深中通道沉管隧道基槽整平多波束檢測方法

歷 昌,劉芝波*,李含廣

(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)院有限公司,天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

深中通道是繼港珠澳大橋后我國又一世界級(jí)的集跨海橋梁、海底隧道、海中人工島與地下互通于一體的超大型跨海集群工程,是國家“十三五”確定建設(shè)的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目,地處珠江口核心區(qū)域,沉管隧道全長約6.8 km,由32個(gè)管節(jié)和1個(gè)最終接頭組成。E32管節(jié)是首個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié),寬度由53.6 m逐漸變寬至55.46 m,具有“超寬、變寬、深埋”等技術(shù)特點(diǎn),其中管節(jié)基槽碎石整平限差要求不超過±4 cm[1]。

隧道工程需高度關(guān)注的主要問題包括基槽開挖后基槽及邊坡的穩(wěn)定性、基槽內(nèi)回淤情況等[2-6]。港珠澳大橋施工過程中,E1～E14管節(jié)因基槽內(nèi)回淤較小,管節(jié)安放相對(duì)順利。在E15管節(jié)的浮運(yùn)安裝過程中,基槽內(nèi)出現(xiàn)了異常的泥沙淤積現(xiàn)象,管節(jié)安裝工作被迫中止,嚴(yán)重制約了建設(shè)進(jìn)度,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[7]。辛文杰等[8]利用大量實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)港珠澳大橋沉管隧道試挖槽的回淤特征進(jìn)行了論述。金文良等[3]對(duì)深中通道沉管隧道試挖槽回淤特征進(jìn)行了分析研究。楊華等[7]結(jié)合多重水深、水文等條件,對(duì)港珠澳大橋沉管隧道基槽的回淤建立數(shù)學(xué)模型。相比于上述長周期的監(jiān)測,短周期內(nèi)的高頻次監(jiān)測,能夠更加直觀反映施工期間的回淤量,對(duì)于超過清淤標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域及時(shí)給出反饋及預(yù)警信息,對(duì)沉管隧道的現(xiàn)場施工具有重要的指導(dǎo)意義[4,9]。

如何將多波束的絕對(duì)測深精度控制在±4 cm之內(nèi),是亟需解決的技術(shù)難題。選取深中通道E32～E29管節(jié)基槽作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在對(duì)傳統(tǒng)多波束測量方法多手段進(jìn)行優(yōu)化后,提出了深度直接標(biāo)定的方法,以提升多波束絕對(duì)測深精度。在E32管節(jié)海上施工期間進(jìn)行了數(shù)次多波束掃測,完成了多節(jié)點(diǎn)回淤監(jiān)測及碎石整平檢測,結(jié)合多種驗(yàn)證手段,驗(yàn)證了多波束測深的準(zhǔn)確性,為后續(xù)相關(guān)施工提供了參考依據(jù)。

1 檢測思路

1.1 多波束方法

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步,多波束測深系統(tǒng)仍是當(dāng)今海洋測繪領(lǐng)域中水深測量方向最先進(jìn)的測量設(shè)備,具有掃測范圍全覆蓋、掃測過程高效率、掃測結(jié)果高精度等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于常規(guī)水深測量、水下結(jié)構(gòu)物檢測、障礙物掃測、海上應(yīng)急打撈掃測等相關(guān)工程中。本次檢測采用的主要方法為多波束掃測,并提出了一種深度絕對(duì)值標(biāo)定方法,用于提高多波束的絕對(duì)測深精度。

1.2 回淤盒方法

為了驗(yàn)證多波束聲吶測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,在管節(jié)正式浮運(yùn)至隧址前的相關(guān)工序內(nèi),采用海底布放回淤監(jiān)測點(diǎn)放置回淤盒的手段,定期布放、回收,量取沉積物厚度,以達(dá)到監(jiān)測回淤量及驗(yàn)證的目的。該方法優(yōu)勢在于不會(huì)受到聲學(xué)設(shè)備的各種因素干擾,測量的絕對(duì)精度高,能夠達(dá)到毫米級(jí)別[7]。

1.3 整平架方法

為確保碎石基礎(chǔ)的質(zhì)量控制,在碎石整平作業(yè)期間,通過安裝在整平架上的特制高精度聲吶設(shè)備來對(duì)碎石面頂部進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,整平架聲吶位置能夠通過光電手段精確標(biāo)定得到,進(jìn)而可由相對(duì)位置得到碎石面的實(shí)時(shí)標(biāo)高。該聲吶數(shù)據(jù)可用于對(duì)多波束進(jìn)行復(fù)核,驗(yàn)證其測深精度。該方法的優(yōu)勢在于干擾因素少,聲吶距離目標(biāo)近,測量的絕對(duì)誤差小于多波束而絕對(duì)精度高于多波束。

2 多波束檢測法

2.1 常規(guī)工序質(zhì)量控制

影響多波束水深測量精度的因素較多且不易控制[10],獲取高精度水下地形必須經(jīng)過嚴(yán)格的各項(xiàng)設(shè)備、參數(shù)的校正。本工程采用國際領(lǐng)先水平的Teledyne SeaBat T50-P多波束測深儀,該設(shè)備標(biāo)稱精度能夠達(dá)到6 mm的量程分辨率,測深理論值可滿足施工要求,但是由于多波束測量系統(tǒng)輔助傳感器設(shè)備較多,誤差源隨之增多(如多波束量程誤差、邊緣波束誤差、姿態(tài)誤差、聲速誤差、潮位誤差等),根據(jù)誤差傳播定律,測深誤差會(huì)超過本工程限差要求[11-12]。為削弱各誤差帶來的影響,對(duì)各環(huán)節(jié)的誤差源進(jìn)行分析,并采取對(duì)應(yīng)措施來減弱(消除)各項(xiàng)誤差影響,結(jié)合現(xiàn)場施工作業(yè)面多、工程技術(shù)復(fù)雜、精度要求高等特點(diǎn),平面定位采用GPS-RTK測量系統(tǒng),其定位精度優(yōu)于±2 cm;設(shè)備間數(shù)據(jù)均采用1PPS秒脈沖時(shí)間同步系統(tǒng),以消除時(shí)延對(duì)多波束系統(tǒng)的誤差影響;考慮到由淺灘到深槽的水深驟變,多波束采用小開角(60°)測量以減小邊緣波束的影響;在特征水下地形處,嚴(yán)格執(zhí)行多波束的橫搖、縱搖、艏搖各項(xiàng)參數(shù)校正(姿態(tài)精確到0.01°);加密聲速測量頻率,以消除珠江口水域水團(tuán)條件變化復(fù)雜的影響;布設(shè)雙驗(yàn)潮站,并嚴(yán)格執(zhí)行氣壓采集及校正,以削弱潮位引起的測量誤差;換能器通過不銹鋼桿與船體剛性連接,確保穩(wěn)定牢固[11,13-15]。

2.2 絕對(duì)深度直接標(biāo)定

目前現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未見能滿足該工程項(xiàng)目多波束的測深精度要求(±4 cm)的具體方法。經(jīng)過上述各項(xiàng)優(yōu)化測量后,還需要對(duì)多波束測深值進(jìn)行進(jìn)一步校正。為此,提出一種深度直接標(biāo)定法,選擇海底已知特征目標(biāo)物,進(jìn)行絕對(duì)水深值(標(biāo)高值)標(biāo)定測量。該海底目標(biāo)物具備特征明顯、表面光滑等特點(diǎn),且其深度(標(biāo)高)可通過其他方法精確獲得,在每次多波束測量前進(jìn)行一次直接標(biāo)定。

本次特征物選取在龍穴島黃船海洋工程有限公司深中通道E24～E32管節(jié)預(yù)制場內(nèi),特征物為管節(jié)一次標(biāo)定測量所使用的觀測樁,觀測樁位于預(yù)制場船塢內(nèi),觀測樁頂部絕對(duì)標(biāo)高可通過與陸地已知高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行控制測量,通過光電方法(全站儀)測量得到,該方法的精度可以達(dá)到毫米級(jí)別。多波束正式掃測作業(yè)前,船塢內(nèi)注水,測量船對(duì)觀測樁進(jìn)行掃測,將2種方法測量結(jié)果進(jìn)行擬合計(jì)算,用于標(biāo)定多波束的絕對(duì)深度。

絕對(duì)深度直接標(biāo)定法是一種直接驗(yàn)證的方法,其反映了多波束測量的各種誤差的綜合,且標(biāo)定結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.3 歷次掃測統(tǒng)計(jì)分析

標(biāo)定完成后,對(duì)E32～E29管節(jié)基槽區(qū)域進(jìn)行全覆蓋掃測。本次整平多波束檢測選取2個(gè)區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)2個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：區(qū)域1為E29管節(jié)基槽區(qū)域,該區(qū)域已完成基槽粗挖,且測量期間未進(jìn)行水下施工作業(yè),地形特征明顯,可作為多波束校準(zhǔn)及回淤監(jiān)測實(shí)驗(yàn)區(qū)域;區(qū)域2為E32管節(jié)基槽區(qū)域,目的是驗(yàn)證與后文整平架監(jiān)測數(shù)據(jù)的符合性。本次實(shí)驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了8次掃測,監(jiān)測時(shí)間為2021年8月4日至8月28日,涵蓋了E32管節(jié)的基槽清淤及驗(yàn)收、塊石拋夯、碎石整平及驗(yàn)收等過程。

將E29管節(jié)歷次掃測結(jié)果經(jīng)剔除異常水深值等數(shù)據(jù)處理流程后,按照0.3 m的水深點(diǎn)間距進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出,并記該水深文件依次為D1、D2、……、Dn。為確保每次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)范圍一致,在Hypack軟件中統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域裁剪,通過對(duì)當(dāng)次掃測結(jié)果與前一次掃測結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算(即Dn+1-Dn,其中n為監(jiān)測次數(shù),n∈Z),可得到當(dāng)前基槽回淤厚度(其中負(fù)值代表回淤,正值代表沖刷),通過繪制圖的方式,可以非常直觀地確定回淤區(qū)域,如圖1所示。

圖1 多波束掃測水深差值圖Fig.1 Difference map of multibeam sweeping bathymetric soundings

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可得到每兩期間的回淤量,根據(jù)間隔天數(shù),計(jì)算當(dāng)期內(nèi)回淤強(qiáng)度,結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 多波束回淤監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of multibeam siltation monitoring data

表2 多波束監(jiān)測數(shù)據(jù)及回淤盒監(jiān)測數(shù)據(jù)差值表Tab.2 The difference data of multibeam monitoring data and back silting box monitoring data cm

由歷次多波束測量數(shù)據(jù)分析,結(jié)合相關(guān)水文信息,可以得到：(1)基本與工程海域洪季流量大、挾沙量大,且北坡為上游,為泥沙的主要來源的規(guī)律吻合;根據(jù)潛水探摸結(jié)果,泥沙表現(xiàn)特征主要為淤泥,混有少量砂;(2)監(jiān)測期間,第2、第6次處于大潮汛期間,工程區(qū)域內(nèi)流速大,挾沙量大,日平均回淤量較第3、第4、第5次較大,符合該區(qū)域的基本規(guī)律;(3)通過分析可以得到,邊坡回淤量遠(yuǎn)小于基槽底部,且從邊坡至基槽底部回淤量呈現(xiàn)增大趨勢,在大潮汛期間,北側(cè)平均回淤量略大于南側(cè)平均回淤量,其余時(shí)間段內(nèi),兩側(cè)基本持平。

3 回淤盒驗(yàn)證法

為避免多波束系統(tǒng)聲學(xué)條件引起的測量誤差,選取回淤監(jiān)測盒裝置來對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行測量驗(yàn)證?；赜俸斜O(jiān)測法屬于物理方法,不受各種聲學(xué)因素引起的誤差影響,絕對(duì)精度高。在E29管節(jié)基槽粗挖完成后,在基槽內(nèi)布放10個(gè)回淤監(jiān)測盒,覆蓋管節(jié)整個(gè)基槽區(qū)域,如圖2所示。

圖2 回淤監(jiān)測盒布置圖Fig.2 Layout of back silting monitoring box

回淤盒布放和回收由潛水員完成,水下平面位置由超短基線確定,可達(dá)到亞米級(jí)精度。潛水員攜帶超短基線信標(biāo),通過導(dǎo)航定位軟件指導(dǎo)前往指定位置,放置回淤盒并固定?；赜俦O(jiān)測盒于每次多波束掃測前完成布放,于下一次多波束掃測前完成回收,對(duì)回淤盒進(jìn)行統(tǒng)一回收后,經(jīng)靜置沉淀量取回淤厚度并記錄[16]。該方法沒有多余的聲學(xué)條件干擾,測量精度高,可達(dá)到毫米級(jí)別[7]。

選擇各回淤盒半徑50 cm內(nèi)的多波束水深點(diǎn)與該回淤盒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將回淤盒監(jiān)測結(jié)果與多波束監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果參見表 2(其中多波束水深為平均值)。

可以看出,多波束掃測結(jié)果與回淤監(jiān)測盒的結(jié)果基本相符,多波束數(shù)據(jù)與回淤盒數(shù)據(jù)差值最大不超過1 cm,驗(yàn)證了多波束測深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,多波束數(shù)據(jù)可作為回淤監(jiān)測的可靠手段。

4 整平架驗(yàn)證法

碎石整平的質(zhì)量控制是沉管順利沉放的最終保障。在碎石基礎(chǔ)整平過程中,通過整平架上安裝的特制聲吶設(shè)備,對(duì)碎石面高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,用以指導(dǎo)整平施工作業(yè),控制整平料斗下料速度及小車行進(jìn)速度,由于測距很短,可以確保探測精度在±40 mm之內(nèi)[17]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于誤差來源少,絕對(duì)精度優(yōu)于多波束,能夠確保料斗口中心位置絕對(duì)標(biāo)高滿足要求,可作為檢驗(yàn)多波束數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。但因?yàn)槠湓O(shè)備原理,決定了其只能測量沿碎石壟方向(航跡向)的單條數(shù)據(jù),并不能夠檢測到壟的整體結(jié)構(gòu)及周邊壟溝的地形情況,而多波束測深數(shù)據(jù)的全覆蓋、高密度能很好地進(jìn)行補(bǔ)充。

每幅碎石整平作業(yè)開始時(shí),聲吶設(shè)備即實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測數(shù)據(jù),待每幅整平作業(yè)結(jié)束后,將整平監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出,監(jiān)測數(shù)據(jù)位于每壟的中心線上,通過Hypack軟件TIN模塊的差值計(jì)算功能,得到多波束數(shù)據(jù)與整平監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值圖,如圖3所示。

圖3 整平架監(jiān)測數(shù)據(jù)及多波束與整平架監(jiān)測數(shù)據(jù)差值圖Fig.3 Leveling frame monitoring data and difference map of multibeam sweeping data and leveling frame monitoring data

本次統(tǒng)計(jì)為剔除各類異常差值的分析結(jié)果,共計(jì)統(tǒng)計(jì)水深38 220個(gè),按照0.01 m的區(qū)間間隔進(jìn)行匯總,繪制二者差值分布圖,如圖4所示。

圖4 多波束數(shù)據(jù)與整平架監(jiān)測數(shù)據(jù)差值分布圖Fig.4 Distribution of difference between multi beam data and leveling frame monitoring data

根據(jù)比對(duì)結(jié)果,多波束數(shù)據(jù)與整平架數(shù)據(jù)最大差值為±0.06 m,最小差值±0.00 m,偏差值分布具有高度對(duì)稱性。差值低于±0.02 m的數(shù)據(jù)占比達(dá)到90%以上,結(jié)果表明多波束數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,可以作為檢測碎石整平效果的有效手段,并可作為上文回淤監(jiān)測的有效補(bǔ)充。

5 結(jié)果分析

經(jīng)過比對(duì)驗(yàn)證絕對(duì)深度標(biāo)定的多波束測量方法與物理回淤盒方法、單點(diǎn)高精度聲吶方法,多波束的絕對(duì)精度得到了有效驗(yàn)證,能夠滿足沉管隧道基礎(chǔ)施工的相關(guān)精度要求。結(jié)合歷次數(shù)據(jù),可以得到：

(1)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,大潮期間回淤量最大,中潮次之,小潮最小,由大潮—中潮—小潮呈現(xiàn)減小趨勢。

(2)在基槽清淤至塊石整平期間,共計(jì)歷時(shí)8 d,回淤量較大,期間有大風(fēng)天氣,對(duì)回淤量增大產(chǎn)生了一定影響。

(3)兩種不同手段的比對(duì)驗(yàn)證方式均為多波束的準(zhǔn)確性提供了可靠的參考依據(jù)。相比較而言,回淤盒為點(diǎn)狀監(jiān)測,整平架為線狀監(jiān)測,多波束為面狀監(jiān)測,三者的精度都達(dá)到了施工標(biāo)準(zhǔn)要求,多波束因其全覆蓋、高效率、多成果的優(yōu)點(diǎn),成為回淤監(jiān)測及碎石基礎(chǔ)檢測的首選方法。

(4)碎石整平后對(duì)E32碎石基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)收,通過多波束海量數(shù)據(jù)生成海底三維地形圖如圖5所示,從圖5中能初步判讀基槽邊坡是否順暢,是否存在塌方隱患,碎石基床壟的平整度及是否存在碎石落淤、壟面及壟溝的形狀,為管節(jié)安裝決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 E32碎石整平后多波束水深三維圖Fig.5 Three-dimensional map of multibeam soundings of E32 tube gravel leveling foundation

(5)因E32管節(jié)沉放及后續(xù)管節(jié)沉放期間處于臺(tái)風(fēng)多發(fā)季節(jié),而管節(jié)浮運(yùn)沉放對(duì)風(fēng)浪、海流等要素的要求較高,若碎石整平完成后不能第一時(shí)間進(jìn)行管節(jié)的浮運(yùn)沉放,需要定期對(duì)基槽進(jìn)行回淤監(jiān)測,查明碎石基床回淤量是否超過限差要求,并及時(shí)進(jìn)行清淤處理,保障管節(jié)的順利沉放,多波束在該環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。

(6)碎石基礎(chǔ)驗(yàn)收完畢后,E32管節(jié)由寄放區(qū)經(jīng)浮運(yùn)航道浮運(yùn)至深圳東人工島隧址海域,經(jīng)沉放、拉合、水力壓接等工序后,開水密門對(duì)管節(jié)內(nèi)部進(jìn)行貫通測量,結(jié)果顯示E32管節(jié)艏端高程偏差小于2 cm、艉端高程偏差小于1 cm,再次驗(yàn)證了本次多波束測量方法的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

文章以深中通道沉管隧道項(xiàng)目為背景,采用E29～E32管節(jié)基槽作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)多波束測深精度提升進(jìn)行了優(yōu)化完善,提出了基于標(biāo)定場的絕對(duì)深度標(biāo)定法用于校準(zhǔn)多波束的絕對(duì)測深精度,確保了多波束測深數(shù)據(jù)的高質(zhì)量和高精度,輔以回淤盒監(jiān)測、整平架聲吶監(jiān)測、管內(nèi)貫通測量等方式對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,解決了碎石基礎(chǔ)高程限差±4 cm的技術(shù)難題,可為同類工程中高精度多波束測深提供參考。

隨著多波束測深設(shè)備性能指標(biāo)的提升及輔助設(shè)備的升級(jí),多波束在相關(guān)國內(nèi)外水下大型結(jié)構(gòu)物工程中發(fā)揮的作用也越來越大。將多波束的絕對(duì)測深精度提升后,可通過多波束系統(tǒng)為大型、精細(xì)化水下結(jié)構(gòu)物的施工、檢測、維護(hù)等提供更精細(xì)化的數(shù)據(jù)參考,對(duì)施工決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。