CN108316365B - 一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，属于桥梁沉井基础下沉施工中监测方法领域，包括以下步骤：选择未施工沉井隔仓，将三维机械扫描声呐下放至水下，进行扫测；对三维机械扫描声呐采集的数据采用处理软件进行拼图和除噪，得到三维点云立体图像；在三维点云立体图像中获取所需信息。沉井水下情况控制至关重要，本发明针对测绳法的缺陷，提供一种客观合理，科学可靠，能够应用于大型沉井基础不排水下沉施工中水下监测方法。

Description

一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法

技术领域

本发明属于桥梁沉井基础下沉施工中监测方法领域，适用于大型沉井基础不排水下沉施工。

背景技术

1）传统沉井下沉中监测工艺：

沉井基础为桥梁基础施工中重要的结构物。对于大型沉井基础采用多次接高多次下沉的工艺，前期一般采用排水辅助下沉方式，后期地下水位较高，且土压力较大，为保证沉井安全需采用不排水下沉。

沉井不排水下沉中首先采取适当的方法开挖井底泥面，为确保沉井井壁刃脚不翻砂，井壁刃脚处必须有一定的埋深，一般在每个隔仓的角点和中点处布置测绳，按照一定监测频率进行人工测量。沉井下沉就位后，进行清基，经基底检验合格后应及时封底。沉井封底前先用碎石找平，碎石找平层从一端井孔往另外一端井孔方向一次性填充成型。封底混凝土分两次进行，按照先两边后中间，对称、同步顺序进行。在沉井的清基、碎石找平、混凝土浇筑中采用井内纵横向按固定间距布置观测点，利用测绳在沉井内进行底面标高控制，同时推算隔墙及刃脚下底面情况，严格控制沉井刃脚高程、浇筑厚度、底面平整度。

2）传统施工工艺的局限性：

沉井基础不排水下沉中，对井底泥面、井壁埋深、底面平整度等的监测采用传统的测绳法。譬如以某次沉井下沉监测为例，在每个隔仓角点和中点布置测绳，一共布置8个测点，共计384个点，监测频率为1次/6h。沉井下沉就位后续工序中，隔仓内采用纵横向2m间距布置测点，采用吊篮人工打点测量。首先，采集数据工作量繁重，需要耗费大量人力和时间；其次测绳测量只能测量有代表性的角点、中点、指定点，基本都是以点代面，测量不够精确。再次，沉井井壁接高一般采用阶梯型，测绳无法垂直落底测量刃脚和隔墙处底面情况，测绳法误差较大。最后，测绳法测得沉井水下状况无法直接反馈出来，只能靠抽象的数据反推出来，不能准确判断沉井底面状态，不能精确化、可视化指导施工。该工艺局限性较大。

发明内容

本发明的目的在于：沉井水下情况控制至关重要，本发明的目的是针对以上测绳法的缺陷，提供一种客观合理，科学可靠，能够应用于大型沉井基础不排水下沉施工中水下监测方法。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，包括以下步骤：

1）选择未施工沉井隔仓，将三维机械扫描声呐下放至水下，并距离地面上方处固定，三维机械扫描声呐的水听器绕水平坐标轴机械旋转，固定声呐发射频率和声速，当发射频率为1.35MHz时，声速设置在1470m/s（如果所选择的三维机械扫描声呐的发射频率为其他频率，则参照该声速频率比率进行其声速的设置），声呐信号范围设置在0.4-15m之间，选择球形扫描模式，扫描速度设置在0.5°/s或1°/s，水平方向扫描360°，竖直方向设置四个角度分别为+45°、+15°、-15°和-45°，且至少一个角度覆盖沉井隔仓中剪力键位置，每次扫测固定竖直方向角度，水平方向旋转360°；

2）对三维机械扫描声呐采集的数据采用处理软进行拼图和除噪，得到三维点云立体图像；

3）在三维点云立体图像中，识别沉井隔仓中剪力键位置，并以该位置作为特征高度：

Ⅰ）沉井下沉底部吸泥工序中，从三维点云立体图像中了解泥面分布，合理布置吸泥区，并以沉井隔仓中剪力键位置作为特征高度获得泥面各点高度，同时放大观察三维点云立体图像中沉井隔仓图像特征和泥面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，由此判断刃脚和隔墙埋深；

Ⅱ）碎石找平层工序中，从三维点云立体图像中了解碎石找平层分布情况，合理布置吹填区，并以沉井隔仓中剪力键位置作为特征高度获得碎石面各点高度，同时放大观察三维点云立体图像中沉井隔仓图像特征和碎石面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，由此判断刃脚和隔墙碎石是否填充到位；

Ⅲ）水下混凝土浇筑工序中，从三维点云立体图像中了解水下混凝土浇筑情况，合理布置浇筑导管，并以沉井隔仓中剪力键位置作为特征高度获得混凝土面各点高度，同时放大观察三维点云立体图像中沉井隔仓图像特征和混凝土面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，由此判断混凝土到边情况及浇筑混凝土平整度；

4）重复1）至3）步骤，逐一扫描各个沉井隔仓。

作为选择，三维机械扫描声呐的发射频率为1.35MHz，声速设置在1470m/s，声呐信号范围设置在0.4-15m之间，选择球形扫描模式，扫描速度设置在0.5°/s，水平方向扫描360°，竖直方向设置四个角度分别为+45°、+15°、-15°和-45°。

作为选择，各个沉井隔仓中剪力键到刃脚的高度一致均为H，三维点云立体图像中沉井井壁刃脚埋入边界某点至特征高度的距离为L，则该点的沉井井壁刃脚埋入深度h=H-L。

作为选择，结合三维点云立体图像中泥面的直观图像和泥面各点高度的数据均匀程度判断泥面分布情况。该方案中，通过图像直观观察泥面分布情况，同时泥面各点高度的数据越均匀也就也平整，反之则越不均匀就越不平整。

作为选择，结合三维点云立体图像中碎石面的直观图像和碎石面各点高度的数据均匀程度判断碎石找平层分布情况。该方案中，通过图像直观观察碎石面分布情况，同时碎石面各点高度的数据越均匀也就也平整，反之则越不均匀就越不平整。

作为选择，结合三维点云立体图像中混凝土面的直观图像和混凝土面各点高度的数据均匀程度判断混凝土浇筑情况。该方案中，通过图像直观观察混凝土面分布情况，同时混凝土面各点高度的数据越均匀也就也平整，反之则越不均匀就越不平整。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明中，利用三维机械扫描声呐所形成的三维点云立体图像的可视化特点，可以直观地观察泥面分布、碎石找平层分布情况和水下混凝土浇筑情况；同时利用不同物体表面在三维点云立体图像产生的图像特征具有明显区别的特点，以及各个沉井隔仓中剪力键形状和高度一致的特点，能够在三维点云立体图像中迅速准确地识别出沉井隔仓中剪力键位置，并以该位置作为特征高度，从三维点云立体图像中直接得到泥面、碎石面和混凝土面各点到该特征高度的距离，得到各点的高度，并以各点高度的均匀程度，判断泥面、碎石面和混凝土面的分布情况。同时，利用不同物体表面在三维点云立体图像产生的图像特征具有明显区别的特点，放大观察沉井隔仓图像特征和泥面、碎石面或混凝土面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，即可得出沉井井壁刃脚埋入边界各点到该特征高度的距离，得到各点的高度，即沉井井壁刃脚埋入埋入深度。

本发明的有益效果：采用新型大型沉井不排水下沉水下监测方法----一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，克服了之前采用的测绳法中的缺点，通过水下成像能够看到整个沉井隔仓底面及井壁的状态，可以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；采用该监测方法能够减少测量人员、减少数据采集的工作量、缩短数据采集时间、减小测量误差，可以精确化、可视化指导施工，能够全面的掌握沉井底面状态。尤其是在下沉困难或沉井入岩时，不再需要潜水员下水探摸，避免了由此带来的安全隐患。本发明能够在施工间歇中进行水下监测，对施工中出现的问题进行迅速纠正和调整，避免出现安全和质量事故。本发明还具有检测精度高，速度快，操作简单，成本低等优点，能够精确化、可视化、科学化的指导施工，促进了沉井下沉水下监测技术的革新。

附图说明

图1是本发明实施例的三维机械扫描声呐连接示意框图；

图2是本发明实施例的三维机械扫描声呐球形扫测示意图；

图3是本发明实施例的坐底方式下三维机械扫描声呐水下工作状态示意图；

图4是本发明实施例的三维点云立体图像的隔仓整体泥面分布图；

图5是本发明实施例的三维点云立体图像的隔仓刃脚泥面分布图及泥面高度测量；

图6是本发明实施例的三维点云立体图像的碎石垫层整体分布图；

图7是本发明实施例的三维点云立体图像的碎石垫层厚度及刃脚处碎石分布情况；

图8是本发明实施例的三维点云立体图像的水下混凝土整体分布图；

图9是本发明实施例的三维点云立体图像的水下混凝土厚度测量及到边情况；

其中1为三维机械扫描声呐、2为沉井隔仓、3为剪力键。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

三维机械扫描声呐1是由一个绕水平坐标轴机械旋转的水听器组成的，通过声呐波束连续转动一连串微小的角度来进行扫描，每一个声呐波束，将返回距离和回波强度的数据，根据这些数据可以模拟生成类似于光学全息效果的水下目标的三维点云立体图像（也称水声图像）。参考图1所示，笔记本电脑通过网络连接线和USB数据线与声呐数据盒连接，对声呐数据盒进行控制以及获取声呐数据进行处理，声呐数据盒连接电源，以及通过声呐连接线和云台连接线连接声呐和云台，获取声呐数据并控制云台动作。

以某长江大桥北锚碇沉井基础下沉施工为例，本发明通过以下技术方案并结合具体实施例进行详细说明：

（1）进场之前，确定现场施工情况。该沉井隔仓2内水深最深达到55-60米之间，国内现有三维声呐数据线缆长度在40-45米左右，需对现有数据线缆进行测试，确定其数据传输参数并接长硫化，在60米水深范围内进行测试达到预期效果。其次，现场缺少声呐监测平台及升降设备，将工人吊篮改造成声呐监测工作平台，便于声呐下放和回收。将沉井塔吊作为升降设备，通过塔吊合理布置测点，规避附近井舱施工造成的影响和风险。若沉井隔仓2周围没有施工则井底滑坡掩埋设备风险较小可以采用坐底方式监测。若沉井周围有施工，针对井壁四周有活动平台的特点，采用三根绳索连接井壁并固定设备支架，将声呐设备倒放入水。

（2）每天监测之前，依据现场施工安排，确认需监测沉井隔仓2，将监测平台及塔吊准备到位，准备4根70米绳子（单根载重量40KG以上），70米以上电源线、空开插板、稳压器。连接三维声呐设备，将设备调试到位，确保正常工作。

（3）选择未施工沉井隔仓2，采用坐底或倒放方式将三维机械扫描声呐1设备放入水下，发射频率为1.35MHz，声速设置在1470m/s左右，声呐对隔仓内水下结构发射声呐信号。沉井隔仓2尺寸10m×10m，将信号范围设置在0.4-15m之间。选择球形扫描模式，通过终端软件设置扫描速度，一般采取0.5°/s或1°/s，水平方向可扫描360°，竖直方向可设置四个角度分别为+45°、+15°、-15°、-45°。每次扫测固定竖直方向角度，水平方向旋转360°，扫测一圈所用时间为6min或12min。球形扫测示意图如图2、3所示。

（4）对采集的数据采用专业软件Proscan、Cyclone、Autodesk Recap等进行拼图和除噪，最后得到三维点云立体图像，该监测方法误差在厘米级。该方法是现有公知技术，本领域技术人员均知晓具体如何操作，在此不再赘述。作为示例：采用Autodesk Recap软件，大致操作流程如下，首先打开Recap程序点击主页面中的“扫描项目”选项，在弹出的窗口中选择新建项目，选择需要导入的三维点云数据文件，文件格式后缀为XYZ，导入文件成功后，即可点击“启动项目”，进入数据后处理窗口；然后在后处理窗口中，通过“颜色模式”、“照明设置”、“点云设置”、“围栏”、“限制框”等功能对点云数据进行缩放、调色、旋转、除噪、剪切等，使点云数据干净合理便于观察和测量；最后完成数据处理后，将文件导出为PTS格式，将点云数据PTS后缀改为XYZ，用BLUEVIEW看图软件打开进行观察、测量、分析。

由于每个沉井隔仓2中剪力键3到刃脚的高度为8m，可以量取泥面到剪力键3的高度得出整个隔仓内部任意点的泥面高程。按照沉井下沉方案中的设计要求，沉井井壁刃脚埋深在2.0m范围内，若下沉阻力较大可适当挖除。沉井下沉到位后，清基达标要求为：井壁刃脚处埋深约1.8m高，土体向内侧2-3m形成坡度。碎石找平层厚度为1.0m且刃脚和隔墙铺填到位，底面平整。水下混凝土浇筑厚度分为1.0m和10.0m，混凝土均能到边，底面平整，无明显突起。通过声呐图可精确判断刃脚埋深、底面平整度等水下情况。该图实际为彩色图，并通过不同颜色表示不同深度，因此图中会显示明显的层次。

Ⅰ）沉井下沉底部吸泥工序中，该方法监测图及判断如下所示：

参考图4、5所示，从图中可以实时了解施工中各舱泥面分布，合理布置吸泥区，同时可以精确量取各泥面高度，判断刃脚和隔墙埋深。图4为俯视状态下的三维点云立体图像，图中可以直观看出中部深色区域为泥面，四周浅色区域为隔仓壁，以图示上为前，下为后，且泥面与前隔仓壁交界处有明显堆积，且靠右上角较集中。图5为立面状态下的三维点云立体图像，图中可以直观看到浅色区域的隔仓壁上存在一条深色的分界线，该分界线即为沉井隔仓2中剪力键3位置，即为本发明中所定义的特征高度；而放大观察隔仓壁图像和泥面图像，两者图像特征差异明显，也会存在一个明显的分界线，该分界线即为隔仓壁和泥面的交界线，在该交界线上取2点，并获得该2点到特征高度的距离5.642m和6.149m，即图左部分存在一定的堆积，再将剪力键3到刃脚的高度分别减去这2个距离，即可得到这2点的刃脚埋深。同理，可以获得泥面任一点到特征高度的距离，从而根据这些数据的均匀程度判断泥面的分布和平整度，均匀也就也平整，反之则越不均匀就越不平整。

Ⅱ）碎石找平层工序中，该方法监测图及判断如下所示：

参考图6、7所示，从图中可以实时了解施工中各舱碎石找平层分布情况，合理布置吹填区，同时可以精确量取各碎石面高度，判断刃脚和隔墙碎石是否填充到位。图6为俯视状态下的三维点云立体图像，图中可以直观看出中部深色区域为碎石面，四周浅色区域为隔仓壁，以图示上为前，下为后，且碎石面与后、右隔仓壁交界处有更深色区域表示填充未到位。图7为立面状态下的三维点云立体图像，图中可以直观看到浅色区域的隔仓壁上存在一条深色的分界线，该分界线即为沉井隔仓2中剪力键3位置，即为本发明中所定义的特征高度；而放大观察隔仓壁图像和碎石面图像，两者图像特征差异明显，也会存在一个明显的分界线，该分界线即为隔仓壁和碎石面的交界线，在该交界线上取3点，并获得该3点到特征高度的距离6.035m、5.928m和5.999m，再将剪力键3到刃脚的高度分别减去这3个距离，即可得到这3点的刃脚埋深。同理，可以获得碎石面任一点到特征高度的距离，从而根据这些数据的均匀程度判断碎石面的分布和平整度，均匀也就也平整，反之则越不均匀就越不平整。图示3个数据基本均匀，即填刃脚埋深基本一致。

Ⅲ）水下混凝土浇筑工序中，该方法监测图及判断如下所示：

参考图8、9所示，从图中可以实时了解施工中各舱水下混凝土浇筑情况，合理布置浇筑导管，同时可以精确量取高度，判断混凝土到边情况及浇筑混凝土平整度。图8为俯视状态下的三维点云立体图像，图中可以直观看出中部深色区域为混凝土面，四周浅色区域为隔仓壁，图中混凝土面较为平整。图9为立面状态下的三维点云立体图像，图中可以直观看到浅色区域的隔仓壁上存在一条深色的分界线，该分界线即为沉井隔仓2中剪力键3位置，即为本发明中所定义的特征高度；而放大观察隔仓壁图像和混凝土面图像，两者图像特征差异明显，也会存在一个明显的分界线，该分界线即为隔仓壁和混凝土面的交界线，在该交界线上取6点，并获得该6点到特征高度的距离，再将剪力键3到刃脚的高度分别减去这6个距离，即可得到这6点的刃脚埋深。同理，可以获得混凝土面任一点到特征高度的距离，从而根据这些数据的均匀程度判断混凝土面的分布和平整度，均匀也就也平整，反之则越不均匀就越不平整。图示6个数据基本均匀，即刃脚埋深基本一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）选择未施工沉井隔仓，将三维机械扫描声呐下放至水下，并距离地面上方处固定，三维机械扫描声呐的水听器绕水平坐标轴机械旋转，固定声呐发射频率和声速，当发射频率为1.35MHz时，声速设置在1470m/s，声呐信号范围设置在0.4-15m之间，选择球形扫描模式，扫描速度设置在0.5°/s或1°/s，水平方向扫描360°，竖直方向设置四个角度分别为+45°、+15°、-15°和-45°，且至少一个角度覆盖沉井隔仓中剪力键位置，每次扫测固定竖直方向角度，水平方向旋转360°；

2）对三维机械扫描声呐采集的数据采用处理软进行拼图和除噪，得到三维点云立体图像；

3）在三维点云立体图像中，识别沉井隔仓中剪力键位置，并以该位置作为特征高度：

Ⅰ）沉井下沉底部吸泥工序中，从三维点云立体图像中了解泥面分布，合理布置吸泥区，并以沉井隔仓中剪力键位置作为特征高度获得泥面各点高度，同时放大观察三维点云立体图像中沉井隔仓图像特征和泥面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，由此判断刃脚和隔墙埋深；

Ⅱ）碎石找平层工序中，从三维点云立体图像中了解碎石找平层分布情况，合理布置吹填区，并以沉井隔仓中剪力键位置作为特征高度获得碎石面各点高度，同时放大观察三维点云立体图像中沉井隔仓图像特征和碎石面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，由此判断刃脚和隔墙碎石是否填充到位；

Ⅲ）水下混凝土浇筑工序中，从三维点云立体图像中了解水下混凝土浇筑情况，合理布置浇筑导管，并以沉井隔仓中剪力键位置作为特征高度获得混凝土面各点高度，同时放大观察三维点云立体图像中沉井隔仓图像特征和混凝土面图像特征，以两种特征图像区域交界处为沉井井壁刃脚埋入边界，由此判断混凝土到边情况及浇筑混凝土平整度；

4）重复1）至3）步骤，逐一扫描各个沉井隔仓。

2.如权利要求1所述的桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，其特征在于：各个沉井隔仓中剪力键到刃脚的高度一致均为H，三维点云立体图像中沉井井壁刃脚埋入边界某点至特征高度的距离为L，则该点的沉井井壁刃脚埋入深度h=H-L。

3.如权利要求1所述的桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，其特征在于：结合三维点云立体图像中泥面的直观图像和泥面各点高度的数据均匀程度判断泥面分布情况。

4.如权利要求1所述的桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，其特征在于：结合三维点云立体图像中碎石面的直观图像和碎石面各点高度的数据均匀程度判断碎石找平层分布情况。

5.如权利要求1所述的桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法，其特征在于：结合三维点云立体图像中混凝土面的直观图像和混凝土面各点高度的数据均匀程度判断混凝土浇筑情况。