基于多波束測深系統(tǒng)的隧道沉管覆土及沉降變化研究

胡玗晗

摘? 要：該文基于RESON多波束測深系統(tǒng)對上海市某隧道沉管外部覆土厚度及沉降變化進(jìn)行監(jiān)測，利用多波束測深技術(shù)精度高、全覆蓋、高密度的特性，經(jīng)聲速改正、潮位改正、姿態(tài)矯正獲取密度0.5m的隧道河床坐標(biāo)及高程點(diǎn)云數(shù)據(jù);基于高精度曲面模型（HASM）構(gòu)建隧道覆土三維顯示模型，真實(shí)反映隧道河床地貌，推算隧道各沉管覆土厚度及沉降變化，并與往期數(shù)據(jù)對比反映階段性變化。該文技術(shù)成果為水下工程覆土及沉降監(jiān)測提供一種新的方法和測量手段，提高作業(yè)效率，并具有較高精度。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng)? 水下沉降監(jiān)測? 覆土檢測? 水深測量

中圖分類號(hào)：U456.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（c）-0001-03

多波束測深河床成像技術(shù)是一種基于換能器陣列發(fā)射扇形聲波，再接收換能器陣列接收聲波的窄波束信號(hào)的水下探測方法，通過發(fā)射、接收聲波的正交性，探測扇形聲波所能達(dá)到河床被測點(diǎn)水深值[1]，結(jié)合精密定位技術(shù)，從而能夠精確、快速地測出河床地形、坐標(biāo)、高程變化，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可提供較為精確的河床地形三維特征。近年來，多波束測深在水下工程的探測中的應(yīng)用廣泛，也日趨成熟，且多應(yīng)用于水下環(huán)境地貌識(shí)別，而在水下工程覆土及沉降變化方面的應(yīng)用較少。

多波束測深系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在較多誤差來源，包括系統(tǒng)固有誤差：艏向傳感器、姿態(tài)傳感器、定位系統(tǒng)誤差、聲速傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器以及外部環(huán)境誤差影響：潮汐改正、噪聲影響、水體氣泡影響、水質(zhì)環(huán)境等[2]。由于多波束測深誤差因素較多，導(dǎo)致該技術(shù)在水下海洋工程中的監(jiān)測精度不夠，應(yīng)用較少;但在外部環(huán)境穩(wěn)定的城市內(nèi)河水下工程監(jiān)測應(yīng)用中，基于CORS定位技術(shù)以及高精度傳感器具有適用性。

1? 多波束測深數(shù)據(jù)

1.1 數(shù)據(jù)采集

多波束測深數(shù)據(jù)采集位于隧道正上方位置，利用RESON 7125多波束測深儀測量隧道上方河床，設(shè)置10條航帶，覆蓋整個(gè)航道上下游區(qū)域;數(shù)據(jù)采集密度0.5m。多波束聲納陣列發(fā)射扇形波束，并接收記錄每條波束的回波信號(hào)，利用濾波減少二次回波及雜波的影響，獲得測深點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

多波束測深數(shù)據(jù)經(jīng)吃水改正、潮汐改正等處理后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)點(diǎn)云，數(shù)據(jù)類型分為Excel點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)及DWG數(shù)據(jù)類型，多波束測深數(shù)據(jù)經(jīng)抽稀后獲得隧道河床點(diǎn)云，數(shù)據(jù)包含點(diǎn)云坐標(biāo)及高程信息，紅色線為隧道上下游20m處及中心線。

2? 處理方法與結(jié)果

2.1 水下數(shù)字地形模型

水下數(shù)字地形模型（DTM）構(gòu)建受海水因素影響，在較短時(shí)間條件下，具有一定程度的變化;但其建模方法與陸地地形構(gòu)建方式大致相同，基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）擬合采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字地形模型（DTM）。常用的DTM構(gòu)建方法如不規(guī)則三角網(wǎng)法（TIN）、規(guī)則格網(wǎng)法、等高線法等[3]，多波束數(shù)據(jù)集特點(diǎn)表現(xiàn)為點(diǎn)云密度大，采集間距小，分辨率高。為發(fā)揮多波束數(shù)據(jù)特點(diǎn)，該文采用規(guī)則格網(wǎng)法（GRD）和不規(guī)則三角網(wǎng)法構(gòu)建隧道河床數(shù)字高程模型。基于離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插擬合，構(gòu)建出數(shù)字地形模型（DTM），其中內(nèi)插離散高程點(diǎn)算法主要有克里金法（Kriging）、距離反比權(quán)重法（Invers Distance Weighted， DW）、多項(xiàng)式法等。

2.1.1 規(guī)則格網(wǎng)法（GRD）

規(guī)則格網(wǎng)法是一種劃分單元網(wǎng)格建立高程矩陣，每個(gè)格網(wǎng)對應(yīng)一個(gè)高程信息，通過插值方法計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的高程;經(jīng)擬合后構(gòu)建出連續(xù)的高低起伏的數(shù)字地形模型的方法[4]。格網(wǎng)DEM處理簡單，方法易理解;但具有冗余量大，不適用與地形起伏復(fù)雜較大區(qū)域，地形結(jié)構(gòu)及細(xì)部表達(dá)不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。為提高格網(wǎng)構(gòu)建精度，岳天祥提出基于規(guī)則格網(wǎng)的高精度曲面建模（HASM）將采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值而得到f的近似值，獲得最佳迭代方程及結(jié)果，Kriging和IDW誤差階較小，且HASM收斂速度大于經(jīng)典曲面模型[5]。該文基于格網(wǎng)法的高精度曲面建模，通過Matlab構(gòu)建隧道河床精細(xì)三維地形模型。對于曲面，x和y方向上的步長分別為，;高精度曲面模型最佳迭代模擬方程為：

2.1.2 不規(guī)則三角網(wǎng)法（TIN）

不規(guī)則三角網(wǎng)將高程離散點(diǎn)連接成連續(xù)的不規(guī)則的三角形，由離散點(diǎn)位置三角形的形狀、大小等分布特點(diǎn)，再將高程離散點(diǎn)擬合成連續(xù)變化的數(shù)字地形模型。常見的不規(guī)則三角網(wǎng)法包括Bowyer法、狄洛尼（Delaunay）法等。

Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建連續(xù)相鄰的不同大小、面積的三角形，每個(gè)三角形的外接圓均不包含離散高程集點(diǎn)中的其他任意點(diǎn)保證連續(xù)高程信息的表達(dá)，且高程信息受三角形頂點(diǎn)離散高程的控制。Delaunay三角網(wǎng)適用于不同類別地形，拓?fù)潢P(guān)系簡單，冗余小比較適合大規(guī)模海底地形建模[6]。

2.2 成果分析

2.2.1 三維地形成果

對多波束測深原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的隧道河床高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基于規(guī)則格網(wǎng)的高精度曲面建模，點(diǎn)云數(shù)據(jù)275618個(gè)，建立長、寬150m×450m的帶狀河床地形，獲得高精度高分辨率的三維河床數(shù)字地形模型及二維等高線。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，河床整體成半U(xiǎn)型，從左至右呈遞增趨勢，河床最深處平均高程-14m;但在Y坐標(biāo)3250處出現(xiàn)河床陡坎，高程由-8m驟增至-2m。隧道完工時(shí)期2012年河床地形及等高線，河床地形呈連續(xù)遞增趨勢，河床深處平均高程-14m。經(jīng)對比，可看出此次多波束測深成果反映近幾年河床變化，Y坐標(biāo)在3150～3250間，河床地形高程變化較大，表面隧道覆土量變化較大。

2.2.2 覆土量對比分析

根據(jù)隧道河床三維地形比較2012年6月、8月以及此次多波束測深成果相對于隧道沉管頂部高程的隧道河床覆土量變化。

隧道河床覆土量變化對比采用將隧道河床劃分中心線上游20m處、隧道中心線處以及隧道中心線下游20m處三段實(shí)現(xiàn)隧道覆土變化比較。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在2012—2019年期間，隧道中心線上游20m處覆土量在E1、E2沉管段保持不變，但E3～E6沉管段具有較大差別，且E4沉管段覆土量有明顯減少。隧道中心線及下游20m處隧道河床覆土量均表現(xiàn)為E4沉管段覆土量大幅減少，E5沉管段覆土量增加;其他沉管段覆土量變化較小，如表1所示。

依據(jù)基于高精度曲面建模（HASM）結(jié)果，由于隧道沉管上方河床地形并不均勻，取各沉管覆土高程平均變化量作為分析因子，進(jìn)行對比如表2所示，分析可得沉管E1～E3變化較小，E4～E6變化量較大，其中E5～E6呈遞增趨勢，E4覆土厚度減少較多，達(dá)-3.25m。

2.2.3 各沉管沉降變化分析

經(jīng)水準(zhǔn)采集隧道實(shí)際高程數(shù)據(jù)，與隧道沉管覆土平均變化進(jìn)行對比，得到覆土變化與隧道沉管沉降變化關(guān)系。沉管沉降變化與沉管上方覆土變化具有較為明顯相關(guān)性，由E4、E5、E6沉管月變化量較大，覆土厚度減少，沉管呈上浮趨勢;反之，淤積引起覆土厚度變大造成沉管下沉。通過分析覆土月變化與沉降變化之間的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.80455，反映出沉降變化與沉管覆土變化呈負(fù)相關(guān)性（見表3）。

3? 結(jié)語

多波束測深技術(shù)在近年來越來越多的應(yīng)用于海洋工程勘察、水下物體探查、水下地形測量等多種方面，具有高效率、高分辨率等特點(diǎn)，但由于水下環(huán)境及水上氣候、水文條件等條件限制，導(dǎo)致多波束測深系統(tǒng)在水下點(diǎn)云精度要求較高的應(yīng)用中受限。該文利用多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用于隧道河床覆土厚度監(jiān)測及隧道沉管沉降變化分析，為多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用于內(nèi)河水下工程監(jiān)測與檢測提供新的思路。此外，該研究表明隧道覆土厚度變化可以準(zhǔn)確反映出隧道沉管沉降變化量，對隧道沉降監(jiān)測提供良好的預(yù)警方法。

由于隧道沉降變化不僅受覆土厚度變化影響，還收到地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土質(zhì)、水壓、水體浮力等多種環(huán)境的影響，后續(xù)將探索研究將引入以上影響因子構(gòu)建基于多波束測深系統(tǒng)的隧道沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測模型的可行性。

參考文獻(xiàn)

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