李有志，王富敬，李家林

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋是由隧、島、橋組成的跨海交通集群工程，是中國交通建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、環(huán)保要求最高、建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)最高的工程之一，其中主體結(jié)構(gòu)——海底沉管隧道長6 700 m，為目前世界上最長的沉管隧道，因此保證沉管隧道碎石基床鋪設(shè)整平精度尤為重要。本文基于沉管隧道基礎(chǔ)不同坡度變化和水深的設(shè)計(jì)要求，研制整平機(jī)構(gòu)水下拋石整平足尺模型試驗(yàn)裝置并進(jìn)行試驗(yàn)研究，為整平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造和安裝調(diào)試提供依據(jù)[1-9]。

1 整平機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置

1.1 拋石整平機(jī)構(gòu)足尺模型試驗(yàn)裝置

拋石整平機(jī)構(gòu)足尺模型試驗(yàn)裝置包括：1）H=8 m，內(nèi)徑φ1 484 mm拋石管及料斗裝置；2）行程約27 m的臺車及行走裝置；3）行走臺車牽引裝置，工作速度1 m/min。

1.2 臺車行走軌道

為能模擬整平機(jī)結(jié)構(gòu)變形和拋石管傾斜造成的高程變化時，通過GPS實(shí)時檢測變化量，對拋石管頭部刮刀能實(shí)時調(diào)整，將臺車行走軌道預(yù)制成沿軌道縱向高度漸變的形狀，如圖1，使整平臺車行走成為特定軌跡。

圖1 臺車行走軌道高度漸變線形圖Fig.1 Linear diagram of height gradient of trolley walking track

2 整平機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)內(nèi)容及方法

碎石基床整平模型試驗(yàn)工作分為5個階段。

2.1 碎石基床整平測控系統(tǒng)前3階段模型試驗(yàn)

碎石基床整平測控系統(tǒng)前3階段模型試驗(yàn)共進(jìn)行了4次試驗(yàn)。第1次試驗(yàn)是在無水狀態(tài)下進(jìn)行的碎石基床整平試驗(yàn)；第2次試驗(yàn)是在有水狀態(tài)下進(jìn)行的碎石基床整平試驗(yàn)；第3次檢測試驗(yàn)是在第2次（有水狀態(tài)下）整平試驗(yàn)的碎石基床上，進(jìn)行了二次回聲測深儀試驗(yàn)；第4次試驗(yàn)是在有水狀態(tài)下進(jìn)行的碎石基床整平試驗(yàn)。此次試驗(yàn)采用了浮動短基線方法（雙天線GPS）的測量系統(tǒng)。整平機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)前3階段成果分析如下：

1）通過多次碎石基床整平模型試驗(yàn)共采集記錄約十幾萬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的碎石基床整平模型試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)與測控裝置能夠滿足研究試驗(yàn)工作大綱要求。測控系統(tǒng)軟件采用三維空間坐標(biāo)編制，能夠適應(yīng)不同高度差的軌道和傾斜面的整平。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該測控系統(tǒng)具有較高的測控精度。

2）以第4次試驗(yàn)為例對整平機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)階段成果分析。試驗(yàn)利用專門的雙天線GPS接收機(jī)，采用浮動短基線技術(shù)，能夠達(dá)到消除長基線解算的誤差，并可以做到數(shù)據(jù)平穩(wěn)，提高精度的目的。自動記錄刮刀底面高程數(shù)據(jù)，計(jì)算中誤差可達(dá)6.5 mm。如圖2所示。

圖2 刮刀底面高程正態(tài)分布直方圖Fig.2 Histogram of normal distribution of scraper bottom elevation

2.2 整平機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置第4階段試驗(yàn)

第4階段碎石基床整平模型試驗(yàn)主要研究對回聲測深儀進(jìn)行不同粒徑的材料基底做回聲測深檢測試驗(yàn)。

通過對多種不同材料的回聲測深檢測試驗(yàn)及回聲測深儀試驗(yàn)與實(shí)測數(shù)據(jù)比對證明，回聲測深檢測結(jié)果與試驗(yàn)材料、水介質(zhì)渾濁度、密度和聲速及信號門檻有密切關(guān)系，如圖3。

圖3 測深試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Curve chart of sounding test data

1）碎石墊層回聲測深檢測試驗(yàn)較好地反映了儀器的特性，試驗(yàn)結(jié)果對制定整平施工工藝具有重要參考價值和指導(dǎo)意義。

2）采用回聲測深儀檢測碎石基床整平精度，與試驗(yàn)材料、水介質(zhì)渾溫度密度和聲速及信號門檻等多種因素關(guān)系密切，試驗(yàn)揭示了一些規(guī)律性的現(xiàn)象，并得到了初步定量關(guān)系。

采用回聲測深儀，進(jìn)行多種不同粒徑的碎石和中粗砂回聲測深試驗(yàn)；試驗(yàn)過程通過調(diào)整測深儀聲速頻率及信號門檻的儀測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)比對取得最佳檢測依據(jù)，供制定整平施工工藝參考。

2.3 整平機(jī)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置第5階段試驗(yàn)

基于前期試驗(yàn)成果，第5階段碎石基床整平模型試驗(yàn)主要采用“GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量高差方法”，測定拋石管頂部高程的精度及誤差規(guī)律，研究整平船作業(yè)時采用此種測量高差方法的可行性。試驗(yàn)儀器設(shè)備為3臺天寶（Trimble）SPS751雙頻RTK GPS帶有靜態(tài)測量功能，1臺徠卡TCA2003全站儀。

2.3.1 試驗(yàn)過程

1）建立GPS參考基站。將GPS參考基站架設(shè)在距離試驗(yàn)場地約3 km無遮擋的位置。

2）在整平試驗(yàn)裝置臺車天線架上一定高度安裝固定360°棱鏡。

3）架設(shè)全站儀。全站儀采用跟蹤模式實(shí)時測量拋石管高度。

4）調(diào)試軟件與試驗(yàn)控制系統(tǒng)程序。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）快速靜態(tài)測量

選擇1條長度為4 745.582 m的基線進(jìn)行靜態(tài)測量，連續(xù)測量時間為1 h26 min16 s，將解算結(jié)果（基線高差）作為基線標(biāo)準(zhǔn)長度。隨機(jī)截取10 min左右的時間段共5段，分別計(jì)算各時間段的結(jié)果與全時段的結(jié)果進(jìn)行比較，估計(jì)10 min左右的快速靜態(tài)的高程精度。計(jì)算結(jié)果見表1。

分析表1數(shù)據(jù)可以看到，10 min左右的快速靜態(tài)在4 745.582 m的基線上高差值與1.5 h的全時段基線高差最大差值為10.6 mm，根據(jù)表1的偏差數(shù)據(jù)估計(jì)快速靜態(tài)的高程標(biāo)準(zhǔn)差為7.7 mm。

表1 靜態(tài)測量計(jì)算結(jié)果Table 1 Static measurement calculation results

2）拋石管加料前整平臺車空載運(yùn)行

分別測量整平臺車行走往側(cè)（臺車軌道面從低到高）和返側(cè)（臺車軌道面從高到低），系統(tǒng)記錄結(jié)果見圖4。

圖4 整平臺車往返行程系統(tǒng)測量的拋石管高程圖Fig.4 Elevation map of riprap pipe measured by round trip system of whole platform truck

3）拋石管加料后整平臺車有載運(yùn)行

拋石管加料后，整平臺車進(jìn)行碎石基床整平試驗(yàn)過程中，測試整平臺車由北向南（臺車軌道面從低到高）。

GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量高程與整平臺車軌道高程測量比較結(jié)果見圖5。

圖5 全站儀+GPS聯(lián)合測量高程與臺車軌道高程測量結(jié)果比較Fig.5 Comparison of total station+GPS combined elevation measurement and trolley track elevation measurement results

2.3.3結(jié)果分析

1）采用GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量結(jié)果的波動性較小，一般為5 mm左右。

2）根據(jù)整平船工作時基本處于靜止?fàn)顟B(tài)這一特點(diǎn)，結(jié)合GPS快速靜態(tài)和全站儀測量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量的方法，測量整平船拋石管高程，可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢提高測高精度。

3）在上述GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量的過程中，GPS快速靜態(tài)測量獲得較高的高程測量精度，當(dāng)參考站離開工作船小于3 km時，高程精度一般為5～10 mm。在整個船體范圍內(nèi)（＜100 m），全站儀的高程測量精度大致在2～3 mm。這樣，在拋石管的高度實(shí)際保持不變時，由全站儀輸出的測高數(shù)據(jù)變動較小，因此可以較好解決由于GPS測量誤差引起頻繁調(diào)整刮刀升降的問題。

3 結(jié)語

碎石基床整平模型試驗(yàn)各階段的試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）采用回聲測深儀檢測碎石基床整平精度，與試驗(yàn)材料、水介質(zhì)渾濁度、密度和聲速及信號門檻等多種因素關(guān)系密切，試驗(yàn)揭示了規(guī)律性的現(xiàn)象，并得到了一些初步的定量關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果對于制定整平施工工藝具有重要參考價值和指導(dǎo)意義。

2）采用GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量拋石管高度的方法，可以達(dá)到提高整平船拋石管高度測量的精度。

3）采用GPS快速靜態(tài)+全站儀聯(lián)合測量高差方法，已經(jīng)應(yīng)用于拋石整平船和碎石供料回填船，較好地解決了由于GPS測量誤差引起頻繁調(diào)整拋石管升降的問題。