论文专区▏基于多波束数据的港珠澳大桥隧道基础检测分析
一、引言
海底沉管隧道施工技术复杂，工序多，质量要求高，常规的水下检测项目有结构轴线、标高、结构尺寸以及边坡坡率等内容，当检测项目单一且检测量小时可采取潜水员水下摄像或钢尺测量，当检测量大、时间短且需减少对检测面扰动破坏时潜水工作就无法完成。
多波束测深系统是当今水深测量和水底地形勘测最先进的测量设备，具有全覆盖、高效率、高精度的测量优点，能实现扫测水域结构（障碍）物无遗漏测量，客观全面地反映水下结构物形态[1]。而单波束水深测量系统具有直观便捷、精度易于控制的优点，在水下工程测量中可做为多波束测深数据的补充，从而实现对水下结构物点面综合质量控制。
港珠澳大桥岛隧工程沉管[2]水中段全长5664米，由33个管节水下连接而成，纵向呈“W”型，最大水深达45m，是目前世界上综合难度和规模最大的沉管隧道。隧道基础为先铺碎石基床垄结构，标准节段基床长180m、宽约42m，共计62垄、垄顶宽1.8m、垄沟宽度1.05m，采用专用整平船施工，质量控制项目包括垄顶高程、垄宽、基床宽及相对平整度等。根据本工程水下施工环境及检测项目精度要求，配置了具有变频功能、最大波束数512个、水下分辨率6mm的Renson SeaBat 7125多波束测深系统；配置了满足碎石基床垄标高测量精度±4cm要求的特制单波束深水测控系统。
二、测深数据质量分析
影响多波束水深测量精度的因素较多且不易控制[3]，根据相关规范要求，水下施工测量须根据工程施工环境、工程规模及技术复杂程度配备符合精度要求的多波束测量系统，并对测深数据的可靠性及精度进行综合分析评估。本工程在碎石基床垄（整平精度±4cm）上利用特制单波束测深数据进行对比法分析[4]。
⒈ 多波束水深测量
港珠澳大桥沉管隧道水下测量采用Renson SeaBat 7125多波束仪，考虑到工程技术复杂、精度要求高，现场测量时需注意以下几方面事情：①根据需要在东西人工岛附近自建两台潮位遥报仪；②平面定位在HZM－CORS系统下进行（港珠澳大桥GPS CORS系统，平面精度优于±2cm，高程精度优于±3cm[5]）；③在基槽特征位置处（或已安管节上）严格校正多波束各项参数[6]；④加强声速测量，测时长或跨涨平潮等情况时应加密测量；⑤考虑现场施工平面布局，主测线布置垂直于隧道轴线（与潮流流向一致），平行于碎石基床垄中心线；⑥深水深槽，采用小开角（小于60°）测量；⑦数据采用Caris HIPS软件处理[7]，根据对比分析的需要，数据以0.2m间距输出；
⒉ 特制单波束水深测量
港珠澳大桥沉管隧道碎石基床垄标高以单波束测量[8]数据为主，该系统整合布设在碎石整平船[9]下料管上，水深45m测量精度优于±4cm，具有以下几方面的优点：①系统工作平台稳定：碎石基床整平船四角插桩于基槽上，工作平台悬于水面，受水流、风浪影响小；②定位精度高：GPS接收天线布置于下抛石管顶，定位采用HZM-CORS系统；③水下测量精度高：单波束换能器位于抛石管底部距被测碎石垄面1.5m处（见图1），由测量声纳和校正声纳共同组成，并采用倾斜传感器对GPS天线到换能器之间的抛石管固定长度进行实时倾斜修正；④垄顶数据测量稳定可靠：测量轨道车走位与碎石垄中心重合，减少因测线不规则引起的数据质量误判。
图1 水下单波束测量系统
因此，该系统测量误差主要是RTK高程误差，水下声纳测量及抛石管固定长度倾斜误差经实时修正影响较小，测量精度优于±4cm，满足碎石基床的测量精度要求，可做为多波束测量数据质量分析比较的参照。
⒊ 数据对比
沉管隧道碎石基床垄为精细化施工结构物，垄面经水下专业设备整平成型，小面积平整度可靠。在HZM-CORS系统下，单波束测深系统采用特制的稳定装置，平面偏差小于2cm；多波束测深系统通过船上优化布置、精密参数校正及现场测量条件的严格控制，在码头静水区[10]和对水下已知结构物特征点的多次测量比较分析，平面偏差优于3cm。
综上原因，测深数据对比分析时为保证对比数据量及数据的有效性，对比点平面偏差控制在0.1m范围内。分析方法以垄中心线上特制单波束测点数据m（间距3m）为基点，统计该点半径0.1m[11]范围内的多波束数据ni，计算ni与m的偏差hi。
表1共统计10个管节多波束测量数据，时间跨度近一年。统计总点数4601点次，其中偏差hi在0～10cm内的点占总点数的90.1%，偏差hi在10cm～15cm内的点占总点数的8.4%，偏差hi大于15cm的点占总点数的1.5%。
表1 多波束数据与单波束数据对比偏差统计
偏差 点数 | 0～5cm | 5～10cm | 10～5cm | >15cm |
412 | 45.1% | 37.9% | 14.3% | 2.7% |
379 | 56.5% | 25.6% | 14.2% | 3.7% |
423 | 49.7% | 43.7% | 6.4% | 0.2% |
472 | 56.8% | 36.2% | 6.6% | 0.4% |
487 | 65.9% | 29.2% | 4.5% | 0.4% |
397 | 78.9% | 19.4% | 1.5% | 0.2% |
563 | 58.8% | 34.4% | 6.6% | 0.2% |
541 | 59.7% | 34.0% | 6.3% | 0 |
416 | 43.5% | 42.8% | 10.5% | 3.2% |
520 | 43.8% | 39.6% | 13.5% | 3.1% |
将正负偏差点按5cm区间隔值汇总，点数分布见直方图2。
图2偏差值区间分布
从表1和图2结果看，本套多波束系统测量数据质量偏差基本在±10cm左右，且偏差点据有一定的对称性，可用于沉管隧道水下施工常规项目检测和碎石基床垄测量分析。
三、数据应用分析
⒈ 碎石基床垄标高测量
沉管隧道碎石基床垄标高精度要求高，水深测量采用特制单波束系统数据为准，结合多波束数据量大、相对精度高的的特点，采用密集数据（点间距小于0.1m）统计每垄中心1.5m范围（垄设计宽1.8m，边缘数据距垄沟较近没有代表性）内标高偏差，按公式
表2 管节碎石垄基床标高分析统计
次 数 | 垄 数(个) | 标准差σ（cm） | 均标高差（cm） |
第一次 | 62 | 3.6 | +2.4 |
第二次 | 62 | 3.7 | +2.6 |
第三次 | 62 | 3.7 | -2.1 |
第四次 | 62 | 2.3 | +1.8 |
第五次 | 62 | 2.7 | +2.3 |
第六次 | 62 | 2.2 | +3.3 |
第七次 | 62 | 3.3 | -1.8 |
从安装管节贯通测量最终姿态数据分析，碎石基床垄标高标准差小于4cm时，能满足管节安装质量要求（局部标高相对差过大应引起重视）。
⒉ 碎石基床垄结构尺寸测量
沉管隧道碎石基床测量控制还包括垄宽度、基床宽度、基床轴线偏差等内容，因水下直接测量困难，可根据多波束采集的大数据在专业软件中间接测量。
①利用CARIS HIPS多波束数据处理软件功能键测量
基床轴线偏差测量以数据处理窗口中加载的设计底图中轴线为对称轴，利用CARIS HIPS子区编辑功能键分别绘出两侧横断面图，测量断面标高满足设计要求的宽度值，两侧宽度数据相减差的一半即为轴线偏差值，方向与测量大值相同；垄宽直接测量断面标高满足设计要求的宽度值。该法优点：原始测量数据量大，地形失真小，见图3。
图3 碎石垄宽图上测量
②利用CASS成图处理软件测量
根据CARIS HIPS多波束数据处理软件输出的三维坐标数据，在CASS软件[13]中以结构物设计轴线为中心生成纵横断面图，在断面图上测量控制项目的相关数据。该法优点：可与设计断面线及前期测量数据断面进行叠加对比分析，直观测定检测项目尺寸；缺点：测量数据经过稀释，可能导致水下地形失真，故需结合多波束数据软件处理成果对比分析。
⒊ 3D效果图判读
采用大数据在CARIS HIPS数据处理软件中生成3D效果图，见图4，从图上能初步判读基槽边坡坡率是否自然顺畅、是否存在滑塌趋势，碎石基床垄的大面积平整度及基床上是否存在异物、垄及垄沟的形状、在回淤监测中进行多期测量对比能初步判断垄沟的回淤情况等内容，为管节安装期快速决策提供依据。
图4 碎石垄垫层3D效果
五、结语
海底沉管隧道管节为密封的箱体结构，受海水密度等因素影响，自身浮力大，对基床单位面积压力小，碎石基床标高局部和个别点偏差大，均可能导致沉管安装失败或留下质量隐患。因此，基于多波束与特制单波束测量数据相结合的点面质量控制法和结构尺寸图上分析法，是沉管隧道基础施工质量检测控制不可或缺的方法之一。深水深槽隧道测量时还需注意以下几点：
①海底隧道水下施工工序多、衔接紧密，上道工序施工完后宜静止一个潮位期，减小基槽内浑浊水域对测量数据质量的影响。
②碎石基床垄测量数据采用点面结合的分析方法，对基床面局部点偏差过大不宜采用此法。
③隧道结构复杂，测量数据处理时宜结合结构物特点综合分析，对局部无法判断时，宜在潜水员水下探摸摄像后再做决策。
参考文献：
[1]李全兴,钱万民,马建林.多波束测深系统在海洋工程测量中的应用.海洋测绘,1999(2):36－42.
[2]陈韶单,苏宗贤,陈越.港珠澳大桥沉管隧道新技术.隧道建设,2015,35(5):396-493.
[3]李家彪,郑玉龙,王小波,等.多波束测深及影响精度的主要因素.海洋测绘,2001(1):26-32.
[4]郑庆涛.多波束与单频测深技术应用的比较.水利信息化,2007(1):25-29.
[5]吴迪军,熊伟,何婵军.港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统精度测试.导航定位学报,2013(2):77-80.
[6]王闰泽.多波束测深系统的安装校准.海洋测绘,2003.23(1):34-37.
[7]肖付民,郭立新,金绍华,等.CARIS HIPS 多波束测量数据后处理教程.北京:测绘出版社.2015.
[8]杨梦云.影响单波束测深仪测量精度的因素及消除措施.人民长江,2012,43(21):42-44.
[9]杨秀礼,邵曼华,徐杰.港珠澳大桥沉管碎石垫层铺设船（平台）抛石整平总体方案选型.施工技术,2014,43(2):17-19.
[10]赵吉力,唐力放.东海大桥轴线水下地形多波束扫测.海洋测绘,2004,24(2):37-40.
[11]张立华,朱穆华,赵巍,等.海量多波束数据抽稀方法的比对分析.海洋测绘,2010(5):81-83.
[12]黄谟涛,翟国君,欧阳永忠,等.多波束与单波束测深数据的融合处理技术.测绘学报,2001,30(4):299－303.
[13]李昌根,廉光日.利用南方cass绘制断面图的几种方法.地矿测绘,2008,24(2):39-41.
【作者简介】第一作者杨锐，1981出生，男，湖北咸丰人，中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，工程师，主要从事工程测量数据处理研究；本文来自《海洋测绘》（2017年第6期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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