沉管隧道碎石基礎整平監測技術研究

王崇明，孔維達，雷 鵬，王曉進

(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 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456；3.交通運輸部廣州打撈局，廣州 510260)

圖1 帶壟溝的碎石基礎

從目前國內外沉管隧道的基礎處理發展來看，沉管隧道基礎處理的方法主要有先鋪法和后填法兩大類，先鋪法有刮砂法和刮石法，后填法有砂流法、灌囊法和壓漿法等。通過對國內外已建設的百座以上隧道基礎處理方法統計，先鋪法占已建隧道的28%，噴砂法占18%，壓砂法占17%，灌砂法占16%，先鋪法占的比例最高。后填法的主要優點在于高程便于調節，施工設備占用航道時間短和潛水工作量少，但在地震時容易發生砂土液化，而使基礎失去承載力。對于海底沉管隧道，由于水深大、水流復雜、管節體量大，若使用后填法基礎需要對管節兩端進行臨時支撐，而節段式管節在簡支狀態下受力較為不利，因此海中沉管隧道一般優先考慮先鋪法基礎墊層[1-8](圖1)。

圖2 香港沙中線海底沉管隧道工程整平架

碎石整平法是由傳統刮石發展為通過下料刮鋪的一種先鋪法，可以通過設定料斗刮刀的行進方向將碎石墊層鋪設成帶有壟溝的形式[9]。壟溝形式的主要優點有：在相對較大的波浪和水流情況下仍能適用，具有一定納淤能力，管節沉放連接后能快速保持管節穩定以及墊層頂面可進行可視化檢查。但這種碎石整平的先鋪法，管節在著床后高程及縱、橫坡不可再調，管節高程與縱、橫坡的誤差基本取決于碎石墊層的誤差，因此管節沉放對基礎墊層的精度要求高[10-11]，通常情況下允許偏差不超過±40 mm。圖2所示為廣州打撈局在香港沙中線海底沉管隧道工程中使用的整平架，該整平架有2根出水的垂直定位桿，4根調節范圍在2 m以內的液壓支撐腿，移動部分包含大車和小車兩部分，料斗裝在小車上，料斗口裝有刮刀，可以將碎石面刮平，供電、液壓、傳感器數據傳輸均通過電纜完成，下料管采用軟管。

本文針對圖2中所示的整平架，設計了一套整平作業水下監測系統，主要融合GPS、壓力傳感器、傾斜儀、高度計等設備，解決高精度的高程傳遞問題，確保整平后碎石面高程滿足設計要求。

1 高程監測方法

整平架料斗口高程監測采用兩種獨立的方法，以便相互檢核。

1.1 GPS RTK+傾斜儀

圖3 GPS RTK+傾斜儀測量方法

在岸邊設立GPS基準站，實時播發差分信息，通過安裝在整平架上露出水面的垂直定位桿上的GPS流動站對整平架進行實時三維定位，再根據整平架與料斗之間的相對位置關系和姿態儀數據，推算得到料斗口的實時高程信息，指導整平作業。GPS RTK的高程精度約為20 mm，傾斜儀精度為0.005°(圖3)。

設GPS得到的高程值為HGPS，傾斜儀測得的整平架的姿態為橫傾R和縱傾P，GPS天線到料斗口的高差為固定值H0，則可按下式計算得到料斗口的高程值H

圖4 壓力傳感器測量方法

(1)

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器是一種壓強測量設備，按照阿基米德原理的液體壓強公式

P=ρ×g×h

(2)

式中：P為壓力傳感器測得的壓強值，ρ是水密度，g是重力加速度，h為入水深度。根據這個公式，可以得到整平架的入水深度。

圖5 整平架監測設備安裝位置及坐標系示意圖

在岸邊用壓力傳感器設立驗潮站，在整平架上安裝多個壓力傳感器，通過平均海平面將標高信息傳遞到整平架上，從而得到料斗口的高程。為了減小涌浪的影響，對壓力傳感器的數據進行平滑濾波。壓力傳感器精度為0.01%FS，60 m量程的精度為6 mm(圖4)。

2 監測設備安裝與標定

2.1 監測設備安裝

高程監測采用的設備GPS RTK、壓力傳感器和傾斜儀等，均安裝在整平架上；移動料斗上安裝2臺高度計，用于整平后碎石面的高程檢測，設備安裝位置如圖5所示。

2.2 監測設備標定

整平架上的監測設備安裝完成后，下水測試前，在陸地上采用全站儀進行設備的校準和標定，具體方法如下所述。

(1)標定前首先建立整平架三維坐標系，如圖5所示，整平前進方向為Y軸，右舷方向為X軸，框體兩邊軌道頂面為整平架的零基面，Z軸垂直于零基面，向上為正。

(2)設備偏移量取。采用全站儀對整平架上所有的設備進行三維坐標測量，按照整平架的三維模型，獲取各個設備的三維偏移量。

(3)傾斜儀校準。用全站儀觀測整平架零基面上4個角點的三維坐標，通過調整液壓支腿高度，使整平架呈水平狀態，記錄傾斜儀的數據，通過4個角點的坐標計算出整平架的Pitch和Roll值，與傾斜儀數據進行比對，最終將差值的均值作為傾斜儀的改正值。

(4)GPS RTK天線標定。采用全站儀觀測GPS RTK天線在整平架坐標系內的三維坐標。觀測時應變換全站儀設站位置和儀器高，取所有結果的均值作為GPS RTK天線的標定值。

表1 偏移量標定結果

(5)高度計標定。采用全站儀觀測高度計和零基面之間的高差，并進行多站觀測，取所有結果的均值作為高度計的標定值。

(6)壓力傳感器標定。作業前將所有壓力傳感器放在空氣中進行大氣壓測量，分別記錄各自初始值進行改正。

本次試驗中設備標定結果如表1所示。

3 整平精度測試實驗

實驗區域為廣州珠江某內河碼頭，在該區域控制點上架設GPS基站，用于整平架測量桿頂部2個GPS RTK進行位置改正；在碼頭邊建立驗潮站，通過無線電實時播發水位數據，用于壓力傳感器高程傳遞。

整平架入水就位完成后，共鋪設了Row2、Row3和Row4等3個條帶的碎石，如圖6所示，其中陰影部分為鋪石區域。Row2鋪設設計標高為-1.10 m，Row3鋪設設計標高為-0.922 m，Row4鋪設設計標高為-0.915 m。

3.1 漏斗口高程推算

用GPS RTK和4個壓力傳感器2種方式分別推算料斗口的高程，可以作為高程的內符合精度。整平架座底后，GPS RTK推算得到的料斗口高程為-0.794 m，壓力傳感器1推算為-0.803 m，壓力傳感器2推算為-0.802 m，壓力傳感器3推算為-0.782 m，壓力傳感器4推算為-0.800 m，平均差值11 mm，最大差值為21 mm。該差值包含了設備誤差、整平架形變誤差等因素，滿足設計要求。

3.2 整平后檢測

碎石鋪設整平結束后，用高度計對碎石面的標高進行檢測，以Row3為例進行說明。圖7為高度計測量得到的高程與設計高程的斷面圖。Row3高度計后檢測有效采集數據點共186個，其中高度計檢測高程與設計高程偏差超過40 mm的12個，平均偏差14 mm，最大偏差69 mm，合格率約為93.5%。

圖6 碎石鋪設區域

Fig.6 Gravel spreaded area圖7 高度計檢測高程與設計高程

Fig.7 Altimeter result and designed elevation

圖8 剛性測量桿與測量點位

3.3 測量桿檢測

表2 檢測結果比對

高度計檢測后，采用潛水員輔助剛性測量桿的方式，在岸邊用全站儀檢測了碎石基礎的標高，本次檢測共選取了6個點(圖8)。

高度計和測量桿兩種方式可以作為高程的外符合精度檢測。表2中列出了每個點的設計標高、高度計檢測結果、測量桿全站儀檢測結果及差值。從表中可以看出，高度計與全站儀檢測結果最大差值15 mm，平均差值7.8 mm；全站儀檢測結果與設計標高最大差值34 mm，平均差值17.5 mm，6個檢測點的誤差均滿足設計要求。

4 結論

本次實驗通過高度計和剛性測量桿兩種方式檢測了碎石整平后的效果，高度計是整體檢測，剛性測量桿是任意選點檢測，兩種檢測結果的符合性滿足設計要求，驗證了GPS RTK和壓力傳感器兩種整平監測方法的可行性，為今后水下基礎整平類的項目提供了借鑒。

本次實驗中仍然存在部分高程超限點，下一步要在減小誤差、提高精度、整平架形變修正、平均海平面高程傳遞等方面繼續開展研究，提高高程的準確性，以便在今后施工中提升整平的合格率，減少二次返工，提高碎石整平作業效率。