水下三维声呐在锚碇沉井施工中的应用

吴立柱，游斌，何超，吴中正*

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.武汉长江航道救助打捞局，湖北 武汉 430014）

0 引言

沉井作为大型悬索桥锚碇基础，在稳固地基、承担主悬索斜向拉力等方面有重要作用。考虑到沉井施工后期地下水位较高、土压力较大，沉井一般采用不排水方式下沉[1-2]。为保障下沉质量与施工安全，有必要进行沉井水下检测，对井底泥面、刃脚埋深、隔墙脱空等进行合理控制。沉井水下传统检测方法一般采用测绳测量、潜水员潜摸，这些方法缺点明显，工作繁重，测量误差大[3]。

水下三维声呐探测技术可模拟形成水下环境的声呐图像，首次应用于五峰山大桥锚碇沉井水下检测。相较于传统的测绳测量，水下三维声呐探测技术可通过水下成像显示整个沉井隔舱底面及井壁的状态，判断刃脚埋深及悬空状态，碎石找平层及水下混凝土是否填充到位。采用三维声呐探测技术可缩短数据采集时间，减小测量误差，能精确化、可视化指导施工，全面掌握沉井底面情况。

1 工程概述

五峰山长江特大桥桥梁总长6 408.909 m，其中跨江大桥主桥长1 432 m；南北公铁合建段引桥长1 444.799 m（北岸757.9 m，南岸686.899 m）；南北单建铁路引桥长3 532.11 m（北岸2 304.811 m，南岸1 227.299 m）。铁路设计行车速度250 km/h，正线线间距4.6 m，预留两线铁路。高速公路双向八车道，设计行车速度100 km/h，桥面宽度40.5 m。正桥主航道桥采用双塔连续钢桁梁悬索桥形式。

五峰山长江特大桥北岸锚碇沉井基础长和宽分别为100.7 m和72.1 m，高56 m，共分12节，目前是我国规模最大的沉井。沉井采用不排水下沉，基底需入强风化岩层3.80 m。沉井地基处于长江江滩上，经多年的江水冲刷，以沉积体形式存在，基底地质较为复杂。为保障作业安全与施工质量，需及时掌握沉井下沉状态，对隔仓底面及井壁进行实时监控。

2 水下三维声呐探测系统

三维图像声呐系统又称为三维全景成像声呐系统，是当前最先进的声呐探测系统之一[4-5]。本文应用的Blue View 5000三维图像声呐系统是水下三维探测系统的典型代表，通过图像声呐发射和接收声呐波束，形成类似于光学全息效果的水下目标三维点云立体图像，在水下低照明度环境可形成清晰的三维图像[6-8]。

2.1 工作原理

BV5000三维图像声呐系统通过声呐头向目标发射和接收声波信号，获取1°垂直面内的二维云图信息，通过机械驱动声呐头旋转扫测，最终由计算机将360°范围内的二维数据合成三维图像，形成三维点云立体图像，将水下地形、结构和目标物的形状、尺寸大小、位置信息实时地反应出来，如图1所示。

2.2 系统组成

BV5000水下三维声呐探测系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括声呐头、云台、接线盒、支架、数据传输线缆，软件包括研发团队自主开发的 Proscan、Meshlab和第三方软件 Cyclone、Recap等及若干驱动程序。BV5000可生成水下地形、结构和目标物的高分辨图像，声呐采用紧凑型低重量设计，便于在三脚架或ROV上安装，该设备整体性能比较稳定，30 m范围内的长度误差可控制在4 cm内，角度误差在1°以内，具体技术参数见表1。

图1 水下三维声呐探测系统工作原理Fig.1 Working principle of underwater three-dimensional sonar detection system

表1 BV5000水下声呐探测系统相关技术参数Table 1 Technical parameters of BV5000 underwater sonar detection system

3 三维声呐探测系统在锚碇沉井中的应用实例

本文采用BV5000三维声呐扫测设备对五峰山特大沉井进行水下检测，由于沉井底面地质复杂，传统的正测法会受到厚淤泥层的影响，改用倒吊法进行测量。采用BV5000的球形扫描模式，扫描速度为1°/s，水平方向扫描360°，竖直方向设置 4 个角度分别为+45°、+15°、-15°、-45°。每次扫测固定竖直方向角度，水平方向旋转360°，扫测1圈所用时间为6 min，获取1个隔仓的水下实时数据仅需24 min。

五峰山长江特大桥北锚碇沉井的隔仓分布如图2，共有48个隔仓，针对各个隔仓的扫测结果，选取典型的隔仓扫测结果进行分析。

3.1 沉井水下泥面检测

图2 沉井隔仓分布图Fig.2 Distribution of caisson compartments

五峰山特大桥锚碇沉井采用不排水下沉，即用水力机械冲吸出土缓慢下沉。在冲吸出土过程中，及时测量沉井隔仓内泥面标高及轴线位置，精确测量井壁刃脚埋深和隔墙悬空距离，指导沉井下沉施工，保障安全施工。

沉井33号隔舱整体泥面分布见图3，从中可以清晰地看到隔舱底部整个泥面的分布情况，隔舱内部扬州侧泥面较高，淤泥较厚，并向镇江侧缓慢降低。

图3 沉井33号隔舱整体泥面分布情况Fig.3 Distribution of mud surface in the 33 caisson compartment

33号隔舱扬州侧井壁剖面见图4，从图中可以看到扬州侧壁面刃脚踏面到型钢距离2.8 m，壁面刃脚埋深超过2.0 m；扬州侧与下游侧拐角处有部分镂空危险，需要合理控制抽泥位置。

图4 扬州侧井壁剖面图Fig.4 Profile of the caisson wall on Yangzhou side

33号隔舱镇江侧井壁悬空，中间区域悬空距离在0.9～1.2 m之间，需控制抽泥管位置，防止悬空距离超过2.0 m。

3.2 沉井水下碎石层检测

为了保证制作沉井的地基具有足够的承载力，基坑开挖至起沉标高后立即用碎石分层回填夯实，并在碎石层上铺设混凝土垫层，以扩大沉井刃脚下的支撑面。需要进行水下检测以判别碎石层垫层的分布情况，测量井壁刃脚、隔墙埋深、最高点及最低点的高度。

11号隔舱整体碎石层垫层分布不均匀，靠近上游侧和扬州侧夹角处出现堆积层，下游侧附近碎石未能填充到位。

11号隔舱上游侧碎石层：扬州侧碎石垫层底部到剪力键的距离在6.88～6.38 m之间，最大高差0.50 m；上游侧碎石垫层底部到剪力键的距离在7.70～7.30 m之间，最大高差0.40 m；最高点到剪力键的距离为5.45 m左右。

11号隔舱下游侧碎石层：镇江侧碎石垫层底部到剪力键的距离在6.88～5.57 m之间，最大高差1.31 m；下游侧碎石垫层底部到剪力键的距离在7.41～6.38 mm之间，最大高差1.03 m。

3.3 沉井水下混凝土垫层检测

沉井底部碎石层铺设后，铺设1 m厚的混凝土，并进行自流平施工。需要检测沉井水下1 m厚混凝土层分布情况，测量隔舱四周埋深、最高点及最低点标高。

34号隔舱1 m厚混凝土垫层，隔舱内1 m混凝土垫层整体分布均匀平整，混凝土均已到边，靠近下游侧有一小堆，无明显较低点。

34号隔舱上游侧厚混凝土垫层：上游侧底面到剪力键距离在6.11～5.97 m之间，最大高差0.14 m，扬州侧底面到剪力键距离在6.13～5.86 m之间，最大高差0.27 m。

34号隔舱下游侧厚混凝土垫层：下游侧底面到剪力键距离在6.05～5.79 m之间，最大高差0.26 m，镇江侧底面到剪力键距离在5.97～5.80 m之间，最大高差0.17 m，其中最高点到剪力键距离为4.37 m。

4 结语

由本文典型沉井隔仓扫测结果可以看到，三维声呐探测系统在锚碇沉井的水下检测中，对沉井底面、刃脚部位和隔舱壁的检测结果直观清晰，检测方式便捷，检测速度快，对沉井不排水下沉施工具有重要指导意义。