沉管隧道基础施工多波束测深系统高精度检测技术研究及应用

潘伟，朱永帅，成益品，刘迪

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；3.深中通道管理中心，广东 中山 528400）

0 引言

沉管隧道管节基础施工的质量保障了工程的顺利进行和工程安全，而基础的回淤和沉管隧道的不均匀沉降均会使管节间产生大幅错位，甚至影响隧道止水安全和使用寿命。为了避免沉管隧道产生上述问题，对隧道基床的高精度测深显得尤为重要。沉管隧道基床测深方法主要有单波束测量和多波束测量，单波束测量原理是采用换能器垂直向下发射声波，然后接收并处理反射回的声波信号；多波束测量原理是利用发射器阵列向海底发射宽扇型的声波，再利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射和接收声波对海底地形的照射脚印进行处理[1]，每次探测可以测量数百个测量点。多波束测量方法因测量精度高、测量数据量大等特点被用于港珠澳大桥隧道碎石基础控制[2]、水下基坑开挖、基床平整[3]等工程，极大地提高了施工效率和施工质量。

基床铺设精度控制直接影响到后期沉管安装的精度，也是沉管成功安装和精确对接的保障性工序。在基床铺设精度控制中，主要依靠多波束测深系统进行检测，因此，多波束测深系统在沉管隧道基础施工中如何提高精度检测技术至关重要。多波束测深系统与常用的GPS快速静态与全站仪联合测量高差方法相比自动化程度更高[4]，不但能够满足沉管隧道基础施工的需求，而且对促进建设技术进步、提高跨海通道建设的综合能力具有十分重要的意义。

本文以深中通道工程为依托，为了保证深中通道沉管隧道基础施工的精度，基于多波束测深系统，开展高精度检测技术的研究和应用，对工程质量和施工安全具有至关重要的意义。

1 沉管隧道基础高精度检测技术

深中通道隧道长6.8 km，其中沉管段长5 km，由32个管节及1个最终接头组成，为世界首例特长超宽双向八车道海底沉管隧道。为保证沉管隧道工程质量，基于多波束测深系统对沉管隧道基础进行检测。基础检测的测控、监测全部自动化完成，施工工序简单，在施工效率、工程质量、作业条件等方面都具有显著的优势。

多波束测深系统是由多传感器组成。具体组成如下：Kongsberg EM2040单条带多波束测深仪、POSMV Oceanmaster惯导系统、AML BASE X2声速剖面仪、AML Micro-X表面声速仪、UPS不间断电源及采集计算机、数据采集软件qinsy和控制软件SIS以及数据后处理软件Qimera、TrimbleR9S。

Kongsberg EM20401°×1°单条带多波束测深仪利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，从而快速测出水深值，POSMV Oceanmaster惯导系统能够提供船体的姿态、航向、位置和速度数据，AML BASE X2声速剖面仪和AML Micro-X表面声速仪利用声波的传播速度测量水深，UPS不间断电源为设备的正常运行提供电力支持。

2 多波束测深系统精度影响因素

多波束测深系统影响数据采集质量的因素有很多，测深系统仪器安装时所产生的GPS时间延迟、横摇、纵摇、椭摇等系统误差，均需要进行校正以提高水深测量的精度[5]。

仪器安装位置最好在船体的1/3处，因为此处的噪音和产生的气泡对仪器的影响最小；同时保证仪器安装周围平面平滑且符合流体力学，不得存在凸起或者围栏，系统各设备之间的相对位置关系标定应使用全站仪进行准确测量[6]，其标定精度直接影响多波束测深精度，因为后续的软件参数都是以其标定数据为依据。

系统校准应参照JT/T 790—2010《多波束测深系统测量技术要求》[7]，仪器安装完成后，应对系统整体进行横摇、纵摇、艏向3种姿态校准。横摇应取3组或以上数据计算校准值，中误差应小于0.05°；纵摇应取3组或以上数据计算校准值，中误差应小于0.3°；艏向应取3组或以上数据计算校准值，中误差应小于0.1°。姿态校准完成后进行相应的内外符合测试，对相应区域进行横纵向扫测，检查相邻2条测线的数据搭接情况。

数据采集过程中，影响精度因素主要有施工区域的流速流向、航速、声速以及扫测宽度或者开角大小等，尽可能选择平潮时期进行扫测，控制扫测船速，根据测区内水深适时调整开角大小，根据测区范围大小以及扫测时间长短安排声速测量，及时进行声速改正[8]。

（1）漳河水利经济的经营模式。漳河工程管理局所属企业均为独立法人实体单位，依法自主经营，自负盈亏，自我约束，自我发展，独立承担民事责任，对管理局授权经营的国有资产享有使用权，确保企业资产品牌保值增值，并实现相应责任目标。

在数据处理过程中，处理测线要与测线方向垂直，要着重检查相邻2条测线数据的搭接情况，根据数据需要选择合适的处理宽度，对于假水数据和边缘波束偏差进行修改校正。对于处理完成的数据要及时进行复查。

3 多波束测深系统精度强制性改正

多波束测深系统是一个由多元仪器组成的复杂系统，造成误差的因素很多，缺少有效的精度控制方法。为了满足现场施工技术要求，本文结合施工现场情况及条件，找出了一种多波束测深系统精度比对方法，通过对系统进行强制性改正，达到有效提高测控精度的目的。

3.1 比测方法

本比对方法是建立在多波束测深系统在安装、调试、校正均符合规范要求的基础上，为满足现场施工技术要求，同时结合现场施工条件，对多波束测深系统误差进行测定，从系统参数入手，对系统进行强制性改正的一种比对方法。由于多波束测深系统安装比对完成及扫测技术人员的固定，多波束测深系统累计误差相对稳定。沉管未出坞之前，在沉管管顶安装比测板，安装过程中确保比测板保持平整，使用全站仪采集比测板4个边角、中心点以及沉管内部贯通点的坐标及高程，从而解算出比测板坐标与管内贯通点的相对位置关系。沉管安装后通过管内贯通测量的方法得到深中坐标系统下的贯通点的坐标及高程，结合之前测得的相对位置关系求出比测板安装后的4个边角以及中心点高程，使用多波束测深系统对安装后比测板进行水深测量，最后将多波束扫测比测板高程进行中误差计算，从而比对出多波束测深系统的精度。同时通过多次使用此检测方法进行对比，可监测多波束测深系统在一段时间内的扫测精度变化，判断数据是否趋于稳定。

比测板使用钢板或者PVC板制成，尺寸5 m×5 m，支腿高度0.5 m，焊接在沉管顶部，保证安装比测板区域周围无明显突出物，见图1。

图1 管顶比测板安装Fig.1 Installation of comparison plate on the top of tube

首先获取比测板坐标与管内贯通点的相对位置关系。根据整个沉管建立施工坐标系，以沉管一角为坐标系原点，沉管的长、宽、高作为沉管的X、Y、Z轴，使用全站仪采集施工坐标系中比测板和贯通点坐标及高程，从而解算出比测板坐标与管内贯通点的相对位置关系。

沉管安装后，根据已知的控制点平面坐标及高程，使用全站仪通过闭合导线测量的方法获取安装后贯通点的坐标及高程（此时获取的贯通点坐标为深中坐标系中坐标及高程）。

多波束扫测比测板获取的数据为深中坐标系中坐标，接下来通过已知的相对位置关系以及安装后贯通点的坐标及高程计算出比测板5个点在深中坐标系中的坐标及高程。

设贯通点i点施工坐标为（Ai，Bi），深中坐标为（Xi，Yi），其中（X0，Y0）为施工坐标系原点在深中坐标系中坐标，a为2个坐标系坐标轴夹角，两者间的换算公式为：

根据获取的深中坐标系中比测板坐标对多波束扫测数据进行筛选，选取出合适范围内的多波束扫测数据，与比测板高程进行中误差计算：

式中：m中为中误差；Δ为真误差（多波束扫测数据高程减去比测板高程）；n为选取多波束扫测数据的数量；L观为多波束扫测数据；L真为比测板高程。

3.2 精度修正效果

中误差是衡量观测精度的一种数字标准，中误差的大小反映了该组观测值精度的高低。本文比对选择在E1管节顶部安装比测板，在坞内贯通点与比测板的相对位置关系通过全站仪进行测定，待沉管安装后，将E1管节贯通点的测量成果，通过坐标系反算出管顶比测板5个比测点坐标及高程。将5个点的高程取平均值为L真，具体坐标如表1所示。

表1 比测点坐标及高程Table 1 Coordinates and elevations of comparison points

考虑到回淤对精度影响，在沉管安装后连续3期多波束扫测数据进行比对[9-10]；将连续3期多波束扫测水深数据导入到CAD中，筛选出位于比测板区域的点，展点密度为0.1 m×0.1 m。将每日筛选出所有点的高程取平均值计算，平均值点的高程为L观，将每日高程L观与比测板5个点高程的平均值L真进行中误差计算，得第1期多波束扫测中误差为+1.604 cm，第2期多波扫测中误差为+1.706 cm，第3期多波束扫测中误差为+1.805 cm，中误差平均值为+1.705 cm（“+”即观测值比真实值要高）。满足施工现场基床碎石整平±4 cm精度要求。

4 工程应用

多波束测深系统水深测量作为沉管块石抛填振密、碎石基础铺设等基础施工工序质量检测的主要判定标准，确保多波束测量的精度是监测工作的重中之重。沉管隧道基床铺设要求精度误差±4 cm，远高于多波束测深系统扫测规范极限误差±34 cm（此处选用特等精度，30 m水深进行计算）要求。通过在管节的顶部设置水下高程比测钢板，对多波束系统数据处理模型进行标定与误差强制性修正，经过多次水下比测板比对调试，精度基本满足现场施工技术要求，稳定提升了块石与碎石基础施工多波束系统的检测精度。

E1—E14管节碎石基床铺设实际应用中，基床碎石整平后，使用校准后的多波束测深系统进行扫测检验，所获得的水深数据通过色块图、垄平均高程值统计等分析方法[11]，结果均满足设计要求，为了进一步验证多波束测深系统的精度及系统稳定性，提取多个管节碎石基床的多波束扫测数据与贯通测量结果、碎石基床整平设计高程数据比对检验，结合设计提供的沉管安装着床拖带碎石基床1 cm的沉降量，故多波测深扫测数据基本比贯通测量结果普遍高1～2 cm，多种测量检验结果基本吻合。

比对成果如图2所示。

图2 碎石基床铺设多波束扫测与贯通测量结果对比Fig.2 Comparison of multi beam scanning and penetration measurement results for gravel foundation bed laying

5 结语

多波束测深系统在沉管隧道基础施工中至关重要。在实际应用中，沉管隧道基础中基槽精挖、基槽块石抛填振密、基床碎石整平以及后续的沉管回填，都需要以多波束测深系统扫测数据为依据，对其施工成果进行检验，尤其是基床碎石整平施工中，通过对多波束系统数据处理模型进行标定与误差修正，将多波束测深系统扫测规范极限误差±34 cm提升到整平精度要求为±4 cm，通过多波束测深数据与贯通测量结果对比，结合设计提供的沉管安装着床拖带碎石基床1 cm的沉降量，多波测深扫测数据比贯通测量结果普遍高1～2 cm，因此2种测量结果基本吻合。本比对方法可以直观地测量多波束测深系统实际的扫测精度情况；通过系统的强制改正，有效提高扫测精度，满足现场施工技术要求。