沉管隧道沉放對(duì)接監(jiān)控中的超聲陣列測(cè)量及其關(guān)鍵算法

趙朋輝，柴修偉，胡勇前，孫 斌，閻要鋒

1.佛山新城建設(shè)開發(fā)有限公司，廣東 佛山 528000；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.上海?？乒こ套稍冇邢薰?，上海 200231

沉管隧道沉放對(duì)接監(jiān)控中的超聲陣列測(cè)量及其關(guān)鍵算法

趙朋輝1，柴修偉2*，胡勇前1，孫 斌3，閻要鋒2

1.佛山新城建設(shè)開發(fā)有限公司，廣東 佛山 528000；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.上海海科工程咨詢有限公司，上海 200231

水下高精度沉放對(duì)接是沉管隧道施工的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)測(cè)量方法的環(huán)境適應(yīng)性和精度等指標(biāo)要求很高.目前實(shí)際工程中多采用高精度全站儀測(cè)量和剛性測(cè)量塔傳遞坐標(biāo)的方法；此外，國(guó)外提出水下聲吶測(cè)量方法，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且精度不隨隧道長(zhǎng)度增加而下降.本文通過對(duì)水下聲吶法進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，采用三點(diǎn)后方交會(huì)方法，提出超聲陣列測(cè)量方法，并用于佛山汾江路南延線沉管隧道工程中管段沉放對(duì)接的測(cè)量監(jiān)控試驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與高精度全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠滿足工程需要，在管段間距2 m時(shí)，三軸坐標(biāo)測(cè)量精度不大于±45 mm.

沉管隧道；超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)；沉放和對(duì)接；算法

沉管隧道采用水上預(yù)制混凝土沉箱，拖運(yùn)到預(yù)定位置后下沉，并利用水壓將前后兩節(jié)管段連接起來(lái)，最終貫通形成水下隧道.1959年加拿大成功采用水力壓接法建成迪斯隧道，標(biāo)志著沉管隧道關(guān)鍵技術(shù)的突破，使得沉管法很快被世界各國(guó)普遍采用.截至2001年，世界上有近20多個(gè)國(guó)家采用沉管隧道技術(shù)修建了130多座水下隧道［1-2］.已建成沉管隧道中，里程最長(zhǎng)的是1969年美國(guó)建成的舊金山海灣快速交通隧道，也是目前世界上最長(zhǎng)的沉管隧道，全長(zhǎng)5 825 m，由58節(jié)管段組成［3-4］.我國(guó)大陸地區(qū)已建成20多條，其中港珠澳大橋隧道全長(zhǎng)5 664 m，由33節(jié)鋼筋混凝土沉箱組成［5-7］.

目前，沉管隧道沉放對(duì)接監(jiān)控測(cè)量主要采用全站儀和潛水探摸結(jié)合的方法.沉放初期，采用全站儀進(jìn)行管段空間定位，當(dāng)管段之間的距離靠近到20 cm以內(nèi)時(shí)，由潛水員入水探摸檢測(cè)，保證管段間對(duì)接到位［8-9］.經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐、總結(jié)和完善，該方法已基本成熟，廣泛應(yīng)用在內(nèi)河沉管隧道對(duì)接測(cè)量中，包括廣州珠江隧道、寧波常洪隧道、上海外環(huán)隧道、佛山汾江路南延線隧道、南昌紅谷灘隧道均采用了該測(cè)量方法.另外，還有一些其它的測(cè)量方法，如拉線法、水下聲吶法等.其中，水下聲吶法采用聲波測(cè)量方式對(duì)管段進(jìn)行空間定位進(jìn)而達(dá)到測(cè)量監(jiān)控目的［10-12］.該方法已經(jīng)應(yīng)用在日本京葉線臺(tái)場(chǎng)隧道、日本多摩川隧道和土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道的沉放對(duì)接測(cè)量中［13-16］.該測(cè)量技術(shù)由日本公司壟斷，長(zhǎng)期限制技術(shù)出口轉(zhuǎn)讓，只提供工程服務(wù)，且收費(fèi)十分昂貴.

本文提出的超聲陣列測(cè)量法是在水下聲吶法基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，采用三點(diǎn)后方交會(huì)方法，即已知空間3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和未知點(diǎn)到該3點(diǎn)的空間距離計(jì)算得出未知點(diǎn)的空間坐標(biāo).下面對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的組成、原理、實(shí)施流程和關(guān)鍵算法進(jìn)行分析.

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)組成

1.1測(cè)量原理

該方法是一種相對(duì)定位測(cè)量方法，其測(cè)量結(jié)果是待沉管段與已安裝管段對(duì)接端頭間的相對(duì)空間位置，當(dāng)管段間距離較近時(shí)，該方法具有很高的定位精度.測(cè)量陣列由安裝在沉箱頂部的水下超聲傳感器組成，包括接收和發(fā)射兩種.該系統(tǒng)通過測(cè)量超聲波在水中的走時(shí)計(jì)算出兩點(diǎn)間的空間距離，進(jìn)而求解未知點(diǎn)坐標(biāo)值.一般來(lái)說，超聲傳感器陣列組合形式比較靈活，只要滿足求解唯一性即可.文中以3組1發(fā)4收的形式為例，如圖1所示，每個(gè)對(duì)接面兩側(cè)各布置3組高靈敏度超聲波傳感器，每組傳感器包含1個(gè)發(fā)射端和4個(gè)接收端.

圖1 水下聲吶定位方式示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of underwater sonar localization

該測(cè)量系統(tǒng)采用三點(diǎn)后方交會(huì)法計(jì)算未知點(diǎn)坐標(biāo)，首先通過前期標(biāo)定得到接收陣列傳感器的中心坐標(biāo)，并在水下超聲距離測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算得到發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo).發(fā)射傳感器安裝在待對(duì)接管段上，每節(jié)管段各安裝3個(gè)，也就是最終得到3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值.由于傳感器中心與待對(duì)接管段剛性連接，空間相對(duì)位置在測(cè)量過程中保持不變，因此可以進(jìn)一步計(jì)算出管段上任意點(diǎn)的空間坐標(biāo).這樣就建立了兩節(jié)管段的準(zhǔn)確空間坐標(biāo)關(guān)系.

1.2 系統(tǒng)組成

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)包含超聲傳感器陣列、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)終端，如圖2所示.超聲傳感器陣列前面已有介紹，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量傳感器的收發(fā)控制、采集參數(shù)設(shè)定、采集進(jìn)程控制、采集模式調(diào)整和數(shù)據(jù)傳輸控制等；通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量終端與計(jì)算機(jī)終端之間的數(shù)據(jù)和命令交換，該系統(tǒng)中包含了無(wú)線和有線兩種模式；計(jì)算機(jī)終端是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，指揮整個(gè)系統(tǒng)有序工作，同時(shí)接收測(cè)量終端發(fā)回的測(cè)量數(shù)據(jù)并處理、反演出對(duì)接管段的相對(duì)空間坐標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建可視化空間模型并展示測(cè)量結(jié)果.

圖2 超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)組成框架圖Fig.2 Construction of ultrasonic array measurement system

1.3 測(cè)量過程

超聲陣列測(cè)量過程可以分為4步，包括設(shè)計(jì)、加工和預(yù)埋，岸上標(biāo)定，測(cè)量前安裝，水下測(cè)量與建模.

1）設(shè)計(jì)、加工和預(yù)埋.超聲陣列構(gòu)件需滿足防水、穩(wěn)定并保持足夠的剛度，且安裝設(shè)計(jì)需考慮管段施工工序.部分測(cè)量構(gòu)件需要預(yù)埋，其工序與管段頂面澆筑部分重疊，在鋼筋綁扎時(shí)，將測(cè)量構(gòu)件的底座按照設(shè)計(jì)方案定位后焊接到鋼筋網(wǎng)架上并澆筑混凝土.

2）岸上標(biāo)定.預(yù)埋件安裝后，為確定傳感器陣列與管段的空間相對(duì)位置，使用高精度全站儀測(cè)量方法得到各個(gè)傳感器中心和管段上控制點(diǎn)坐標(biāo).控制點(diǎn)宜選擇斷面結(jié)構(gòu)邊緣拐點(diǎn)的位置，即角點(diǎn)位置.標(biāo)定完成后，暫時(shí)拆除預(yù)埋底座上部的超聲陣列測(cè)量部件，待管段沉放對(duì)接前再安裝.

3）測(cè)量前安裝.一般管段浮運(yùn)到位后需進(jìn)行二次舾裝，在此期間，擇機(jī)安裝超聲陣列測(cè)量系統(tǒng).超聲陣列的上部結(jié)構(gòu)按照編號(hào)安裝到位，將整個(gè)端面上的所有電源和信號(hào)電纜一起綁扎后貼著管段內(nèi)邊布線，最后駁船或者控制塔上岸并連接到控制箱.安裝工作完畢后，檢查傳感器陣列、通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)終端是否正常.

4）水下測(cè)量與建模.沉放作業(yè)開始后，隨著管段的下沉，發(fā)射傳感器逐漸淹沒至水下，此時(shí)已滿足超聲波傳播條件，啟動(dòng)超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)并開始測(cè)量監(jiān)控.開始階段，由于收∕發(fā)傳感器組之間的距離在20 m左右，處于信號(hào)有效接收的臨界點(diǎn)，信號(hào)不穩(wěn)定.隨著管段的下沉和管段間的靠攏，傳播距離逐漸縮小，可以看到聲波信號(hào)逐漸增強(qiáng)，首波也逐漸清晰，待所有傳感器首波均可明確提取后啟動(dòng)測(cè)量模塊功能，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的算法程序自動(dòng)計(jì)算出兩節(jié)管段的相對(duì)空間位置并構(gòu)建其空間三維模型.

2 關(guān)鍵算法

2.1坐標(biāo)系的選擇

文中涉及到標(biāo)定和對(duì)接測(cè)量2個(gè)過程，分別采用不同的坐標(biāo)系.標(biāo)定坐標(biāo)系采用管段制作坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，遵循右手螺旋法則，記作O1-XYH.水下對(duì)接測(cè)量采用自建獨(dú)立坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于已沉放管段底板端頭與中軸線交點(diǎn)，X軸沿管頭斷面向右，Y軸與中軸線重合向外，H垂直于底板向上記作O2-XYH，如圖3所示.

圖3 自建獨(dú)立坐標(biāo)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of self-built independent coordinate system

2.2 距離后方交會(huì)算法

水下超聲陣列測(cè)量中，各傳感器測(cè)量中心與管段結(jié)構(gòu)的空間相對(duì)位置保持不變.本文采用3組陣列的形式，每組包括1發(fā)4收共5個(gè)傳感器.測(cè)量過程中，通過水下超聲射線測(cè)量得到發(fā)射傳感器與同組接收傳感器之間的空間距離.根據(jù)上述射線長(zhǎng)度計(jì)算出對(duì)應(yīng)發(fā)射傳感器中心在O2-XYH坐標(biāo)系下坐標(biāo)值的算法如下.

前期標(biāo)定得到了接收傳感器陣列中心在O1-XYH坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，首先將其轉(zhuǎn)換至O2-XYH坐標(biāo)系下.O1-XYH和O2-XYH均為笛卡爾坐標(biāo)系，對(duì)O1-XYH坐標(biāo)系進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等空間變換，最終達(dá)到已沉放管段模型在兩坐標(biāo)系中重合，并得到變換過程矩陣積T1，將標(biāo)定坐標(biāo)乘以T1即得到其在O2-XYH坐標(biāo)系中的坐標(biāo).

如圖4所示，A、B、C代表接收傳感器中心，標(biāo)定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至O2-XYH坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)分別為 (XA，YA，ZA) 、(XB，YB，ZB) 和 (XZ，YZ，ZZ).H代表發(fā)射傳感器中心，坐標(biāo)待求.通過水下超聲測(cè)量求得收發(fā)傳感器之間的空間距離分別為L(zhǎng)A、LB、LC.垂直于DABC并指向 H節(jié)點(diǎn)的向量為PP'=ai+bj+ck.為了計(jì)算方便，對(duì)模型進(jìn)行空間平移和旋轉(zhuǎn)變換，結(jié)果如圖5所示，A與原點(diǎn)重合，B位于 X軸上，且DABC與 XOY平面重合.同時(shí)添加輔助線HK⊥AB、MK⊥AB、MC//AB且HH'⊥KM.此時(shí)，H'的平面坐標(biāo)即為 H的平面坐標(biāo)，HH'的長(zhǎng)度即為H的Z軸坐標(biāo)值.

經(jīng)過變換后，A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0，0，0)、(XB，0，0)、(Xc，Yc，0)，根據(jù) H 點(diǎn)與3個(gè)已知點(diǎn)之間的空間距離求解其坐標(biāo)如下：計(jì)算并得出 H點(diǎn)坐標(biāo)后，對(duì)其進(jìn)行反變換，變換順序與正變換流程相反，變換參量值與正變換絕對(duì)值相等，符號(hào)取反.以此類推，對(duì)其他發(fā)射點(diǎn)中心進(jìn)行處理，最終得到3個(gè)點(diǎn)在O2-XYH坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值.

圖4 節(jié)點(diǎn)空間位置原型圖Fig.4 Archetype diagram of node space position

圖5 節(jié)點(diǎn)變換后空間位置圖Fig.5 Space position diagram of node transformation

2.3 控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

在兩節(jié)管段對(duì)接面的轉(zhuǎn)角位置附近鏡像對(duì)稱各設(shè)置了4個(gè)控制點(diǎn)，如圖6所示，最終對(duì)接完成后，對(duì)稱的控制點(diǎn)應(yīng)滿足一定的相對(duì)空間坐標(biāo)關(guān)系.管段制作完成后，控制點(diǎn)與超聲陣列測(cè)量中心同時(shí)在干塢內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，得到O1-XYH坐標(biāo)系下坐標(biāo).

圖6 對(duì)接控制點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of jointing points layout

2.2節(jié)中計(jì)算得出了待對(duì)接管段上3個(gè)發(fā)射傳感器中心的坐標(biāo).由于同一管段上控制點(diǎn)與傳感器中心在對(duì)接過程中相對(duì)空間位置保持不變，據(jù)此可以計(jì)算得出兩節(jié)管段上8個(gè)控制點(diǎn)在O2-XYH下的坐標(biāo).計(jì)算步驟如下：

1）已沉放管段上4個(gè)控制點(diǎn)在O2-XYH中坐標(biāo)值計(jì)算：將前期標(biāo)定得到的控制點(diǎn)在O1-XYH中的坐標(biāo)值乘以2.2節(jié)中的轉(zhuǎn)換矩陣T1.

2）待對(duì)接管段上4個(gè)控制點(diǎn)從O1-XYH至O2-XYH坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算：由3個(gè)發(fā)射傳感器中心組成的三角形在O1-XYH和O2-XYH兩個(gè)坐標(biāo)系中分別表示為DABC和DA'B'C'，平面法線向量分別為PP'和 KK'.經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)變換，DABC與DA'B'C'完全重合，且 PP'=KK'，該過程的齊次變換矩陣積為T2.

3）待對(duì)接管段上4個(gè)控制點(diǎn)在O2-XYH中坐標(biāo)值計(jì)算：由于待對(duì)接管段上發(fā)射傳感器中心與控制點(diǎn)的空間相對(duì)位置保持不變，因此上一步中的齊次變換矩陣T2即是兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，設(shè)控制點(diǎn)在O1-XYH中的齊次坐標(biāo)為(x，y，z，1)，則在O2-XYH中的齊次坐標(biāo)如下：

至此，得到了O2-XYH坐標(biāo)系中8個(gè)控制點(diǎn)在沉放對(duì)接測(cè)量過程中的空間坐標(biāo)值.文中采用了全站儀和超聲陣列測(cè)量結(jié)果對(duì)比的方法，分別比較2種測(cè)量方法得到的三軸坐標(biāo)值，通過坐標(biāo)差值的分析，對(duì)超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)的性能和指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià).

3 工程實(shí)例

佛山市汾江路南延線工程沉管隧道段全長(zhǎng)為445 m，共分 4節(jié)管段，編號(hào)分別為 E1、E2、E3和E4，管節(jié)長(zhǎng)度分別為115 m、115 m、105 m和110 m.管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)斷面寬39.9 m，高9.0 m．E4管節(jié)分2段，分別為E4-1和E4-2，E3與E4-1在岸上進(jìn)行拉合，記作E3&E4-1（下同）.管段安裝順序?yàn)镋1→E2→E4-2→E3&E4-1，最 終 水 下 接 頭 位 于 E4-2、E3&E4-1之間.

沉放過程采用全站儀測(cè)量和潛水探摸相結(jié)合的方式，2個(gè)測(cè)量塔頂端各安裝一個(gè)棱鏡，在管內(nèi)安裝有高精度傾斜儀，通過棱鏡中心坐標(biāo)結(jié)合橫、縱傾角度得到整個(gè)管段的位置和姿態(tài).同時(shí)，結(jié)合該工程進(jìn)行了超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較和分析，得出其可靠性和精度指標(biāo).文中以E2、E3&E4-1管段間試驗(yàn)為例進(jìn)行分析.按照預(yù)定方案進(jìn)行了測(cè)量部件的安裝、調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并得到了測(cè)量結(jié)果，沉放前后各管段狀態(tài)如圖7所示.

圖7 E3&E4-1對(duì)接前后的管段狀態(tài)示意圖（a）E3&E4-1沉放前各管段狀態(tài)，（b）E3&E4-1對(duì)接安裝后各管段狀態(tài)Fig.7 Diagrammatic sketch of states of tube tunnels before and after E3&E4-1 section docking（a）E3&E4-1 section state before immersion；（b）E3&E4-1 section state after immersion

為了方便與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，分別將2種測(cè)量結(jié)果全部轉(zhuǎn)化到佛山城建坐標(biāo)系下，并根據(jù)測(cè)量坐標(biāo)和管段的幾何尺寸信息建立了沉放過程的三維可視化模型，如圖8所示.

圖9 為沉放過程待對(duì)接管段E3&E4-1上4個(gè)控制點(diǎn)上2種測(cè)量結(jié)果（超聲陣列和全站儀2種方式）的三軸坐標(biāo)差.由圖9可知，超聲陣列測(cè)量結(jié)果與全站儀測(cè)量結(jié)果非常接近，且隨著距離的靠近，精度越來(lái)越高.但是受到水流變化、泥沙、懸浮物等不確定因素的影響，精度呈現(xiàn)區(qū)域不規(guī)律波動(dòng)的特征.如圖10所示，當(dāng)距離縮小到2 m以內(nèi)時(shí)，波動(dòng)范圍基本在一個(gè)區(qū)間內(nèi)變化（＜45 mm），具體見表1.

圖8 E2-E3&E4-1對(duì)接的超聲陣列測(cè)量結(jié)果三維模型圖（a）12：06：11時(shí)刻E2-E3&E4-1空間姿態(tài)，（b）13：00：37時(shí)刻E2-E3&E4-1空間姿態(tài)，（c）14：02：14時(shí)刻對(duì)接完成后E2-E3&E4-1空間姿態(tài)Fig.8 Three-dimensional model of ultrasonic array measurements'result of E2-E3&E4-1 docking（a）E2-E3&E4-1 pace attitude s at 12：06：11；（b）E2-E3&E4-1 space attitude at 13：00：37；（c）E2-E3&E4-1 space attitude at 14：02：14

圖9 超聲陣列系統(tǒng)與全站儀測(cè)量結(jié)果的三軸坐標(biāo)差值圖（12.0 m ～1.2 m）（a）X坐標(biāo)差值圖，（b）Y坐標(biāo)差值圖，（c）Z坐標(biāo)差值圖Fig.9 Three-axis errors diagrams between ultrasonic array and total-station measurement（12.0 m-1.2 m）（a）X-axis errors；（b）Y-axis errors；（c）Z-axis errors

圖10 超聲陣列系統(tǒng)與全站儀測(cè)量結(jié)果的三軸坐標(biāo)差值圖（2.0 m ～1.2 m）（a）X坐標(biāo)差值圖，（b）Y坐標(biāo)差值圖，（c）Z坐標(biāo)差值圖Fig.10 Three-axis errors diagrams between ultrasonic array and total-station measurement（2.0 m-1.2 m）（a）X-axis errors；（b）Y-axis errors；（c）Z-axis errors

表1 測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of measurement results

4 結(jié) 語(yǔ)

在分析沉管隧道工藝和超聲陣列測(cè)量系統(tǒng)組成、原理的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲陣列測(cè)量方法的數(shù)學(xué)過程進(jìn)行了深入分析和闡述，包括三點(diǎn)距離后方交會(huì)算法及其它相關(guān)算法.結(jié)合佛山汾江路南延線沉管隧道工程進(jìn)行了工程試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）超聲陣列測(cè)量方法利用水下超聲波測(cè)距精度高的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合沉管隧道水下對(duì)接時(shí)空間距離短、管段頂部易于預(yù)埋超聲測(cè)量件的優(yōu)勢(shì)，采用空間解析幾何算法換算出統(tǒng)一坐標(biāo)系下所有控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，以達(dá)到判斷管段空間相對(duì)位置的目的.

2）采用幾何解析的方法給出了詳細(xì)求解過程，該測(cè)量系統(tǒng)涉及到復(fù)雜的坐標(biāo)、坐標(biāo)系和圖形變換，給出了變換過程.

3）結(jié)合佛山汾江路南延線沉管隧道工程進(jìn)行了超聲陣列測(cè)量試驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與高精度全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，在兩管段相距2 m以內(nèi)時(shí)，水下超聲陣列方法在三軸方向上的坐標(biāo)差最大為45 mm.結(jié)果表明文中采用的算法過程是可行的.

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本文編輯：苗 變

Ultrasonic Array Measurement and Key Algorithm in Monitoring of Immersing and Docking of Immersed Tube Tunnel

ZHAO Penghui1，CHAI Xiuwei2*，HU Yongqian1，SUN Bin3，YAN Yaofeng2
1.Foshan New Town Construction Development Co.，LTD，F(xiàn)oshan 528000，China；2.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；3.Shanghai Heike Engineering Consulting Co.，LTD，Shanghai 200231，China

The high precision immersion and docking is the key part in immersed tube tunnel construction，which requires better environmental adaptation and high accuracy to the measurement system.Now，the high-precision total station and rigid measurement tower are commonly used in actual engineering.Moreover，the sonar method is also proposed in foreign country，which has good adaption to the surrounding and its precision does not decline with the tunnel length increasing.Through innovation and improvement based on the underwater sonar methods，the ultrasonic array measurement system was proposed by the three points resection method and was used to measure and monitor the immersed tube tunnel immersing and docking process of Foshan Fenjiang road extending to the south.Compared with the high-precision total station，the method can meet the needs of engineering，and the 3-axis measurement precision can be controlled between+45 mm and-45 mm when the distance between two tubes is 2 m.

immersed tunnel；ultrasonic array measurement system；immersing and docking；algorithm

TU354

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.009

2017-03-30

趙朋輝，碩士，高級(jí)工程師.E-mail：1030064866@qq.com

*通訊作者：柴修偉，博士，副教授.E-mail：342650018@qq.com

趙朋輝，柴修偉，胡勇前，等.沉管隧道沉放對(duì)接監(jiān)控中的超聲陣列測(cè)量及其關(guān)鍵算法［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（4）：359-365.

ZHAO P H，CHAI X W，HU Y Q，et al.Ultrasonic array measurement and key algorithm in monitoring of immersing and docking of immersed tube tunnel［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（4）：359-365.

1674-2869（2017）04-0359-07