多波束測深系統(tǒng)在沉管隧道基槽回淤監(jiān)測及邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

陶振杰，朱永帥，成益品，鎖旭宏

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

深圳至中山跨江通道工程（以下簡稱“深中通道工程”）采用東隧西橋方案，項目路線起于深圳機場南，于中山馬鞍島橫門互通。受長期采砂活動影響，深中通道工程西人工島至礬石水道區(qū)域原始地貌已被改變，形成了一個巨型的采砂坑，該采砂坑水深普遍在-10 m以下（1985國家高程基準，下文高程基準均采用85高程），砂坑底部存在較厚流動性回淤物，其物理力學(xué)性能指標差，對基槽成槽可能造成嚴重影響。為此使用高質(zhì)量的多波束測深系統(tǒng)對隧道基槽區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，同時使用多種分析方法對該項目隧道基槽數(shù)據(jù)進行合理分析，為今后的設(shè)計和施工提供合理參考數(shù)據(jù)。

1 多波束測深系統(tǒng)組成

多波束測深系統(tǒng)是由多傳感器組成[1-3]。本工程所使用的多波束測深系統(tǒng)為挪威kongsberg公司生產(chǎn)的EM2040測深系統(tǒng)，基本的EM2040由4部分組成：甲板處理單元、發(fā)射換能器、接收換能器和工作站，還包括姿態(tài)傳感器、定位系統(tǒng)和聲速剖面儀，可以選擇輸入換能器表面的聲速數(shù)據(jù)。具體組成如下：Kongsberg EM2040 1°×1°單條帶多波束測深儀、POSMV Oceanmaster慣導(dǎo)系統(tǒng)、AML BASE X2聲速剖面儀、AML Micro-X表面聲速儀、UPS不間斷電源及采集電腦、數(shù)據(jù)采集qinsy和控制軟件SIS及數(shù)據(jù)后處理軟件Qimera、Trimble R9S一套。

2 多波束測深系統(tǒng)質(zhì)量

EM2040多波束測深儀是全球第一套把深水多波束優(yōu)點應(yīng)用到淺水多波束的系統(tǒng)，最大ping率為50 Hz，滿足IHO-S44 special測量標準。

EM2040多波束測深儀的主要特征如下：每個ping雙條帶，加倍了測量速度、FM chirp技術(shù)測深范圍更大、波束具備roll、pitch、yaw穩(wěn)定、發(fā)射和接收都具備近場聚焦功能、EM2040的工作頻率為200～400 kHz，有3種標準的工作模式。通常是300 kHz模式，優(yōu)化并兼顧了測深能力和分辨率。在這種模式下，使用的帶寬超過75 kHz。每個發(fā)射扇面被分成3個扇區(qū)，發(fā)射頻率各不相同，在雙條帶模式下，頻率可達6個。最小脈沖長度大約35μs。斜距分辨率為3 cm，再加上運用成熟的Kongsberg海底檢測算法，深度分辨率可達厘米級。

2.1 多波束測深系統(tǒng)校準及校正比對

2.1.1 系統(tǒng)的校準

系統(tǒng)的校準（或稱標定）是多波束測量作業(yè)的最關(guān)鍵環(huán)節(jié),它直接影響最終的測量成果。因此系統(tǒng)的校準必須嚴格按廠方技術(shù)人員的要求進行。其中包括：各傳感器之間的相對位置關(guān)系標定；姿態(tài)校正，包括定位時延、roll（橫搖）、pitch（縱搖）、heading（艏向）4種姿態(tài)的校準。

1）各傳感器之間的相對位置關(guān)系標定

一般情況下，以水面為零點，使用全站儀測量出各傳感器之間的相對位置坐標，標定參數(shù)主要有：TX（發(fā)射換能器）中心距零點的相對位置、RX（接收換能器）中心距零點的相對位置、IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)）中心距零點的位置、定位天線相位中心距零點的相對位置。

根據(jù)JT/T 790—2010《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》[4]中6.2.6章節(jié)規(guī)定：系統(tǒng)各配套設(shè)備的傳感器位置與測量船坐標系原點的偏移量應(yīng)精確測量：讀數(shù)至1 cm，往返各測1次，水平方向往返測量互差應(yīng)小于5 cm，豎直方向往返測量互差應(yīng)小于2 cm，在限差范圍內(nèi)取其平均值作為測量結(jié)果。

2）姿態(tài)校正

由于本工程主要測深區(qū)域位于淺水區(qū)域且使用RTK定位無驗潮模式，因此這里主要對橫搖、縱搖、艏向3種姿態(tài)進行校準。

橫搖：在平坦區(qū)域，同一測線，做同速反向測量。

縱搖：斜坡或突出的目標上，同一測線，做同速反向測量。

艏向：斜坡或突出的目標上，2條平行測線，做同速同向測量，測線之間有1/3～1/2個條帶的覆蓋。

根據(jù)《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》[4]中6.2章節(jié)規(guī)定：橫搖應(yīng)取3組或以上數(shù)據(jù)計算校準值，中誤差應(yīng)小于0.05°，縱搖應(yīng)取3組或以上數(shù)據(jù)計算校準值，中誤差應(yīng)小于0.3°，艏向應(yīng)取3組或以上數(shù)據(jù)計算校準值，中誤差應(yīng)小于0.1°。

2.1.2 系統(tǒng)校正比對

根據(jù)《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》[4]中規(guī)定在系統(tǒng)校準后多波束測深系統(tǒng)在測深作業(yè)前需進行綜合測深誤差的測定，其中綜合測深誤差的測定大體分為內(nèi)符合測試和外符合測試兩種。

1）內(nèi)符合

內(nèi)符合通俗來講就是多波束測深系統(tǒng)的一個自檢符合，通過這個檢核可以測試出系統(tǒng)自身在各傳感器之間的相對位置關(guān)系標定、姿態(tài)校正、七參數(shù)鍵入等方面是否存在問題。具體操作方法為：選擇一塊水深大于施工測區(qū)內(nèi)最大水深的平坦水域，同一區(qū)域按正交方向測量2次，比對2次測量重疊部分水深數(shù)據(jù)，不符合極限誤差的數(shù)據(jù)不能超過參與比對總數(shù)據(jù)的15%。水深≤30 m的水域，精度應(yīng)滿足表1中特等測量要求，水深＞30 m的水域，精度應(yīng)滿足表1中一等至三等測量要求。

表1 多波束測深精度要求Table 1 Multi-beam sounding accuracy requirements

EM2040多波束測深系統(tǒng)通過內(nèi)符合自檢數(shù)據(jù)精度，測試地點選擇在伶仃至隧址段航道中段東側(cè)區(qū)域，跑正交線進行內(nèi)符合測試，查看數(shù)據(jù)銜接情況，刪除假水?dāng)?shù)據(jù)，使用Hypack軟件把2次按正交方向掃測的數(shù)據(jù)進行tin建模，差值生成色塊圖進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2 差值分析表Table 2 Difference analysis table

2）外符合

外符合是多波束測深系統(tǒng)的一個外部檢核，通過這個檢核可以測試出系統(tǒng)的相對誤差。具體操作方法為：選擇一塊水深大于施工測區(qū)內(nèi)最大水深的平坦水域，采用單波束測深儀（測深精度已校準且優(yōu)于規(guī)定精度）對系統(tǒng)進行水深精度比對，比對不符合極限誤差的數(shù)據(jù)不能超過參與比對總數(shù)據(jù)的15%。

EM2040測深系統(tǒng)由于現(xiàn)場未找到符合規(guī)范要求的單波束測深儀，但現(xiàn)場有另一臺經(jīng)過校正比對且測深精度優(yōu)于規(guī)定精度的EM2040測深系統(tǒng)，具體操作如下：使用2套多波束測深系統(tǒng)對同一平坦區(qū)域和同一斜坡區(qū)域進行水深測量，其中檢測多波束系統(tǒng)在后處理中取其中央波束同被檢測多波束系統(tǒng)掃測數(shù)據(jù)進行比對，使用Hypack2011軟件把2次掃測的數(shù)據(jù)進行tin建模，并將差值生成色塊圖進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

2.2 多波束測深系統(tǒng)影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的主要因素

多波束測深系統(tǒng)影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的因素有很多，從儀器的安裝到系統(tǒng)的校準，再到數(shù)據(jù)采集，最后的數(shù)據(jù)處理。

實際操作中，需要注意的最主要的因素還是儀器的安裝，尤其本工程多波束測深系統(tǒng)屬于船底式安裝方式，每一次安裝和拆卸都需要上塢進行作業(yè)，費時費力費錢。而其他的因素：系統(tǒng)的校對、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等過程進行系統(tǒng)誤差改正相對簡單。系統(tǒng)安裝的好壞直接影響后續(xù)工作的進行，如：安裝位置最好在船體的1/3處，因為此處的噪音和產(chǎn)生的氣泡對儀器的影響最少；系統(tǒng)各設(shè)備之間的相對位置關(guān)系標定應(yīng)準確測量，其標定精度直接影響多波束測深精度，因為后續(xù)的軟件參數(shù)鍵入均以其標定數(shù)據(jù)為依據(jù)。

3 基槽回淤監(jiān)測方法

3.1 回淤量計算法

將處理好的多波束掃測數(shù)據(jù)生成.xyz格式，導(dǎo)入到Cass中生成相應(yīng)的水深圖，使用Cass或者FastTFT軟件分別計算出基槽各區(qū)域每期測量剩余工程量。前后二次數(shù)據(jù)比較可得此間基槽槽內(nèi)沉積物淤積厚度，通過長期監(jiān)測，可以得到各個時間段沉積物回淤厚度及回淤強度。

3.2 色塊圖比對法

色塊圖比對法相對于回淤量計算法來說，可以直觀地分析出不同區(qū)域部位的回淤厚度，進行專項的分析處理。首先將前后2次的測量數(shù)據(jù)生成.xyz，導(dǎo)入到國際通用的海洋Hypack軟件進行tin建模，對tin最大邊長及生成的tin×tin的邊長進行編輯，將兩期數(shù)據(jù)相同的部位進行差值計算；為了更直觀、方便地分析判斷，同時對不同的差值范圍進行顏色定義，最終輸出DXF格式的差值色塊圖。

4 基槽邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 斷面圖分析法

多波束測量屬于全覆蓋海量數(shù)據(jù)測量，建立DTM模型比較符合實際地形[5-9]，前后斷面可比性較好。利用多次多波束跟蹤測量的數(shù)據(jù)，對各期的數(shù)據(jù)斷面線進行比較，以分析與判斷邊坡的穩(wěn)定性。

采用國際通用的海洋測量Hypack軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，將各期掃測數(shù)據(jù)進行tin建模，做出監(jiān)測區(qū)域每期數(shù)據(jù)斷面，將斷面疊加比較分析，可以有效地判斷分析出邊坡的變化情況。

其中2020年7月3日為首期驗收的邊坡數(shù)據(jù)，2020年8月19日為監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過疊加橫切斷面圖可以判斷出邊坡的穩(wěn)定性，邊坡上總體穩(wěn)定，均未出現(xiàn)明顯滑坡、變形現(xiàn)象，斷面呈臺階狀仍然明顯。

4.2 三維圖比對法

多波束測量屬于全覆蓋海量數(shù)據(jù)測量，利用Qimera軟件將采集的.db原始數(shù)據(jù)文件生成海底地形三維圖，通過不同時間段生成的三維圖像進行對比，可掌握基槽開挖后整體隨時間變化情況，可以大體判斷出邊坡的變化情況。

5 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)在沉管安裝基槽回淤監(jiān)測及邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用對沉管沉放安全對接起著至關(guān)重要的作用。在實際應(yīng)用中，港珠澳大橋島隧工程沉管隧道E15安裝期間，EM2040多波束測深系統(tǒng)通過三維圖對比法及時發(fā)現(xiàn)基槽邊坡滑坡、槽底出現(xiàn)大面積回淤等狀況，回淤量計算法、色塊圖對比法等分析方法為安裝決策提供重要的數(shù)據(jù)支持，對保障港珠澳大橋深水沉管隧道精確對接發(fā)揮了關(guān)鍵作用。