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，在穩固地基、承擔主懸索斜向拉力等方面有重要作用。考慮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可模擬形成水下環境的聲吶圖像，首次應用于五峰山大橋錨碇沉井水下檢測。相較于傳統的測繩測量，水下三維聲吶探測技術可通過水下成像顯示整個沉井隔艙底面及井壁的狀態，判斷刃腳埋深及懸空狀態，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可縮短數據采集時間，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鋼桁梁懸索橋形式。

五峰山長江特大橋北岸錨碇沉井基礎長和寬分別為100.7 m和72.1 m，高56 m，共分12節，目前是我國規模最大的沉井。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，經多年的江水沖刷，以沉積體形式存在，基底地質較為復雜。為保障作業安全與施工質量，需及時掌握沉井下沉狀態，對隔倉底面及井壁進行實時監控。

2 水下三維聲吶探測系統

三維圖像聲吶系統又稱為三維全景成像聲吶系統，是當前最先進的聲吶探測系統之一[4-5]。本文應用的Blue View 5000三維圖像聲吶系統是水下三維探測系統的典型代表，通過圖像聲吶發射和接收聲吶波束，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通過聲吶頭向目標發射和接收聲波信號，獲取1°垂直面內的二維云圖信息，通過機械驅動聲吶頭旋轉掃測，最終由計算機將360°范圍內的二維數據合成三維圖像，形成三維點云立體圖像，將水下地形、結構和目標物的形狀、尺寸大小、位置信息實時地反應出來，如圖1所示。

2.2 系統組成

BV5000水下三維聲吶探測系統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、數據傳輸線纜，軟件包括研發團隊自主開發的 Proscan、Meshlab和第三方軟件 Cyclone、Recap等及若干驅動程序。BV5000可生成水下地形、結構和目標物的高分辨圖像，聲吶采用緊湊型低重量設計，便于在三腳架或ROV上安裝，該設備整體性能比較穩定，30 m范圍內的長度誤差可控制在4 cm內，角度誤差在1°以內，具體技術參數見表1。

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

表1 BV5000水下聲吶探測系統相關技術參數Table 1 Technical parameters of BV5000 underwater sonar detection system

3 三維聲吶探測系統在錨碇沉井中的應用實例

本文采用BV5000三維聲吶掃測設備對五峰山特大沉井進行水下檢測，由于沉井底面地質復雜，傳統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360°，掃測1圈所用時間為6 min，獲取1個隔倉的水下實時數據僅需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果，選取典型的隔倉掃測結果進行分析。

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，隔艙內部揚州側泥面較高，淤泥較厚，并向鎮江側緩慢降低。

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號隔艙揚州側井壁剖面見圖4，從圖中可以看到揚州側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；揚州側與下游側拐角處有部分鏤空危險，需要合理控制抽泥位置。

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

33號隔艙鎮江側井壁懸空，中間區域懸空距離在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，靠近上游側和揚州側夾角處出現堆積層，下游側附近碎石未能填充到位。

11號隔艙上游側碎石層：揚州側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號隔艙下游側碎石層：鎮江側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后，鋪設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，靠近下游側有一小堆，無明顯較低點。

34號隔艙上游側厚混凝土墊層：上游側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號隔艙下游側厚混凝土墊層：下游側底面到剪力鍵距離在6.05～5.79 m之間，最大高差0.26 m，鎮江側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 結語

由本文典型沉井隔倉掃測結果可以看到，三維聲吶探測系統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。