歷 昌,劉芝波*,李含廣

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津 300456;2.天津水運工程勘察設計院有限公司,天津市水運工程測繪技術重點實驗室,天津 300456)

深中通道是繼港珠澳大橋后我國又一世界級的集跨海橋梁、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”確定建設的重大交通基礎設施項目,地處珠江口核心區(qū)域,沉管隧道全長約6.8 km,由32個管節(jié)和1個最終接頭組成。E32管節(jié)是首個非標準管節(jié),寬度由53.6 m逐漸變寬至55.46 m,具有“超寬、變寬、深埋”等技術特點,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)因基槽內回淤較小,管節(jié)安放相對順利。在E15管節(jié)的浮運安裝過程中,基槽內出現了異常的泥沙淤積現象,管節(jié)安裝工作被迫中止,嚴重制約了建設進度,造成了巨大的經濟損失[7]。辛文杰等[8]利用大量實測數據對港珠澳大橋沉管隧道試挖槽的回淤特征進行了論述。金文良等[3]對深中通道沉管隧道試挖槽回淤特征進行了分析研究。楊華等[7]結合多重水深、水文等條件,對港珠澳大橋沉管隧道基槽的回淤建立數學模型。相比于上述長周期的監(jiān)測,短周期內的高頻次監(jiān)測,能夠更加直觀反映施工期間的回淤量,對于超過清淤標準區(qū)域及時給出反饋及預警信息,對沉管隧道的現場施工具有重要的指導意義[4,9]。

如何將多波束的絕對測深精度控制在±4 cm之內,是亟需解決的技術難題。選取深中通道E32～E29管節(jié)基槽作為實驗對象,在對傳統(tǒng)多波束測量方法多手段進行優(yōu)化后,提出了深度直接標定的方法,以提升多波束絕對測深精度。在E32管節(jié)海上施工期間進行了數次多波束掃測,完成了多節(jié)點回淤監(jiān)測及碎石整平檢測,結合多種驗證手段,驗證了多波束測深的準確性,為后續(xù)相關施工提供了參考依據。

1 檢測思路

1.1 多波束方法

隨著科技的發(fā)展與進步,多波束測深系統(tǒng)仍是當今海洋測繪領域中水深測量方向最先進的測量設備,具有掃測范圍全覆蓋、掃測過程高效率、掃測結果高精度等諸多優(yōu)點,廣泛應用于常規(guī)水深測量、水下結構物檢測、障礙物掃測、海上應急打撈掃測等相關工程中。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值標定方法,用于提高多波束的絕對測深精度。

1.2 回淤盒方法

為了驗證多波束聲吶測量數據的準確性,在管節(jié)正式浮運至隧址前的相關工序內,采用海底布放回淤監(jiān)測點放置回淤盒的手段,定期布放、回收,量取沉積物厚度,以達到監(jiān)測回淤量及驗證的目的。該方法優(yōu)勢在于不會受到聲學設備的各種因素干擾,測量的絕對精度高,能夠達到毫米級別[7]。

1.3 整平架方法

為確保碎石基礎的質量控制,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備來對碎石面頂部進行實時測量,整平架聲吶位置能夠通過光電手段精確標定得到,進而可由相對位置得到碎石面的實時標高。該聲吶數據可用于對多波束進行復核,驗證其測深精度。該方法的優(yōu)勢在于干擾因素少,聲吶距離目標近,測量的絕對誤差小于多波束而絕對精度高于多波束。

2 多波束檢測法

2.1 常規(guī)工序質量控制

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過嚴格的各項設備、參數的校正。本工程采用國際領先水平的Teledyne SeaBat T50-P多波束測深儀,該設備標稱精度能夠達到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),根據誤差傳播定律,測深誤差會超過本工程限差要求[11-12]。為削弱各誤差帶來的影響,對各環(huán)節(jié)的誤差源進行分析,并采取對應措施來減弱(消除)各項誤差影響,結合現場施工作業(yè)面多、工程技術復雜、精度要求高等特點,平面定位采用GPS-RTK測量系統(tǒng),其定位精度優(yōu)于±2 cm;設備間數據均采用1PPS秒脈沖時間同步系統(tǒng),以消除時延對多波束系統(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,嚴格執(zhí)行多波束的橫搖、縱搖、艏搖各項參數校正(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條件變化復雜的影響;布設雙驗潮站,并嚴格執(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 絕對深度直接標定

目前現有行業(yè)標準未見能滿足該工程項目多波束的測深精度要求(±4 cm)的具體方法。經過上述各項優(yōu)化測量后,還需要對多波束測深值進行進一步校正。為此,提出一種深度直接標定法,選擇海底已知特征目標物,進行絕對水深值(標高值)標定測量。該海底目標物具備特征明顯、表面光滑等特點,且其深度(標高)可通過其他方法精確獲得,在每次多波束測量前進行一次直接標定。

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)預制場內,特征物為管節(jié)一次標定測量所使用的觀測樁,觀測樁位于預制場船塢內,觀測樁頂部絕對標高可通過與陸地已知高等級控制點進行控制測量,通過光電方法(全站儀)測量得到,該方法的精度可以達到毫米級別。多波束正式掃測作業(yè)前,船塢內注水,測量船對觀測樁進行掃測,將2種方法測量結果進行擬合計算,用于標定多波束的絕對深度。

絕對深度直接標定法是一種直接驗證的方法,其反映了多波束測量的各種誤差的綜合,且標定結果更加準確。

2.3 歷次掃測統(tǒng)計分析

標定完成后,對E32～E29管節(jié)基槽區(qū)域進行全覆蓋掃測。本次整平多波束檢測選取2個區(qū)域作為實驗對象,對2個區(qū)域進行掃測數據統(tǒng)計分析：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,且測量期間未進行水下施工作業(yè),地形特征明顯,可作為多波束校準及回淤監(jiān)測實驗區(qū)域;區(qū)域2為E32管節(jié)基槽區(qū)域,目的是驗證與后文整平架監(jiān)測數據的符合性。本次實驗共計進行了8次掃測,監(jiān)測時間為2021年8月4日至8月28日,涵蓋了E32管節(jié)的基槽清淤及驗收、塊石拋夯、碎石整平及驗收等過程。

將E29管節(jié)歷次掃測結果經剔除異常水深值等數據處理流程后,按照0.3 m的水深點間距進行數據導出,并記該水深文件依次為D1、D2、……、Dn。為確保每次的統(tǒng)計數據范圍一致,在Hypack軟件中統(tǒng)一對數據進行區(qū)域裁剪,通過對當次掃測結果與前一次掃測結果進行差值計算(即Dn+1-Dn,其中n為監(jiān)測次數,n∈Z),可得到當前基槽回淤厚度(其中負值代表回淤,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

對上述數據進行統(tǒng)計分析,可得到每兩期間的回淤量,根據間隔天數,計算當期內回淤強度,結果統(tǒng)計如表1所示。

表1 多波束回淤監(jiān)測數據統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of multibeam siltation monitoring data

表2 多波束監(jiān)測數據及回淤盒監(jiān)測數據差值表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據分析,結合相關水文信息,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;根據潛水探摸結果,泥沙表現特征主要為淤泥,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,邊坡回淤量遠小于基槽底部,且從邊坡至基槽底部回淤量呈現增大趨勢,在大潮汛期間,北側平均回淤量略大于南側平均回淤量,其余時間段內,兩側基本持平。

3 回淤盒驗證法

為避免多波束系統(tǒng)聲學條件引起的測量誤差,選取回淤監(jiān)測盒裝置來對多波束數據進行測量驗證?；赜俸斜O(jiān)測法屬于物理方法,不受各種聲學因素引起的誤差影響,絕對精度高。在E29管節(jié)基槽粗挖完成后,在基槽內布放10個回淤監(jiān)測盒,覆蓋管節(jié)整個基槽區(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,可達到亞米級精度。潛水員攜帶超短基線信標,通過導航定位軟件指導前往指定位置,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,對回淤盒進行統(tǒng)一回收后,經靜置沉淀量取回淤厚度并記錄[16]。該方法沒有多余的聲學條件干擾,測量精度高,可達到毫米級別[7]。

選擇各回淤盒半徑50 cm內的多波束水深點與該回淤盒數據進行分析,將回淤盒監(jiān)測結果與多波束監(jiān)測結果進行差值統(tǒng)計,統(tǒng)計結果參見表 2(其中多波束水深為平均值)。

可以看出,多波束掃測結果與回淤監(jiān)測盒的結果基本相符,多波束數據與回淤盒數據差值最大不超過1 cm,驗證了多波束測深數據的準確性,多波束數據可作為回淤監(jiān)測的可靠手段。

4 整平架驗證法

碎石整平的質量控制是沉管順利沉放的最終保障。在碎石基礎整平過程中,通過整平架上安裝的特制聲吶設備,對碎石面高度進行實時監(jiān)測,用以指導整平施工作業(yè),控制整平料斗下料速度及小車行進速度,由于測距很短,可以確保探測精度在±40 mm之內[17]。該方法的優(yōu)點在于誤差來源少,絕對精度優(yōu)于多波束,能夠確保料斗口中心位置絕對標高滿足要求,可作為檢驗多波束數據的技術手段。但因為其設備原理,決定了其只能測量沿碎石壟方向(航跡向)的單條數據,并不能夠檢測到壟的整體結構及周邊壟溝的地形情況,而多波束測深數據的全覆蓋、高密度能很好地進行補充。

每幅碎石整平作業(yè)開始時,聲吶設備即實時記錄監(jiān)測數據,待每幅整平作業(yè)結束后,將整平監(jiān)測數據導出,監(jiān)測數據位于每壟的中心線上,通過Hypack軟件TIN模塊的差值計算功能,得到多波束數據與整平監(jiān)測數據的差值圖,如圖3所示。

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

本次統(tǒng)計為剔除各類異常差值的分析結果,共計統(tǒng)計水深38 220個,按照0.01 m的區(qū)間間隔進行匯總,繪制二者差值分布圖,如圖4所示。

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

根據比對結果,多波束數據與整平架數據最大差值為±0.06 m,最小差值±0.00 m,偏差值分布具有高度對稱性。差值低于±0.02 m的數據占比達到90%以上,結果表明多波束數據準確可靠,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)測的有效補充。

5 結果分析

經過比對驗證絕對深度標定的多波束測量方法與物理回淤盒方法、單點高精度聲吶方法,多波束的絕對精度得到了有效驗證,能夠滿足沉管隧道基礎施工的相關精度要求。結合歷次數據,可以得到：

(1)在整個實驗過程中,大潮期間回淤量最大,中潮次之,小潮最小,由大潮—中潮—小潮呈現減小趨勢。

(2)在基槽清淤至塊石整平期間,共計歷時8 d,回淤量較大,期間有大風天氣,對回淤量增大產生了一定影響。

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

(4)碎石整平后對E32碎石基礎進行驗收,通過多波束海量數據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)安裝決策提供數據支持。

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)沉放期間處于臺風多發(fā)季節(jié),而管節(jié)浮運沉放對風浪、海流等要素的要求較高,若碎石整平完成后不能第一時間進行管節(jié)的浮運沉放,需要定期對基槽進行回淤監(jiān)測,查明碎石基床回淤量是否超過限差要求,并及時進行清淤處理,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)碎石基礎驗收完畢后,E32管節(jié)由寄放區(qū)經浮運航道浮運至深圳東人工島隧址海域,經沉放、拉合、水力壓接等工序后,開水密門對管節(jié)內部進行貫通測量,結果顯示E32管節(jié)艏端高程偏差小于2 cm、艉端高程偏差小于1 cm,再次驗證了本次多波束測量方法的準確性。

6 結論

文章以深中通道沉管隧道項目為背景,采用E29～E32管節(jié)基槽作為實驗對象,對多波束測深精度提升進行了優(yōu)化完善,提出了基于標定場的絕對深度標定法用于校準多波束的絕對測深精度,確保了多波束測深數據的高質量和高精度,輔以回淤盒監(jiān)測、整平架聲吶監(jiān)測、管內貫通測量等方式對多波束數據進行驗證,解決了碎石基礎高程限差±4 cm的技術難題,可為同類工程中高精度多波束測深提供參考。

隨著多波束測深設備性能指標的提升及輔助設備的升級,多波束在相關國內外水下大型結構物工程中發(fā)揮的作用也越來越大。將多波束的絕對測深精度提升后,可通過多波束系統(tǒng)為大型、精細化水下結構物的施工、檢測、維護等提供更精細化的數據參考,對施工決策提供可靠的數據支持。