深中通道沉管隧道基槽整平多波束检测方法

历 昌,刘芝波*,李含广

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 天津 300456;2.天津水运工程勘察设计院有限公司,天津市水运工程测绘技术重点实验室,天津 300456)

深中通道是继港珠澳大桥后我国又一世界级的集跨海桥梁、海底隧道、海中人工岛与地下互通于一体的超大型跨海集群工程,是国家“十三五”确定建设的重大交通基础设施项目,地处珠江口核心区域,沉管隧道全长约6.8 km,由32个管节和1个最终接头组成。E32管节是首个非标准管节,宽度由53.6 m逐渐变宽至55.46 m,具有“超宽、变宽、深埋”等技术特点,其中管节基槽碎石整平限差要求不超过±4 cm[1]。

隧道工程需高度关注的主要问题包括基槽开挖后基槽及边坡的稳定性、基槽内回淤情况等[2-6]。港珠澳大桥施工过程中,E1～E14管节因基槽内回淤较小,管节安放相对顺利。在E15管节的浮运安装过程中,基槽内出现了异常的泥沙淤积现象,管节安装工作被迫中止,严重制约了建设进度,造成了巨大的经济损失[7]。辛文杰等[8]利用大量实测数据对港珠澳大桥沉管隧道试挖槽的回淤特征进行了论述。金文良等[3]对深中通道沉管隧道试挖槽回淤特征进行了分析研究。杨华等[7]结合多重水深、水文等条件,对港珠澳大桥沉管隧道基槽的回淤建立数学模型。相比于上述长周期的监测,短周期内的高频次监测,能够更加直观反映施工期间的回淤量,对于超过清淤标准区域及时给出反馈及预警信息,对沉管隧道的现场施工具有重要的指导意义[4,9]。

如何将多波束的绝对测深精度控制在±4 cm之内,是亟需解决的技术难题。选取深中通道E32～E29管节基槽作为实验对象,在对传统多波束测量方法多手段进行优化后,提出了深度直接标定的方法,以提升多波束绝对测深精度。在E32管节海上施工期间进行了数次多波束扫测,完成了多节点回淤监测及碎石整平检测,结合多种验证手段,验证了多波束测深的准确性,为后续相关施工提供了参考依据。

1 检测思路

1.1 多波束方法

随着科技的发展与进步,多波束测深系统仍是当今海洋测绘领域中水深测量方向最先进的测量设备,具有扫测范围全覆盖、扫测过程高效率、扫测结果高精度等诸多优点,广泛应用于常规水深测量、水下结构物检测、障碍物扫测、海上应急打捞扫测等相关工程中。本次检测采用的主要方法为多波束扫测,并提出了一种深度绝对值标定方法,用于提高多波束的绝对测深精度。

1.2 回淤盒方法

为了验证多波束声呐测量数据的准确性,在管节正式浮运至隧址前的相关工序内,采用海底布放回淤监测点放置回淤盒的手段,定期布放、回收,量取沉积物厚度,以达到监测回淤量及验证的目的。该方法优势在于不会受到声学设备的各种因素干扰,测量的绝对精度高,能够达到毫米级别[7]。

1.3 整平架方法

为确保碎石基础的质量控制,在碎石整平作业期间,通过安装在整平架上的特制高精度声呐设备来对碎石面顶部进行实时测量,整平架声呐位置能够通过光电手段精确标定得到,进而可由相对位置得到碎石面的实时标高。该声呐数据可用于对多波束进行复核,验证其测深精度。该方法的优势在于干扰因素少,声呐距离目标近,测量的绝对误差小于多波束而绝对精度高于多波束。

2 多波束检测法

2.1 常规工序质量控制

影响多波束水深测量精度的因素较多且不易控制[10],获取高精度水下地形必须经过严格的各项设备、参数的校正。本工程采用国际领先水平的Teledyne SeaBat T50-P多波束测深仪,该设备标称精度能够达到6 mm的量程分辨率,测深理论值可满足施工要求,但是由于多波束测量系统辅助传感器设备较多,误差源随之增多(如多波束量程误差、边缘波束误差、姿态误差、声速误差、潮位误差等),根据误差传播定律,测深误差会超过本工程限差要求[11-12]。为削弱各误差带来的影响,对各环节的误差源进行分析,并采取对应措施来减弱(消除)各项误差影响,结合现场施工作业面多、工程技术复杂、精度要求高等特点,平面定位采用GPS-RTK测量系统,其定位精度优于±2 cm;设备间数据均采用1PPS秒脉冲时间同步系统,以消除时延对多波束系统的误差影响;考虑到由浅滩到深槽的水深骤变,多波束采用小开角(60°)测量以减小边缘波束的影响;在特征水下地形处,严格执行多波束的横摇、纵摇、艏摇各项参数校正(姿态精确到0.01°);加密声速测量频率,以消除珠江口水域水团条件变化复杂的影响;布设双验潮站,并严格执行气压采集及校正,以削弱潮位引起的测量误差;换能器通过不锈钢杆与船体刚性连接,确保稳定牢固[11,13-15]。

2.2 绝对深度直接标定

目前现有行业标准未见能满足该工程项目多波束的测深精度要求(±4 cm)的具体方法。经过上述各项优化测量后,还需要对多波束测深值进行进一步校正。为此,提出一种深度直接标定法,选择海底已知特征目标物,进行绝对水深值(标高值)标定测量。该海底目标物具备特征明显、表面光滑等特点,且其深度(标高)可通过其他方法精确获得,在每次多波束测量前进行一次直接标定。

本次特征物选取在龙穴岛黄船海洋工程有限公司深中通道E24～E32管节预制场内,特征物为管节一次标定测量所使用的观测桩,观测桩位于预制场船坞内,观测桩顶部绝对标高可通过与陆地已知高等级控制点进行控制测量,通过光电方法(全站仪)测量得到,该方法的精度可以达到毫米级别。多波束正式扫测作业前,船坞内注水,测量船对观测桩进行扫测,将2种方法测量结果进行拟合计算,用于标定多波束的绝对深度。

绝对深度直接标定法是一种直接验证的方法,其反映了多波束测量的各种误差的综合,且标定结果更加准确。

2.3 历次扫测统计分析

标定完成后,对E32～E29管节基槽区域进行全覆盖扫测。本次整平多波束检测选取2个区域作为实验对象,对2个区域进行扫测数据统计分析：区域1为E29管节基槽区域,该区域已完成基槽粗挖,且测量期间未进行水下施工作业,地形特征明显,可作为多波束校准及回淤监测实验区域;区域2为E32管节基槽区域,目的是验证与后文整平架监测数据的符合性。本次实验共计进行了8次扫测,监测时间为2021年8月4日至8月28日,涵盖了E32管节的基槽清淤及验收、块石抛夯、碎石整平及验收等过程。

将E29管节历次扫测结果经剔除异常水深值等数据处理流程后,按照0.3 m的水深点间距进行数据导出,并记该水深文件依次为D1、D2、……、Dn。为确保每次的统计数据范围一致,在Hypack软件中统一对数据进行区域裁剪,通过对当次扫测结果与前一次扫测结果进行差值计算(即Dn+1-Dn,其中n为监测次数,n∈Z),可得到当前基槽回淤厚度(其中负值代表回淤,正值代表冲刷),通过绘制图的方式,可以非常直观地确定回淤区域,如图1所示。

图1 多波束扫测水深差值图Fig.1 Difference map of multibeam sweeping bathymetric soundings

对上述数据进行统计分析,可得到每两期间的回淤量,根据间隔天数,计算当期内回淤强度,结果统计如表1所示。

表1 多波束回淤监测数据统计表Tab.1 Statistical table of multibeam siltation monitoring data

表2 多波束监测数据及回淤盒监测数据差值表Tab.2 The difference data of multibeam monitoring data and back silting box monitoring data cm

由历次多波束测量数据分析,结合相关水文信息,可以得到：(1)基本与工程海域洪季流量大、挟沙量大,且北坡为上游,为泥沙的主要来源的规律吻合;根据潜水探摸结果,泥沙表现特征主要为淤泥,混有少量砂;(2)监测期间,第2、第6次处于大潮汛期间,工程区域内流速大,挟沙量大,日平均回淤量较第3、第4、第5次较大,符合该区域的基本规律;(3)通过分析可以得到,边坡回淤量远小于基槽底部,且从边坡至基槽底部回淤量呈现增大趋势,在大潮汛期间,北侧平均回淤量略大于南侧平均回淤量,其余时间段内,两侧基本持平。

3 回淤盒验证法

为避免多波束系统声学条件引起的测量误差,选取回淤监测盒装置来对多波束数据进行测量验证。回淤盒监测法属于物理方法,不受各种声学因素引起的误差影响,绝对精度高。在E29管节基槽粗挖完成后,在基槽内布放10个回淤监测盒,覆盖管节整个基槽区域,如图2所示。

图2 回淤监测盒布置图Fig.2 Layout of back silting monitoring box

回淤盒布放和回收由潜水员完成,水下平面位置由超短基线确定,可达到亚米级精度。潜水员携带超短基线信标,通过导航定位软件指导前往指定位置,放置回淤盒并固定。回淤监测盒于每次多波束扫测前完成布放,于下一次多波束扫测前完成回收,对回淤盒进行统一回收后,经静置沉淀量取回淤厚度并记录[16]。该方法没有多余的声学条件干扰,测量精度高,可达到毫米级别[7]。

选择各回淤盒半径50 cm内的多波束水深点与该回淤盒数据进行分析,将回淤盒监测结果与多波束监测结果进行差值统计,统计结果参见表 2(其中多波束水深为平均值)。

可以看出,多波束扫测结果与回淤监测盒的结果基本相符,多波束数据与回淤盒数据差值最大不超过1 cm,验证了多波束测深数据的准确性,多波束数据可作为回淤监测的可靠手段。

4 整平架验证法

碎石整平的质量控制是沉管顺利沉放的最终保障。在碎石基础整平过程中,通过整平架上安装的特制声呐设备,对碎石面高度进行实时监测,用以指导整平施工作业,控制整平料斗下料速度及小车行进速度,由于测距很短,可以确保探测精度在±40 mm之内[17]。该方法的优点在于误差来源少,绝对精度优于多波束,能够确保料斗口中心位置绝对标高满足要求,可作为检验多波束数据的技术手段。但因为其设备原理,决定了其只能测量沿碎石垄方向(航迹向)的单条数据,并不能够检测到垄的整体结构及周边垄沟的地形情况,而多波束测深数据的全覆盖、高密度能很好地进行补充。

每幅碎石整平作业开始时,声呐设备即实时记录监测数据,待每幅整平作业结束后,将整平监测数据导出,监测数据位于每垄的中心线上,通过Hypack软件TIN模块的差值计算功能,得到多波束数据与整平监测数据的差值图,如图3所示。

图3 整平架监测数据及多波束与整平架监测数据差值图Fig.3 Leveling frame monitoring data and difference map of multibeam sweeping data and leveling frame monitoring data

本次统计为剔除各类异常差值的分析结果,共计统计水深38 220个,按照0.01 m的区间间隔进行汇总,绘制二者差值分布图,如图4所示。

图4 多波束数据与整平架监测数据差值分布图Fig.4 Distribution of difference between multi beam data and leveling frame monitoring data

根据比对结果,多波束数据与整平架数据最大差值为±0.06 m,最小差值±0.00 m,偏差值分布具有高度对称性。差值低于±0.02 m的数据占比达到90%以上,结果表明多波束数据准确可靠,可以作为检测碎石整平效果的有效手段,并可作为上文回淤监测的有效补充。

5 结果分析

经过比对验证绝对深度标定的多波束测量方法与物理回淤盒方法、单点高精度声呐方法,多波束的绝对精度得到了有效验证,能够满足沉管隧道基础施工的相关精度要求。结合历次数据,可以得到：

(1)在整个实验过程中,大潮期间回淤量最大,中潮次之,小潮最小,由大潮—中潮—小潮呈现减小趋势。

(2)在基槽清淤至块石整平期间,共计历时8 d,回淤量较大,期间有大风天气,对回淤量增大产生了一定影响。

(3)两种不同手段的比对验证方式均为多波束的准确性提供了可靠的参考依据。相比较而言,回淤盒为点状监测,整平架为线状监测,多波束为面状监测,三者的精度都达到了施工标准要求,多波束因其全覆盖、高效率、多成果的优点,成为回淤监测及碎石基础检测的首选方法。

(4)碎石整平后对E32碎石基础进行验收,通过多波束海量数据生成海底三维地形图如图5所示,从图5中能初步判读基槽边坡是否顺畅,是否存在塌方隐患,碎石基床垄的平整度及是否存在碎石落淤、垄面及垄沟的形状,为管节安装决策提供数据支持。

图5 E32碎石整平后多波束水深三维图Fig.5 Three-dimensional map of multibeam soundings of E32 tube gravel leveling foundation

(5)因E32管节沉放及后续管节沉放期间处于台风多发季节,而管节浮运沉放对风浪、海流等要素的要求较高,若碎石整平完成后不能第一时间进行管节的浮运沉放,需要定期对基槽进行回淤监测,查明碎石基床回淤量是否超过限差要求,并及时进行清淤处理,保障管节的顺利沉放,多波束在该环节发挥着重要作用。

(6)碎石基础验收完毕后,E32管节由寄放区经浮运航道浮运至深圳东人工岛隧址海域,经沉放、拉合、水力压接等工序后,开水密门对管节内部进行贯通测量,结果显示E32管节艏端高程偏差小于2 cm、艉端高程偏差小于1 cm,再次验证了本次多波束测量方法的准确性。

6 结论

文章以深中通道沉管隧道项目为背景,采用E29～E32管节基槽作为实验对象,对多波束测深精度提升进行了优化完善,提出了基于标定场的绝对深度标定法用于校准多波束的绝对测深精度,确保了多波束测深数据的高质量和高精度,辅以回淤盒监测、整平架声呐监测、管内贯通测量等方式对多波束数据进行验证,解决了碎石基础高程限差±4 cm的技术难题,可为同类工程中高精度多波束测深提供参考。

随着多波束测深设备性能指标的提升及辅助设备的升级,多波束在相关国内外水下大型结构物工程中发挥的作用也越来越大。将多波束的绝对测深精度提升后,可通过多波束系统为大型、精细化水下结构物的施工、检测、维护等提供更精细化的数据参考,对施工决策提供可靠的数据支持。