duì)管節(jié)兩端進(jìn)行臨時(shí)支撐，而節(jié)段式管節(jié)在簡(jiǎn)支狀態(tài)下受力較為不利，因此海中沉管隧道一般優(yōu)先考慮先鋪法基礎(chǔ)墊層[1-8](圖1)。

圖2 香港沙中線海底沉管隧道工程整平架

碎石整平法是由傳統(tǒng)刮石發(fā)展為通過(guò)下料刮鋪的一種先鋪法，可以通過(guò)設(shè)定料斗刮刀的行進(jìn)方向?qū)⑺槭瘔|層鋪設(shè)成帶有壟溝的形式[9]。壟溝形式的主要優(yōu)點(diǎn)有：在相對(duì)較大的波浪和水流情況下仍能適用，具有一定納淤能力，管節(jié)沉放連接后能快速保持管節(jié)穩(wěn)定以及墊層頂面可進(jìn)行可視化檢查。但這種碎石整平的先鋪法，管節(jié)在著床后高程及縱、橫坡不可再調(diào)，管節(jié)高程與縱、橫坡的誤差基本取決于碎石墊層的誤差，因此管節(jié)沉放對(duì)基礎(chǔ)墊層的精度要求高[10-11]，通常情況下允許偏差不超過(guò)±40 mm。圖2所示為廣州打撈局在香港沙中線海底沉管隧道工程中使用的整平架，該整平架有2根出水的垂直定位桿，4根調(diào)節(jié)范圍在2 m以內(nèi)的液壓支撐腿，移動(dòng)部分包含大車(chē)和小車(chē)兩部分，料斗裝在小車(chē)上，料斗口裝有刮刀，可以將碎石面刮平，供電、液壓、傳感器數(shù)據(jù)傳輸均通過(guò)電纜完成，下料管采用軟管。

本文針對(duì)圖2中所示的整平架，設(shè)計(jì)了一套整平作業(yè)水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要融合GPS、壓力傳感器、傾斜儀、高度計(jì)等設(shè)備，解決高精度的高程傳遞問(wèn)題，確保整平后碎石面高程滿足設(shè)計(jì)要求。

1 高程監(jiān)測(cè)方法

整平架料斗口高程監(jiān)測(cè)采用兩種獨(dú)立的方法，以便相互檢核。

1.1 GPS RTK+傾斜儀

圖3 GPS RTK+傾斜儀測(cè)量方法

在岸邊設(shè)立GPS基準(zhǔn)站，實(shí)時(shí)播發(fā)差分信息，通過(guò)安裝在整平架上露出水面的垂直定位桿上的GPS流動(dòng)站對(duì)整平架進(jìn)行實(shí)時(shí)三維定位，再根據(jù)整平架與料斗之間的相對(duì)位置關(guān)系和姿態(tài)儀數(shù)據(jù)，推算得到料斗口的實(shí)時(shí)高程信息，指導(dǎo)整平作業(yè)。GPS RTK的高程精度約為20 mm，傾斜儀精度為0.005°(圖3)。

設(shè)GPS得到的高程值為HGPS，傾斜儀測(cè)得的整平架的姿態(tài)為橫傾R和縱傾P，GPS天線到料斗口的高差為固定值H0，則可按下式計(jì)算得到料斗口的高程值H

圖4 壓力傳感器測(cè)量方法

(1)

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器是一種壓強(qiáng)測(cè)量設(shè)備，按照阿基米德原理的液體壓強(qiáng)公式

P=ρ×g×h

(2)

式中：P為壓力傳感器測(cè)得的壓強(qiáng)值，ρ是水密度，g是重力加速度，h為入水深度。根據(jù)這個(gè)公式，可以得到整平架的入水深度。

圖5 整平架監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置及坐標(biāo)系示意圖

在岸邊用壓力傳感器設(shè)立驗(yàn)潮站，在整平架上安裝多個(gè)壓力傳感器，通過(guò)平均海平面將標(biāo)高信息傳遞到整平架上，從而得到料斗口的高程。為了減小涌浪的影響，對(duì)壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。壓力傳感器精度為0.01%FS，60 m量程的精度為6 mm(圖4)。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝與標(biāo)定

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

高程監(jiān)測(cè)采用的設(shè)備GPS RTK、壓力傳感器和傾斜儀等，均安裝在整平架上；移動(dòng)料斗上安裝2臺(tái)高度計(jì)，用于整平后碎石面的高程檢測(cè)，設(shè)備安裝位置如圖5所示。

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)定

整平架上的監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完成后，下水測(cè)試前，在陸地上采用全站儀進(jìn)行設(shè)備的校準(zhǔn)和標(biāo)定，具體方法如下所述。

(1)標(biāo)定前首先建立整平架三維坐標(biāo)系，如圖5所示，整平前進(jìn)方向?yàn)閅軸，右舷方向?yàn)閄軸，框體兩邊軌道頂面為整平架的零基面，Z軸垂直于零基面，向上為正。

(2)設(shè)備偏移量取。采用全站儀對(duì)整平架上所有的設(shè)備進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，按照整平架的三維模型，獲取各個(gè)設(shè)備的三維偏移量。

(3)傾斜儀校準(zhǔn)。用全站儀觀測(cè)整平架零基面上4個(gè)角點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)調(diào)整液壓支腿高度，使整平架呈水平狀態(tài)，記錄傾斜儀的數(shù)據(jù)，通過(guò)4個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出整平架的Pitch和Roll值，與傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，最終將差值的均值作為傾斜儀的改正值。

(4)GPS RTK天線標(biāo)定。采用全站儀觀測(cè)GPS RTK天線在整平架坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)。觀測(cè)時(shí)應(yīng)變換全站儀設(shè)站位置和儀器高，取所有結(jié)果的均值作為GPS RTK天線的標(biāo)定值。

表1 偏移量標(biāo)定結(jié)果

(5)高度計(jì)標(biāo)定。采用全站儀觀測(cè)高度計(jì)和零基面之間的高差，并進(jìn)行多站觀測(cè)，取所有結(jié)果的均值作為高度計(jì)的標(biāo)定值。

(6)壓力傳感器標(biāo)定。作業(yè)前將所有壓力傳感器放在空氣中進(jìn)行大氣壓測(cè)量，分別記錄各自初始值進(jìn)行改正。

本次試驗(yàn)中設(shè)備標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

3 整平精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)閺V州珠江某內(nèi)河碼頭，在該區(qū)域控制點(diǎn)上架設(shè)GPS基站，用于整平架測(cè)量桿頂部2個(gè)GPS RTK進(jìn)行位置改正；在碼頭邊建立驗(yàn)潮站，通過(guò)無(wú)線電實(shí)時(shí)播發(fā)水位數(shù)據(jù)，用于壓力傳感器高程傳遞。

整平架入水就位完成后，共鋪設(shè)了Row2、Row3和Row4等3個(gè)條帶的碎石，如圖6所示，其中陰影部分為鋪石區(qū)域。Row2鋪設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)高為-1.10 m，Row3鋪設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)高為-0.922 m，Row4鋪設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)高為-0.915 m。

3.1 漏斗口高程推算

用GPS RTK和4個(gè)壓力傳感器2種方式分別推算料斗口的高程，可以作為高程的內(nèi)符合精度。整平架座底后，GPS RTK推算得到的料斗口高程為-0.794 m，壓力傳感器1推算為-0.803 m，壓力傳感器2推算為-0.802 m，壓力傳感器3推算為-0.782 m，壓力傳感器4推算為-0.800 m，平均差值11 mm，最大差值為21 mm。該差值包含了設(shè)備誤差、整平架形變誤差等因素，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 整平后檢測(cè)

碎石鋪設(shè)整平結(jié)束后，用高度計(jì)對(duì)碎石面的標(biāo)高進(jìn)行檢測(cè)，以Row3為例進(jìn)行說(shuō)明。圖7為高度計(jì)測(cè)量得到的高程與設(shè)計(jì)高程的斷面圖。Row3高度計(jì)后檢測(cè)有效采集數(shù)據(jù)點(diǎn)共186個(gè)，其中高度計(jì)檢測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程偏差超過(guò)40 mm的12個(gè)，平均偏差14 mm，最大偏差69 mm，合格率約為93.5%。

圖6 碎石鋪設(shè)區(qū)域

Fig.6 Gravel spreaded area圖7 高度計(jì)檢測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程

Fig.7 Altimeter result and designed elevation

圖8 剛性測(cè)量桿與測(cè)量點(diǎn)位

3.3 測(cè)量桿檢測(cè)

表2 檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

高度計(jì)檢測(cè)后，采用潛水員輔助剛性測(cè)量桿的方式，在岸邊用全站儀檢測(cè)了碎石基礎(chǔ)的標(biāo)高，本次檢測(cè)共選取了6個(gè)點(diǎn)(圖8)。

高度計(jì)和測(cè)量桿兩種方式可以作為高程的外符合精度檢測(cè)。表2中列出了每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高、高度計(jì)檢測(cè)結(jié)果、測(cè)量桿全站儀檢測(cè)結(jié)果及差值。從表中可以看出，高度計(jì)與全站儀檢測(cè)結(jié)果最大差值15 mm，平均差值7.8 mm；全站儀檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)標(biāo)高最大差值34 mm，平均差值17.5 mm，6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的誤差均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)高度計(jì)和剛性測(cè)量桿兩種方式檢測(cè)了碎石整平后的效果，高度計(jì)是整體檢測(cè)，剛性測(cè)量桿是任意選點(diǎn)檢測(cè)，兩種檢測(cè)結(jié)果的符合性滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了GPS RTK和壓力傳感器兩種整平監(jiān)測(cè)方法的可行性，為今后水下基礎(chǔ)整平類(lèi)的項(xiàng)目提供了借鑒。

本次實(shí)驗(yàn)中仍然存在部分高程超限點(diǎn)，下一步要在減小誤差、提高精度、整平架形變修正、平均海平面高程傳遞等方面繼續(xù)開(kāi)展研究，提高高程的準(zhǔn)確性，以便在今后施工中提升整平的合格率，減少二次返工，提高碎石整平作業(yè)效率。