碎石铺设整平精度的测控系统研究

李有志，王富敬，李家林

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

港珠澳大桥是由隧、岛、桥组成的跨海交通集群工程，是中国交通建设史上技术最复杂、环保要求最高、建设要求及标准最高的工程之一，其中主体结构——海底沉管隧道长6 700 m，为目前世界上最长的沉管隧道，因此保证沉管隧道碎石基床铺设整平精度尤为重要。本文基于沉管隧道基础不同坡度变化和水深的设计要求，研制整平机构水下抛石整平足尺模型试验装置并进行试验研究，为整平机构的设计制造和安装调试提供依据[1-9]。

1 整平机构模型试验装置

1.1 抛石整平机构足尺模型试验装置

抛石整平机构足尺模型试验装置包括：1）H=8 m，内径φ1 484 mm抛石管及料斗装置；2）行程约27 m的台车及行走装置；3）行走台车牵引装置，工作速度1 m/min。

1.2 台车行走轨道

为能模拟整平机结构变形和抛石管倾斜造成的高程变化时，通过GPS实时检测变化量，对抛石管头部刮刀能实时调整，将台车行走轨道预制成沿轨道纵向高度渐变的形状，如图1，使整平台车行走成为特定轨迹。

图1 台车行走轨道高度渐变线形图Fig.1 Linear diagram of height gradient of trolley walking track

2 整平机构模型试验内容及方法

碎石基床整平模型试验工作分为5个阶段。

2.1 碎石基床整平测控系统前3阶段模型试验

碎石基床整平测控系统前3阶段模型试验共进行了4次试验。第1次试验是在无水状态下进行的碎石基床整平试验；第2次试验是在有水状态下进行的碎石基床整平试验；第3次检测试验是在第2次（有水状态下）整平试验的碎石基床上，进行了二次回声测深仪试验；第4次试验是在有水状态下进行的碎石基床整平试验。此次试验采用了浮动短基线方法（双天线GPS）的测量系统。整平机构模型试验前3阶段成果分析如下：

1）通过多次碎石基床整平模型试验共采集记录约十几万试验数据。试验结果表明，研制的碎石基床整平模型试验的结构与测控装置能够满足研究试验工作大纲要求。测控系统软件采用三维空间坐标编制，能够适应不同高度差的轨道和倾斜面的整平。实测数据表明，该测控系统具有较高的测控精度。

2）以第4次试验为例对整平机构模型试验阶段成果分析。试验利用专门的双天线GPS接收机，采用浮动短基线技术，能够达到消除长基线解算的误差，并可以做到数据平稳，提高精度的目的。自动记录刮刀底面高程数据，计算中误差可达6.5 mm。如图2所示。

图2 刮刀底面高程正态分布直方图Fig.2 Histogram of normal distribution of scraper bottom elevation

2.2 整平机构模型试验装置第4阶段试验

第4阶段碎石基床整平模型试验主要研究对回声测深仪进行不同粒径的材料基底做回声测深检测试验。

通过对多种不同材料的回声测深检测试验及回声测深仪试验与实测数据比对证明，回声测深检测结果与试验材料、水介质浑浊度、密度和声速及信号门槛有密切关系，如图3。

图3 测深试验数据曲线Fig.3 Curve chart of sounding test data

1）碎石垫层回声测深检测试验较好地反映了仪器的特性，试验结果对制定整平施工工艺具有重要参考价值和指导意义。

2）采用回声测深仪检测碎石基床整平精度，与试验材料、水介质浑温度密度和声速及信号门槛等多种因素关系密切，试验揭示了一些规律性的现象，并得到了初步定量关系。

采用回声测深仪，进行多种不同粒径的碎石和中粗砂回声测深试验；试验过程通过调整测深仪声速频率及信号门槛的仪测数据与实测数据比对取得最佳检测依据，供制定整平施工工艺参考。

2.3 整平机构模型试验装置第5阶段试验

基于前期试验成果，第5阶段碎石基床整平模型试验主要采用“GPS快速静态+全站仪联合测量高差方法”，测定抛石管顶部高程的精度及误差规律，研究整平船作业时采用此种测量高差方法的可行性。试验仪器设备为3台天宝（Trimble）SPS751双频RTK GPS带有静态测量功能，1台徕卡TCA2003全站仪。

2.3.1 试验过程

1）建立GPS参考基站。将GPS参考基站架设在距离试验场地约3 km无遮挡的位置。

2）在整平试验装置台车天线架上一定高度安装固定360°棱镜。

3）架设全站仪。全站仪采用跟踪模式实时测量抛石管高度。

4）调试软件与试验控制系统程序。

2.3.2 试验结果

1）快速静态测量

选择1条长度为4 745.582 m的基线进行静态测量，连续测量时间为1 h26 min16 s，将解算结果（基线高差）作为基线标准长度。随机截取10 min左右的时间段共5段，分别计算各时间段的结果与全时段的结果进行比较，估计10 min左右的快速静态的高程精度。计算结果见表1。

分析表1数据可以看到，10 min左右的快速静态在4 745.582 m的基线上高差值与1.5 h的全时段基线高差最大差值为10.6 mm，根据表1的偏差数据估计快速静态的高程标准差为7.7 mm。

表1 静态测量计算结果Table 1 Static measurement calculation results

2）抛石管加料前整平台车空载运行

分别测量整平台车行走往侧（台车轨道面从低到高）和返侧（台车轨道面从高到低），系统记录结果见图4。

图4 整平台车往返行程系统测量的抛石管高程图Fig.4 Elevation map of riprap pipe measured by round trip system of whole platform truck

3）抛石管加料后整平台车有载运行

抛石管加料后，整平台车进行碎石基床整平试验过程中，测试整平台车由北向南（台车轨道面从低到高）。

GPS快速静态+全站仪联合测量高程与整平台车轨道高程测量比较结果见图5。

图5 全站仪+GPS联合测量高程与台车轨道高程测量结果比较Fig.5 Comparison of total station+GPS combined elevation measurement and trolley track elevation measurement results

2.3.3结果分析

1）采用GPS快速静态+全站仪联合测量结果的波动性较小，一般为5 mm左右。

2）根据整平船工作时基本处于静止状态这一特点，结合GPS快速静态和全站仪测量的特点，设计GPS快速静态+全站仪联合测量的方法，测量整平船抛石管高程，可以发挥两者的优势提高测高精度。

3）在上述GPS快速静态+全站仪联合测量的过程中，GPS快速静态测量获得较高的高程测量精度，当参考站离开工作船小于3 km时，高程精度一般为5～10 mm。在整个船体范围内（＜100 m），全站仪的高程测量精度大致在2～3 mm。这样，在抛石管的高度实际保持不变时，由全站仪输出的测高数据变动较小，因此可以较好解决由于GPS测量误差引起频繁调整刮刀升降的问题。

3 结语

碎石基床整平模型试验各阶段的试验结果表明：

1）采用回声测深仪检测碎石基床整平精度，与试验材料、水介质浑浊度、密度和声速及信号门槛等多种因素关系密切，试验揭示了规律性的现象，并得到了一些初步的定量关系。试验结果对于制定整平施工工艺具有重要参考价值和指导意义。

2）采用GPS快速静态+全站仪联合测量抛石管高度的方法，可以达到提高整平船抛石管高度测量的精度。

3）采用GPS快速静态+全站仪联合测量高差方法，已经应用于抛石整平船和碎石供料回填船，较好地解决了由于GPS测量误差引起频繁调整抛石管升降的问题。