張秀振

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

沉管隧道是在水下將管節(jié)不斷依次重復沉放、對接的一種工法，在最終沉放管節(jié)的端部必然會產生施工間隙，將此間隙進行連接的施工就是最終接頭[1]。通常最終接頭的施工方法有干地施工法、水下施工法、止水板施工法、V形箱體施工法等。

港珠澳大橋沉管隧道全長6 704 m，隧道兩端分別位于海中東、西人工島上，其中沉管段總長5 664 m，共33個管節(jié)。最終接頭采用整體式主動止水最終接頭技術[2]，鋼殼內灌注混凝土形成三明治組合結構[3]，位于E29與E30之間，管底高程-27.937 m，處于半徑5 500 m的平曲線上。

1 龍口姿態(tài)測量

最終接頭位于E29與E30之間，龍口姿態(tài)的測量通過E29、E30管節(jié)對接面姿態(tài)的測定來完成。主要內容為測定E29、E30管節(jié)安裝完成后近最終接頭端的端鋼殼整體姿態(tài)情況，包括管節(jié)軸線方位角、端鋼殼豎向傾角、端鋼殼橫向偏差、里程偏差等，通過測量相關特征點進行端鋼殼端面所有標定特征點坐標的精確推算并進行精度評估最終接頭縱斷面如圖1所示。

1.1 端面特征點計算

1.1.1 管節(jié)坐標系的定義與特征點布設

在管節(jié)首、尾節(jié)段端面上高程分別為3.5 m、3.8 m、7.0 m、14.9 m處使用自貼式反射片布設8個端面特征點，單根管節(jié)共16個。特征點布置如圖2所示。

圖1 最終接頭縱斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of final joint vertical profile

圖2 特征點布置示意圖（端面）Fig.2 Schematic diagram of feature point layout(end face)

以水平狀態(tài)下管節(jié)底面所在水平面為XOY平面，以近最終接頭端管節(jié)端面底邊線中點為原點O，管節(jié)端面中心點連線所在豎直平面為YOH平面。E29、E30管節(jié)坐標系X軸均以指向右行車道為正，Y軸均以指向S8端為正，H軸以豎直向上為正。E29管節(jié)坐標系如圖3所示。

圖3 管節(jié)坐標系示意圖（E29管節(jié)）Fig.3 Schematic diagram of immersed tube coordinate system（E29）

1.1.2 端面特征點計算

管節(jié)預制完成后通過標定可以得到管節(jié)端面任意特征點P在管節(jié)坐標系下的坐標（X，Y，H），管節(jié)端面底邊線理論中點O在工程坐標系的坐標為（X0，Y0，H0），安裝后管節(jié)尾端橫傾為A，管節(jié)縱傾為B，管節(jié)軸線方位角（首尾中心點連線）為C。

按照管節(jié)坐標旋轉縱傾→旋轉橫傾→平移至工程坐標系→平面旋轉軸線方位角的順序進行坐標轉換[4]，得到P點的工程坐標（X1，Y1，H1）。X1=-Xcos Acos C-Xsin Asin Bsin C-Ysin Bsin C+Hsin Acos C-Hcos Asin Bsin C+X0

Y1=-Xcos Asin C+Xsin Asin Bcos C+Ysin Bcos C+Hsin Asin C+Hcos Asin Bcos C+Y0

H1=-XsinA cos B+Ysin B-Hcos Acos B+H0

1.2 端面特征點測量影響因素分析

針對端面特征點坐標計算公式進行各變量的全微分[5]。

再根據坐標計算公式進行偏導數(shù)求取，得端面點坐標分量同各變量的偏導數(shù)。

從端面特征點坐標分量的全微分公式可以看出，影響端面特征點坐標計算的主要因素為尾端端鋼殼中心坐標（x0，y0，h0）、端鋼殼特征點管節(jié)坐標（x，y，h）、尾端橫傾A、管節(jié)縱傾B、軸線方位角C的測量精度。

1.3 測量方法及精度評估

根據沉管隧道施工工藝及現(xiàn)場實際情況，通過沉管隧道貫通誤差預計[6]、導線布設方法[7]、陀螺定向邊加測[8]等一系列研究，經多次優(yōu)化和驗證，形成了一種新的沉管隧道控制網網形“雙線形聯(lián)合鎖網”，大大提高了沉管隧道貫通測量精度。

龍口端面特征點測量方法主要有3種：1）通過隧道內貫通測量進行測定；2）在二次標定時對雙測量塔特征點進行標定并在安裝時使用雙測量塔測控系統(tǒng)測量；3）安裝完成后利用人孔井直接投點法將測量基準引入管內進行測量。

尾端橫傾A和管節(jié)縱傾B主要通過2種方法測定：1）在管節(jié)一次標定時標定管節(jié)特征點并在管節(jié)安裝后貫通測量時進行橫傾測定；2）在管節(jié)一次標定時標定傾斜儀，二次標定時進行校準并在管節(jié)安裝時進行縱橫傾測定。

軸線方位角C可通過2種方法測定：1）在管節(jié)一次標定時標定管節(jié)特征點并在管節(jié)安裝后貫通測量時進行軸線方位角測定；2）在管節(jié)二次標定時標定測量塔特征點并在管節(jié)安裝時進行軸線方位角測定。

根據測量方法進行測量精度分析，可以得出各分項測量誤差，然后依據測量誤差傳播定律[9]，綜合計算得到對接面特征點測量精度，評估結果見表1。

表1 最終接頭對接端面特征點姿態(tài)測量精度（中誤差）評估結果Table 1 The result of the measurement accuracy(middle error)of the end face feature point attitude measurement±m(xù)m

通過最終接頭對接端面特征點、橫傾、縱傾及軸線方位角測量方法的對比，以及測量精度評估結果的分析，貫通測量方法可作為本工程龍口姿態(tài)測量最優(yōu)選擇，人孔井投點方法可作為校核手段。

2 最終接頭制造及標定

2.1 最終接頭制造

最終接頭頂板長度11.922 m，底板長度9.526 m，截面厚度同標準管節(jié)，立面總高度11.4 m?？紤]到最終接頭安裝完成后的止水效果，制造時除對尺寸嚴格測量外還應控制端面水平向偏角以及豎向偏角。

2.2 最終接頭標定

在最終接頭預制、舾裝完成之后，對其進行標定，為最終接頭安裝及貫通提供參數(shù)依據，為測控系統(tǒng)提供高精度的安裝參數(shù)。

2.2.1 特征點布設

最終接頭需要布設的特征點包括：端面特征點、內部貫通點、頂部特征點和測量塔特征點。

1）端面特征點布設

最終接頭端面特征點布設與標準管節(jié)相同，在側墻內邊沿處使用自貼式反射片布設10個端面特征點，最終接頭兩個端面共布置20個端面特征點。端面特征點可為最終接頭軸線計算提供數(shù)據依據。

2）管內特征點布設

最終接頭內部布設2個貫通點特征點，在最終接頭安裝結束，提供貫通比對和傾斜初值。

3）管頂特征點布設

最終接頭頂部軸線兩側共布設4個管頂特征點，為方便架設儀器，各個特征點距離邊線均應大于1.0 m。

4）測量塔特征點布設

最終接頭縱向軸線位置上布置了測量塔和人孔。在測量塔頂部沿軸線方向設置2個外伸支架，外伸支架垂直于軸線，在外伸支架兩端共布設4個測量塔標定特征點。

2.2.2 最終接頭標定方法

根據最終接頭施工工藝流程，最終接頭標定工作是在浮態(tài)條件下進行的，標定期間，需要提供相對比較穩(wěn)定的條件，以提高標定精度。

1）獨立工程控制網建立

為便于最終接頭標定，在船體甲板上，以最終接頭縱向方向為X軸，建立獨立控制網，如圖4所示，采用邊角網的形式進行測量。

控制點高程通過假定其中1個角點高程，使用閉合水準測量方法進行測量，在平面控制網測量階段可使用三角高程的方法進行復核測量。

2）浮態(tài)標定

圖4 最終接頭獨立控制網示意圖Fig.4 Schematic diagram of final joint independent control network

依據最終接頭傾斜儀數(shù)據，通過船舶壓載水系統(tǒng)將船體甲板調平，利用獨立工程控制網點架設全站儀進行標定。浮態(tài)標定的技術難題是控制基準面和測量基準面不平行，標定期間應根據船舶姿態(tài)情況適時關閉儀器自動補償器，確保測量儀器與船舶運動狀態(tài)一致。最終接頭標定見圖5。

圖5 最終接頭特征點標定Fig.5 Final joint feature point calibration

3 最終接頭安裝測控

3.1 安裝定位系統(tǒng)

3.1.1 定位系統(tǒng)組成

最終接頭安裝定位系統(tǒng)主要由高精度定位GPS、高精度自動照準全站儀、精密傾斜儀、不同距離無線數(shù)據傳輸設備、數(shù)據處理計算機及視頻設備等組成。

3.1.2 定位系統(tǒng)精度分析

1）平面精度分析

最終接頭雙測量塔測控定位誤差來源主要包括：測量塔特征點標定誤差、沉放定位時RTKGPS定位誤差、傾斜儀測量誤差、測量塔水中形變誤差等[9]。

測量塔特征點標定誤差：m0=±2.0 cm

沉放定位時GPS RTK定位誤差：m1=±2.0 cm

傾斜儀測量誤差：m2=±1.1 cm

測量塔水中形變誤差：m3=±1.0 cm

綜合以上誤差，測量塔定位中誤差：

2）高程精度分析

GPS天線高度的量測誤差為：m0=±1.0 cm

沉管沉放GPS RTK高程誤差為：m1=±3.0 cm傾斜儀誤差為：m2=±1.1 cm

采用測量塔法沉放時對接面的高程絕對精度估計[9]：

最終接頭安裝定位系統(tǒng)精度可以滿足最終接頭安裝設計及施工精度要求。

3.2 預警輔助系統(tǒng)

最終接頭安裝過程中的重大安全風險之一是最終接頭與E29/E30管節(jié)端面的碰撞，為規(guī)避風險、確保安全，在測控系統(tǒng)中增設了防碰撞預警輔助系統(tǒng)。預警系統(tǒng)在最終接頭端面安裝聲吶測距設備，通過聲吶發(fā)出聲波反射在E29/E30鋼帽上，以獲取最終接頭與E29/E30端面間距離，并在軟件上實時顯示，若小于提前設置的安全距離，系統(tǒng)將自動報警提示，此時須及時調整最終接頭至安全狀態(tài)。最終接頭實時位置狀態(tài)如圖6所示。

圖6 最終接頭狀態(tài)示意圖Fig.6 Schematic diagram of final joint state

3.3 姿態(tài)控制系統(tǒng)

最終接頭內部安裝的精密傾斜儀可以實時測定最終接頭的姿態(tài)。當最終接頭出現(xiàn)傾斜時，該系統(tǒng)可以實時顯示其姿態(tài)數(shù)據及調整量。

在塢內使用吊點處4個測點標定傾斜儀初始值，在姿態(tài)調整軟件中輸入傾斜校正參數(shù)。預設最終接頭可能出現(xiàn)的最大傾斜角度作為傾斜報警值，在實時調整過程中超出報警值時，軟件通過紅色閃爍限差圓進行提示，最終接頭安裝暫停，用起重船纜繩調整至姿態(tài)正確后繼續(xù)施工。

在最終接頭頂部外側4個吊點附近各布設1個姿態(tài)測點，測點調整量實時顯示在系統(tǒng)界面中，根據軟件顯示對吊機進行相應操作，姿態(tài)調整如圖7所示。

圖7 吊纜姿態(tài)調整示意圖Fig.7 Schematic diagram of attitude adjustment of lifting cable

3.4 最終接頭安裝精度

最終接頭安裝完成后打開安全門，通過沉管隧道控制網“雙線形聯(lián)合鎖網”進行貫通測量，測量結果顯示最終接頭安裝達到毫米級精度：最終接頭首端（E29對接端）偏北2.6 mm，尾端（E30對接端）偏北0.8 mm。

4 結語

最終接頭是沉管隧道施工的關鍵工序，而最終接頭測控技術是其精確對接和沉管隧道順利貫通的保障。本文的研究成果成功應用于港珠澳大橋沉管隧道的最終接頭施工，解決了龍口姿態(tài)的精確測定、最終接頭浮態(tài)條件下的標定、安裝過程的精確定位和姿態(tài)控制等技術難題，實現(xiàn)了最終接頭毫米級安裝精度。對類似工程具有參考和指導作用。