潘偉，朱永帥，成益品，劉迪

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

沉管隧道管節(jié)基礎施工的質(zhì)量保障了工程的順利進行和工程安全，而基礎的回淤和沉管隧道的不均勻沉降均會使管節(jié)間產(chǎn)生大幅錯位，甚至影響隧道止水安全和使用壽命。為了避免沉管隧道產(chǎn)生上述問題，對隧道基床的高精度測深顯得尤為重要。沉管隧道基床測深方法主要有單波束測量和多波束測量，單波束測量原理是采用換能器垂直向下發(fā)射聲波，然后接收并處理反射回的聲波信號；多波束測量原理是利用發(fā)射器陣列向海底發(fā)射寬扇型的聲波，再利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射和接收聲波對海底地形的照射腳印進行處理[1]，每次探測可以測量數(shù)百個測量點。多波束測量方法因測量精度高、測量數(shù)據(jù)量大等特點被用于港珠澳大橋隧道碎石基礎控制[2]、水下基坑開挖、基床平整[3]等工程，極大地提高了施工效率和施工質(zhì)量。

基床鋪設精度控制直接影響到后期沉管安裝的精度，也是沉管成功安裝和精確對接的保障性工序。在基床鋪設精度控制中，主要依靠多波束測深系統(tǒng)進行檢測，因此，多波束測深系統(tǒng)在沉管隧道基礎施工中如何提高精度檢測技術至關重要。多波束測深系統(tǒng)與常用的GPS快速靜態(tài)與全站儀聯(lián)合測量高差方法相比自動化程度更高[4]，不但能夠滿足沉管隧道基礎施工的需求，而且對促進建設技術進步、提高跨海通道建設的綜合能力具有十分重要的意義。

本文以深中通道工程為依托，為了保證深中通道沉管隧道基礎施工的精度，基于多波束測深系統(tǒng)，開展高精度檢測技術的研究和應用，對工程質(zhì)量和施工安全具有至關重要的意義。

1 沉管隧道基礎高精度檢測技術

深中通道隧道長6.8 km，其中沉管段長5 km，由32個管節(jié)及1個最終接頭組成，為世界首例特長超寬雙向八車道海底沉管隧道。為保證沉管隧道工程質(zhì)量，基于多波束測深系統(tǒng)對沉管隧道基礎進行檢測?；A檢測的測控、監(jiān)測全部自動化完成，施工工序簡單，在施工效率、工程質(zhì)量、作業(yè)條件等方面都具有顯著的優(yōu)勢。

多波束測深系統(tǒng)是由多傳感器組成。具體組成如下：Kongsberg EM2040單條帶多波束測深儀、POSMV Oceanmaster慣導系統(tǒng)、AML BASE X2聲速剖面儀、AML Micro-X表面聲速儀、UPS不間斷電源及采集計算機、數(shù)據(jù)采集軟件qinsy和控制軟件SIS以及數(shù)據(jù)后處理軟件Qimera、TrimbleR9S。

Kongsberg EM20401°×1°單條帶多波束測深儀利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，從而快速測出水深值，POSMV Oceanmaster慣導系統(tǒng)能夠提供船體的姿態(tài)、航向、位置和速度數(shù)據(jù)，AML BASE X2聲速剖面儀和AML Micro-X表面聲速儀利用聲波的傳播速度測量水深，UPS不間斷電源為設備的正常運行提供電力支持。

2 多波束測深系統(tǒng)精度影響因素

多波束測深系統(tǒng)影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的因素有很多，測深系統(tǒng)儀器安裝時所產(chǎn)生的GPS時間延遲、橫搖、縱搖、橢搖等系統(tǒng)誤差，均需要進行校正以提高水深測量的精度[5]。

儀器安裝位置最好在船體的1/3處，因為此處的噪音和產(chǎn)生的氣泡對儀器的影響最?。煌瑫r保證儀器安裝周圍平面平滑且符合流體力學，不得存在凸起或者圍欄，系統(tǒng)各設備之間的相對位置關系標定應使用全站儀進行準確測量[6]，其標定精度直接影響多波束測深精度，因為后續(xù)的軟件參數(shù)都是以其標定數(shù)據(jù)為依據(jù)。

系統(tǒng)校準應參照JT/T 790—2010《多波束測深系統(tǒng)測量技術要求》[7]，儀器安裝完成后，應對系統(tǒng)整體進行橫搖、縱搖、艏向3種姿態(tài)校準。橫搖應取3組或以上數(shù)據(jù)計算校準值，中誤差應小于0.05°；縱搖應取3組或以上數(shù)據(jù)計算校準值，中誤差應小于0.3°；艏向應取3組或以上數(shù)據(jù)計算校準值，中誤差應小于0.1°。姿態(tài)校準完成后進行相應的內(nèi)外符合測試，對相應區(qū)域進行橫縱向掃測，檢查相鄰2條測線的數(shù)據(jù)搭接情況。

數(shù)據(jù)采集過程中，影響精度因素主要有施工區(qū)域的流速流向、航速、聲速以及掃測寬度或者開角大小等，盡可能選擇平潮時期進行掃測，控制掃測船速，根據(jù)測區(qū)內(nèi)水深適時調(diào)整開角大小，根據(jù)測區(qū)范圍大小以及掃測時間長短安排聲速測量，及時進行聲速改正[8]。

（1）漳河水利經(jīng)濟的經(jīng)營模式。漳河工程管理局所屬企業(yè)均為獨立法人實體單位，依法自主經(jīng)營，自負盈虧，自我約束，自我發(fā)展，獨立承擔民事責任，對管理局授權經(jīng)營的國有資產(chǎn)享有使用權，確保企業(yè)資產(chǎn)品牌保值增值，并實現(xiàn)相應責任目標。

在數(shù)據(jù)處理過程中，處理測線要與測線方向垂直，要著重檢查相鄰2條測線數(shù)據(jù)的搭接情況，根據(jù)數(shù)據(jù)需要選擇合適的處理寬度，對于假水數(shù)據(jù)和邊緣波束偏差進行修改校正。對于處理完成的數(shù)據(jù)要及時進行復查。

3 多波束測深系統(tǒng)精度強制性改正

多波束測深系統(tǒng)是一個由多元儀器組成的復雜系統(tǒng)，造成誤差的因素很多，缺少有效的精度控制方法。為了滿足現(xiàn)場施工技術要求，本文結(jié)合施工現(xiàn)場情況及條件，找出了一種多波束測深系統(tǒng)精度比對方法，通過對系統(tǒng)進行強制性改正，達到有效提高測控精度的目的。

3.1 比測方法

本比對方法是建立在多波束測深系統(tǒng)在安裝、調(diào)試、校正均符合規(guī)范要求的基礎上，為滿足現(xiàn)場施工技術要求，同時結(jié)合現(xiàn)場施工條件，對多波束測深系統(tǒng)誤差進行測定，從系統(tǒng)參數(shù)入手，對系統(tǒng)進行強制性改正的一種比對方法。由于多波束測深系統(tǒng)安裝比對完成及掃測技術人員的固定，多波束測深系統(tǒng)累計誤差相對穩(wěn)定。沉管未出塢之前，在沉管管頂安裝比測板，安裝過程中確保比測板保持平整，使用全站儀采集比測板4個邊角、中心點以及沉管內(nèi)部貫通點的坐標及高程，從而解算出比測板坐標與管內(nèi)貫通點的相對位置關系。沉管安裝后通過管內(nèi)貫通測量的方法得到深中坐標系統(tǒng)下的貫通點的坐標及高程，結(jié)合之前測得的相對位置關系求出比測板安裝后的4個邊角以及中心點高程，使用多波束測深系統(tǒng)對安裝后比測板進行水深測量，最后將多波束掃測比測板高程進行中誤差計算，從而比對出多波束測深系統(tǒng)的精度。同時通過多次使用此檢測方法進行對比，可監(jiān)測多波束測深系統(tǒng)在一段時間內(nèi)的掃測精度變化，判斷數(shù)據(jù)是否趨于穩(wěn)定。

比測板使用鋼板或者PVC板制成，尺寸5 m×5 m，支腿高度0.5 m，焊接在沉管頂部，保證安裝比測板區(qū)域周圍無明顯突出物，見圖1。

圖1 管頂比測板安裝Fig.1 Installation of comparison plate on the top of tube

首先獲取比測板坐標與管內(nèi)貫通點的相對位置關系。根據(jù)整個沉管建立施工坐標系，以沉管一角為坐標系原點，沉管的長、寬、高作為沉管的X、Y、Z軸，使用全站儀采集施工坐標系中比測板和貫通點坐標及高程，從而解算出比測板坐標與管內(nèi)貫通點的相對位置關系。

沉管安裝后，根據(jù)已知的控制點平面坐標及高程，使用全站儀通過閉合導線測量的方法獲取安裝后貫通點的坐標及高程（此時獲取的貫通點坐標為深中坐標系中坐標及高程）。

多波束掃測比測板獲取的數(shù)據(jù)為深中坐標系中坐標，接下來通過已知的相對位置關系以及安裝后貫通點的坐標及高程計算出比測板5個點在深中坐標系中的坐標及高程。

設貫通點i點施工坐標為（Ai，Bi），深中坐標為（Xi，Yi），其中（X0，Y0）為施工坐標系原點在深中坐標系中坐標，a為2個坐標系坐標軸夾角，兩者間的換算公式為：

根據(jù)獲取的深中坐標系中比測板坐標對多波束掃測數(shù)據(jù)進行篩選，選取出合適范圍內(nèi)的多波束掃測數(shù)據(jù)，與比測板高程進行中誤差計算：

式中：m中為中誤差；Δ為真誤差（多波束掃測數(shù)據(jù)高程減去比測板高程）；n為選取多波束掃測數(shù)據(jù)的數(shù)量；L觀為多波束掃測數(shù)據(jù)；L真為比測板高程。

3.2 精度修正效果

中誤差是衡量觀測精度的一種數(shù)字標準，中誤差的大小反映了該組觀測值精度的高低。本文比對選擇在E1管節(jié)頂部安裝比測板，在塢內(nèi)貫通點與比測板的相對位置關系通過全站儀進行測定，待沉管安裝后，將E1管節(jié)貫通點的測量成果，通過坐標系反算出管頂比測板5個比測點坐標及高程。將5個點的高程取平均值為L真，具體坐標如表1所示。

表1 比測點坐標及高程Table 1 Coordinates and elevations of comparison points

考慮到回淤對精度影響，在沉管安裝后連續(xù)3期多波束掃測數(shù)據(jù)進行比對[9-10]；將連續(xù)3期多波束掃測水深數(shù)據(jù)導入到CAD中，篩選出位于比測板區(qū)域的點，展點密度為0.1 m×0.1 m。將每日篩選出所有點的高程取平均值計算，平均值點的高程為L觀，將每日高程L觀與比測板5個點高程的平均值L真進行中誤差計算，得第1期多波束掃測中誤差為+1.604 cm，第2期多波掃測中誤差為+1.706 cm，第3期多波束掃測中誤差為+1.805 cm，中誤差平均值為+1.705 cm（“+”即觀測值比真實值要高）。滿足施工現(xiàn)場基床碎石整平±4 cm精度要求。

4 工程應用

多波束測深系統(tǒng)水深測量作為沉管塊石拋填振密、碎石基礎鋪設等基礎施工工序質(zhì)量檢測的主要判定標準，確保多波束測量的精度是監(jiān)測工作的重中之重。沉管隧道基床鋪設要求精度誤差±4 cm，遠高于多波束測深系統(tǒng)掃測規(guī)范極限誤差±34 cm（此處選用特等精度，30 m水深進行計算）要求。通過在管節(jié)的頂部設置水下高程比測鋼板，對多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型進行標定與誤差強制性修正，經(jīng)過多次水下比測板比對調(diào)試，精度基本滿足現(xiàn)場施工技術要求，穩(wěn)定提升了塊石與碎石基礎施工多波束系統(tǒng)的檢測精度。

E1—E14管節(jié)碎石基床鋪設實際應用中，基床碎石整平后，使用校準后的多波束測深系統(tǒng)進行掃測檢驗，所獲得的水深數(shù)據(jù)通過色塊圖、壟平均高程值統(tǒng)計等分析方法[11]，結(jié)果均滿足設計要求，為了進一步驗證多波束測深系統(tǒng)的精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，提取多個管節(jié)碎石基床的多波束掃測數(shù)據(jù)與貫通測量結(jié)果、碎石基床整平設計高程數(shù)據(jù)比對檢驗，結(jié)合設計提供的沉管安裝著床拖帶碎石基床1 cm的沉降量，故多波測深掃測數(shù)據(jù)基本比貫通測量結(jié)果普遍高1～2 cm，多種測量檢驗結(jié)果基本吻合。

比對成果如圖2所示。

圖2 碎石基床鋪設多波束掃測與貫通測量結(jié)果對比Fig.2 Comparison of multi beam scanning and penetration measurement results for gravel foundation bed laying

5 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)在沉管隧道基礎施工中至關重要。在實際應用中，沉管隧道基礎中基槽精挖、基槽塊石拋填振密、基床碎石整平以及后續(xù)的沉管回填，都需要以多波束測深系統(tǒng)掃測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對其施工成果進行檢驗，尤其是基床碎石整平施工中，通過對多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型進行標定與誤差修正，將多波束測深系統(tǒng)掃測規(guī)范極限誤差±34 cm提升到整平精度要求為±4 cm，通過多波束測深數(shù)據(jù)與貫通測量結(jié)果對比，結(jié)合設計提供的沉管安裝著床拖帶碎石基床1 cm的沉降量，多波測深掃測數(shù)據(jù)比貫通測量結(jié)果普遍高1～2 cm，因此2種測量結(jié)果基本吻合。本比對方法可以直觀地測量多波束測深系統(tǒng)實際的掃測精度情況；通過系統(tǒng)的強制改正，有效提高掃測精度，滿足現(xiàn)場施工技術要求。