多元技术联合探测在甬江隧道沉管探测中的应用探究

刘俊汀，韩 愈

(宁波上航测绘有限公司，浙江 宁波 315200)

0 引 言

甬江水底隧道位于浙江省宁波镇海的甬江入海口，为单孔双车道汽车隧道，全长1019m，其产水下段420m，是采用5节85m×11.9m的钢筋混凝土大型沉管水底对接而成。修建在海相沉积，饱和流塑状的黄色淤泥质黏土的软弱地基上。河道淤积严重，实测淤强为16cm/d。采用抛石回填基础和专用的清淤设备，顺利完成了工程，为我国在软弱地基上修建沉管隧道积累了经验。甬江水底隧道是我国第一条用“沉管法地基上的大型水底交通隧道。

1 多波束扫测

外业扫测中，需对换能器安装偏差进行校准。校准线选择在测区有代表性(包含平坦及陡峭地形)区域，布设一条倒8字测线，半倒8字半径约100m，往返扫测，直至水深控制软件GUI将系统计算姿态参数(Roll、Pitch、Yaw)并对测深数据进行改正计算。

利用GPS-RTK定位测量自动化系统进行，连接好各设备间通讯线，完成各项设备工前调试，保证各项设备正常工作。根据现场水深情况，测区沿东西方向布设主测计划线，布线间距为10m，根据所测水深情况，满足测量覆盖率>20%来选择合适测线，在测量区域进行全覆盖扫测。作业船只按布设的测线上线，并根据电脑指示随时修正航向并保持航速(船速≤4kn)。水深测量仪器采用Norbit多波束测深系统，与利用GPS-RTK定位测量自动化系统连接，采用QINSY软件对实施水深数据、定位数据的同步实时采集。

外业实施测量过程中，使用表面声速剖面仪测定探头处声速，将声速数据实时输入多波束采集系统进行水深的自动改正。测量前后使用自容式声速剖面仪在测区最大水深处采集声速剖面数据，用于内业数据水深改正[1]。

2 浅地层剖面探测

SES-2000标准型参量阵浅地层剖面仪为德国Innomar公司的产品，该系统采用差频原理进行浅地层剖面探测和精确水深测量，具有很高的分辨率(100KHz换能器束角仅为1.8°)，适合于浅地层精确探测。仅由一个工作站就能完成数据采集及后处理等全部工作，换能器小巧轻便，安装快捷，是进行浅地层剖面及高精度水深测量的最佳设备。

浅地层剖面仪换能器采用固定安装方式，将浅地层剖面仪换能器部署在船舷，测量前对换能器的吃水和位置进行了量测，将吃水深度在SESWIN数据采集软件中进行吃水改正，提高探测数据精度。

浅剖测量同时记录水深数据和浅剖数据。根据现场水下地形复杂，目标海域水深情况，在保证测量区域的覆盖程度和作业人员、设备的安全的前提下进行浅剖探测作业。

浅剖作业过程中，测船航速保持稳定，一般控制在3-4节。采集数据同时保存为*.ses和*.raw两种格式，每条测线记录一个文件。每天作业前，做好仪器的调试，校对仪器中各测量参数的准确性，并做好记录；作业过程中，值班人员做好作业过程值班记录；作业结束后，做好数据整理、备份，并进行数据预处理和回放。

3 三维激光扫测

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够快速扫描物体表面的三维点云数据，每秒获取的点云数量达到百万级以上，能完整和精细的表达出测量对象表面情况。

3.1 扫描站点布设

在现场数据获取阶段，扫描站点的布设对数据质量有很大影响。合理的布置扫描站点位置既可以减少工作量、减少数据冗余，又可以得到拼接精度高的整体点云模型。在保证扫描精度的情况下，在每个扫描站点位置应能最大范围地扫描到目标场景，同时尽量确保每个扫描站点上无被遮挡区域[2]。

3.2 影像获取

扫描前仪器内置相机自动连续拍摄扫描区域的全部影像，并保存影像数据到影像文件中。为后续点云赋色和纹理贴图提供影像数据。

4 数据处理与分析

4.1 多波束数据处理

本次测量的内业数据处理采用专业海道测量软件Qimera软件，最终输出三维图像和水下地形点坐标及高程。具体流程如图1所示。

将清理后的数据输出到ASCII文件，生成数据。最终生成水下地形三维效果图。

4.2 浅地层剖面数据处理

使用浅剖设备配备的Innomar ISE分析软件处理浅剖数据，读取定位点信息。浅地层剖面仪的数据经后处理输出图像。根据模拟剖面记录，判读地层的基本情况，通过地质剖面的地层断裂和错位情况进行分析判断。

在Innomar ISE软件工具栏中标定出现其平面位置与其深度信息。

通过判读，最后输出泥面数据和岩层面数据，通过差值得出泥面厚度和抛石厚度信息。

最后将分层数据分别以“txt”导出，导出后将分层数据做差值，差值即为泥层厚度。

4.3 三维激光内业点云数据处理

4.3.1 数据导入

点云数据内业软件主要采用Autodesk Recap软件，具体步骤如下：

1)导入点云数据导入的为固定格式点云文件。

2)选择[添加文件]按钮，弹出文件打开对话框，在数据目录下选择一个或多个文件，点击确定后，所选择的数据文件显示到列表中。

4.3.2 点云拼接

对于在已知控制点上设站使用测站后视法和后方交会法采集的点云具有绝对坐标不需要拼接，自由设站上扫描的点云需要使用标靶拼接和形状匹配法自动拼接各站数据。

在Recap中使用自动拼接模式拼接各站点云，软件基于自身算法将重叠度较高的点云自动拼接完成，如果相邻站之间重叠度较低，则可能拼接失败，此站独立成组，待人工手动拼接。对于无法自动拼接的测站，采用手动拼接模式拼接，在Recap测站拼接界面选择选点工具，在左右两侧分别选择同一特征点，特征点尽量选择没有凸起且不可移动的物体表面，一共选择三次，三次特征点需处于不同的平面上。

4.3.3 点云去噪与平滑

原始三维激光点云数据包含了大量的无关信息和粗差，即所谓的噪声点。这些噪声点产生原因是多方面的，如运动目标反射信号产生的数据、局部的跳变数据、前景遮挡数据以及无回波信息的局部空洞(如激光穿透玻璃)等。噪声的存在严重影响对点云数据的理解和成图。点云去噪包括软件自动过滤和人工去噪。本次作业中，为保证成果质量，基本采用人工去噪的方式，在Recap中选中工具，圈选噪点部分删除。

4.3.4 点云导出

将点云导出 E57 格式或者进行切片后绘制剖面图。

5 数据整合

根据需求，将多波束点云数据、浅地层剖面数据以及三维激光扫描点云数据整合，通过软件处理将点云数据生成隧道模型图。

6 结 语

隧道监测技术随着科学技术的发展越来越广泛，探测方法也越来越多样化。本次应用多波束系统、浅地层剖面探测系统以及三维激光扫描系统联合探测方式，相比较单一测量方式所得到的效果显然会更好。多波束点云数据生成的水下三维效果图，可以形象的展示出水下泥面情况，还可以获得水下地形的点云数据，获得泥面高程数据；浅地层剖面探测系统可以探测到泥面以下的基岩层，获得管道上方的泥面厚度，从而得出沉管顶部标高；三维激光扫描可以获得隧道内部的点云，生成影像图，清晰直观的了解隧道内部的高程情况以及沉管衔接位置。除此之外，多元技术联合探测不仅可以更加直观形象的反应隧道的情况，而且，多次测量还能更加精准的反应隧道的变形情况和埋深变化情况。所以，多元技术联合探测方法在隧道监测方向上会是很好的突破，将会在隧道探测的方式上奠定基础，也可以保证隧道探测结果的真实性，开展隧道监测方向的新纪元[4-5]。