碎石鋪設整平精度的測控系統研究

李有志，王富敬，李家林

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋是由隧、島、橋組成的跨海交通集群工程，是中國交通建設史上技術最復雜、環保要求最高、建設要求及標準最高的工程之一，其中主體結構——海底沉管隧道長6 700 m，為目前世界上最長的沉管隧道，因此保證沉管隧道碎石基床鋪設整平精度尤為重要。本文基于沉管隧道基礎不同坡度變化和水深的設計要求，研制整平機構水下拋石整平足尺模型試驗裝置并進行試驗研究，為整平機構的設計制造和安裝調試提供依據[1-9]。

1 整平機構模型試驗裝置

1.1 拋石整平機構足尺模型試驗裝置

拋石整平機構足尺模型試驗裝置包括：1）H=8 m，內徑φ1 484 mm拋石管及料斗裝置；2）行程約27 m的臺車及行走裝置；3）行走臺車牽引裝置，工作速度1 m/min。

1.2 臺車行走軌道

為能模擬整平機結構變形和拋石管傾斜造成的高程變化時，通過GPS實時檢測變化量，對拋石管頭部刮刀能實時調整，將臺車行走軌道預制成沿軌道縱向高度漸變的形狀，如圖1，使整平臺車行走成為特定軌跡。

圖1 臺車行走軌道高度漸變線形圖Fig.1 Linear diagram of height gradient of trolley walking track

2 整平機構模型試驗內容及方法

碎石基床整平模型試驗工作分為5個階段。

2.1 碎石基床整平測控系統前3階段模型試驗

碎石基床整平測控系統前3階段模型試驗共進行了4次試驗。第1次試驗是在無水狀態下進行的碎石基床整平試驗；第2次試驗是在有水狀態下進行的碎石基床整平試驗；第3次檢測試驗是在第2次（有水狀態下）整平試驗的碎石基床上，進行了二次回聲測深儀試驗；第4次試驗是在有水狀態下進行的碎石基床整平試驗。此次試驗采用了浮動短基線方法（雙天線GPS）的測量系統。整平機構模型試驗前3階段成果分析如下：

1）通過多次碎石基床整平模型試驗共采集記錄約十幾萬試驗數據。試驗結果表明，研制的碎石基床整平模型試驗的結構與測控裝置能夠滿足研究試驗工作大綱要求。測控系統軟件采用三維空間坐標編制，能夠適應不同高度差的軌道和傾斜面的整平。實測數據表明，該測控系統具有較高的測控精度。

2）以第4次試驗為例對整平機構模型試驗階段成果分析。試驗利用專門的雙天線GPS接收機，采用浮動短基線技術，能夠達到消除長基線解算的誤差，并可以做到數據平穩，提高精度的目的。自動記錄刮刀底面高程數據，計算中誤差可達6.5 mm。如圖2所示。

圖2 刮刀底面高程正態分布直方圖Fig.2 Histogram of normal distribution of scraper bottom elevation

2.2 整平機構模型試驗裝置第4階段試驗

第4階段碎石基床整平模型試驗主要研究對回聲測深儀進行不同粒徑的材料基底做回聲測深檢測試驗。

通過對多種不同材料的回聲測深檢測試驗及回聲測深儀試驗與實測數據比對證明，回聲測深檢測結果與試驗材料、水介質渾濁度、密度和聲速及信號門檻有密切關系，如圖3。

圖3 測深試驗數據曲線Fig.3 Curve chart of sounding test data

1）碎石墊層回聲測深檢測試驗較好地反映了儀器的特性，試驗結果對制定整平施工工藝具有重要參考價值和指導意義。

2）采用回聲測深儀檢測碎石基床整平精度，與試驗材料、水介質渾溫度密度和聲速及信號門檻等多種因素關系密切，試驗揭示了一些規律性的現象，并得到了初步定量關系。

采用回聲測深儀，進行多種不同粒徑的碎石和中粗砂回聲測深試驗；試驗過程通過調整測深儀聲速頻率及信號門檻的儀測數據與實測數據比對取得最佳檢測依據，供制定整平施工工藝參考。

2.3 整平機構模型試驗裝置第5階段試驗

基于前期試驗成果，第5階段碎石基床整平模型試驗主要采用“GPS快速靜態+全站儀聯合測量高差方法”，測定拋石管頂部高程的精度及誤差規律，研究整平船作業時采用此種測量高差方法的可行性。試驗儀器設備為3臺天寶（Trimble）SPS751雙頻RTK GPS帶有靜態測量功能，1臺徠卡TCA2003全站儀。

2.3.1 試驗過程

1）建立GPS參考基站。將GPS參考基站架設在距離試驗場地約3 km無遮擋的位置。

2）在整平試驗裝置臺車天線架上一定高度安裝固定360°棱鏡。

3）架設全站儀。全站儀采用跟蹤模式實時測量拋石管高度。

4）調試軟件與試驗控制系統程序。

2.3.2 試驗結果

1）快速靜態測量

選擇1條長度為4 745.582 m的基線進行靜態測量，連續測量時間為1 h26 min16 s，將解算結果（基線高差）作為基線標準長度。隨機截取10 min左右的時間段共5段，分別計算各時間段的結果與全時段的結果進行比較，估計10 min左右的快速靜態的高程精度。計算結果見表1。

分析表1數據可以看到，10 min左右的快速靜態在4 745.582 m的基線上高差值與1.5 h的全時段基線高差最大差值為10.6 mm，根據表1的偏差數據估計快速靜態的高程標準差為7.7 mm。

表1 靜態測量計算結果Table 1 Static measurement calculation results

2）拋石管加料前整平臺車空載運行

分別測量整平臺車行走往側（臺車軌道面從低到高）和返側（臺車軌道面從高到低），系統記錄結果見圖4。

圖4 整平臺車往返行程系統測量的拋石管高程圖Fig.4 Elevation map of riprap pipe measured by round trip system of whole platform truck

3）拋石管加料后整平臺車有載運行

拋石管加料后，整平臺車進行碎石基床整平試驗過程中，測試整平臺車由北向南（臺車軌道面從低到高）。

GPS快速靜態+全站儀聯合測量高程與整平臺車軌道高程測量比較結果見圖5。

圖5 全站儀+GPS聯合測量高程與臺車軌道高程測量結果比較Fig.5 Comparison of total station+GPS combined elevation measurement and trolley track elevation measurement results

2.3.3結果分析

1）采用GPS快速靜態+全站儀聯合測量結果的波動性較小，一般為5 mm左右。

2）根據整平船工作時基本處于靜止狀態這一特點，結合GPS快速靜態和全站儀測量的特點，設計GPS快速靜態+全站儀聯合測量的方法，測量整平船拋石管高程，可以發揮兩者的優勢提高測高精度。

3）在上述GPS快速靜態+全站儀聯合測量的過程中，GPS快速靜態測量獲得較高的高程測量精度，當參考站離開工作船小于3 km時，高程精度一般為5～10 mm。在整個船體范圍內（＜100 m），全站儀的高程測量精度大致在2～3 mm。這樣，在拋石管的高度實際保持不變時，由全站儀輸出的測高數據變動較小，因此可以較好解決由于GPS測量誤差引起頻繁調整刮刀升降的問題。

3 結語

碎石基床整平模型試驗各階段的試驗結果表明：

1）采用回聲測深儀檢測碎石基床整平精度，與試驗材料、水介質渾濁度、密度和聲速及信號門檻等多種因素關系密切，試驗揭示了規律性的現象，并得到了一些初步的定量關系。試驗結果對于制定整平施工工藝具有重要參考價值和指導意義。

2）采用GPS快速靜態+全站儀聯合測量拋石管高度的方法，可以達到提高整平船拋石管高度測量的精度。

3）采用GPS快速靜態+全站儀聯合測量高差方法，已經應用于拋石整平船和碎石供料回填船，較好地解決了由于GPS測量誤差引起頻繁調整拋石管升降的問題。