成益品，陳偉樂(lè)，宋神友，孫海豐，鎖旭宏

(1. 中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071； 2. 深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

沉管隧道安裝測(cè)量塔法是沉管工程中常用的安裝定位方法，此方法定位的前提是要標(biāo)定出測(cè)量塔與沉管的相對(duì)位置關(guān)系，獲取測(cè)量塔定位參數(shù)。測(cè)量塔定位參數(shù)是決定沉管安裝對(duì)接精度的主要影響因素。目前，測(cè)量塔定位參數(shù)主要采用在沉管漂浮狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定的方式獲取，即浮態(tài)標(biāo)定方法，將沉管漂浮在水面上，露出一部分干舷，把儀器架設(shè)在沉管頂面標(biāo)定測(cè)量塔特征點(diǎn)處，從而獲得測(cè)量塔沉管坐標(biāo)。由于此方法受外界環(huán)境影響較大，沉管一直處于晃動(dòng)狀態(tài)，儀器在晃動(dòng)的觀測(cè)環(huán)境條件下很難準(zhǔn)確標(biāo)定出測(cè)量塔與沉管的相對(duì)位置關(guān)系，導(dǎo)致獲取的測(cè)量塔定位參數(shù)不夠準(zhǔn)確，保障和提升沉管安裝對(duì)接精度變得尤為困難。目前，已有一些關(guān)于浮態(tài)標(biāo)定技術(shù)的研究及應(yīng)用。張偉等[1]針對(duì)江西南昌紅谷沉管隧道管節(jié)沉放安裝后鋪法工藝的測(cè)量塔浮態(tài)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了研究。襄陽(yáng)市東西軸線道路工程魚(yú)梁洲段項(xiàng)目沉管體量小且測(cè)量塔最高21.5 m，標(biāo)定環(huán)境條件基本不受風(fēng)浪流影響，設(shè)計(jì)的測(cè)量塔浮態(tài)標(biāo)定精度理論上滿(mǎn)足管節(jié)沉放控制標(biāo)準(zhǔn)。港珠澳大橋與深中通道海底隧道沉管安裝相似，港珠澳大橋沉管安裝測(cè)量塔標(biāo)定采用浮態(tài)標(biāo)定的方法，標(biāo)定工作在深塢內(nèi)進(jìn)行，沉管體量大且測(cè)量塔最高50 m，為了保證標(biāo)定精度，文獻(xiàn)[2-4]對(duì)測(cè)量塔浮態(tài)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了研究分析及總結(jié)。

隨著沉管隧道不斷增多，沉管預(yù)制體量越來(lái)越大，沉管安裝對(duì)接控制標(biāo)準(zhǔn)及要求越來(lái)越高，尤其是采用測(cè)量塔法進(jìn)行大水深沉管安裝定位時(shí)，沉管標(biāo)定精度的控制工作顯得越來(lái)越重要。因此，為了進(jìn)一步提高沉管安裝測(cè)量塔法測(cè)控精度，本文結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化沉管標(biāo)定工藝，將沉管坐底進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)標(biāo)定特征點(diǎn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使得沉管在深塢坐底的穩(wěn)定狀態(tài)下可以觀測(cè)標(biāo)定特征點(diǎn)，并精確獲取測(cè)量塔定位參數(shù)，從而達(dá)到穩(wěn)定和提高沉管安裝對(duì)接精度的目的。通過(guò)沉管安裝貫通測(cè)量對(duì)浮態(tài)標(biāo)定與坐底標(biāo)定2種方法的精度進(jìn)行對(duì)比，充分驗(yàn)證了坐底標(biāo)定方法在提高沉管安裝對(duì)接精度方面的可行性及優(yōu)越性。

1 沉管標(biāo)定原理介紹

1.1 沉管安裝定位原理

沉管安裝測(cè)量塔定位系統(tǒng)集成計(jì)算軟件、數(shù)據(jù)通訊及GNSS接收機(jī)、姿態(tài)傳感器等硬件設(shè)備，采用雙測(cè)量塔定位方式，在每個(gè)測(cè)量塔頂部分別安裝GNSS天線/棱鏡(其位置均需要精確標(biāo)定)。在沉管安裝過(guò)程中，定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量塔頂GNSS天線/棱鏡位置的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)和安裝在沉管上的傾斜儀實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合GNSS天線/棱鏡及傾斜儀的標(biāo)定數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)計(jì)算沉管的位置和姿態(tài)，引導(dǎo)沉管沉放對(duì)接。

由此可見(jiàn)，準(zhǔn)確標(biāo)定測(cè)量塔頂GNSS天線/棱鏡與沉管的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)沉管沉放對(duì)接精度控制起著至關(guān)重要的作用[5-6]。

1.2 浮態(tài)標(biāo)定

在沉管浮態(tài)的情況下，在管頂中心位置架設(shè)水準(zhǔn)儀，將沉管4角特征點(diǎn)(P1—P4)的平面位置及高程作為已知量,測(cè)出沉管當(dāng)前傾斜值。根據(jù)實(shí)際傾斜值對(duì)系統(tǒng)顯示傾斜值進(jìn)行修正，利用修正后的傾斜值將沉管大致調(diào)平。將全站儀架設(shè)在沉管頂部，使用后方交會(huì)模式進(jìn)行設(shè)站，后視沉管浮態(tài)標(biāo)定特征點(diǎn)，從而建立沉管坐標(biāo)系，然后對(duì)測(cè)量塔特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，獲得測(cè)量塔的沉管坐標(biāo)[7]。

1.3 坐底標(biāo)定

在沉管坐落到碎石壟的情況下，將全站儀架設(shè)在陸地，對(duì)測(cè)量塔特征點(diǎn)與沉管頂面支架特征點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，使這些特征點(diǎn)坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系下。使用水準(zhǔn)儀測(cè)量當(dāng)前沉管的傾斜值，根據(jù)當(dāng)前的傾斜值對(duì)沉管傾斜進(jìn)行修正，利用沉管在淺塢標(biāo)定測(cè)量的管頂支架特征點(diǎn)的管節(jié)坐標(biāo)進(jìn)行同名點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而獲得測(cè)量塔特征點(diǎn)的沉管坐標(biāo)。

2 特征點(diǎn)布設(shè)

在沉管淺塢一次標(biāo)定期間，在沉管頂部布設(shè)6個(gè)坐底標(biāo)定特征點(diǎn)(ZJ1—ZJ6)和18個(gè)浮態(tài)標(biāo)定特征點(diǎn)(P1—P4、G1—G8、BD1—BD6)，共計(jì)布設(shè)24個(gè)特征點(diǎn)，點(diǎn)位布設(shè)示意見(jiàn)圖1。坐底標(biāo)定特征點(diǎn)實(shí)物圖見(jiàn)圖2。浮態(tài)標(biāo)定特征點(diǎn)三維模型見(jiàn)圖3。其中，坐底標(biāo)定特征點(diǎn)采用支架形式焊接在管節(jié)頂部，保證沉管橫移深塢坐底標(biāo)定時(shí)支架頂部測(cè)量標(biāo)志漏出水面； 其余浮態(tài)標(biāo)定點(diǎn)粘貼在沉管頂部。

圖1 管頂特征點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖2 坐底標(biāo)定特征點(diǎn)實(shí)物圖

圖3 浮態(tài)標(biāo)定特征點(diǎn)三維模型圖

在沉管淺塢一次標(biāo)定期間獲取這些特征點(diǎn)的預(yù)制坐標(biāo)，將這些特征點(diǎn)預(yù)制坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至沉管隧道施工坐標(biāo)系中，作為測(cè)量塔標(biāo)定及計(jì)算的已知條件。

3 坐底標(biāo)定

3.1 坐底標(biāo)定控制網(wǎng)

在深塢區(qū)布設(shè)沉管坐底標(biāo)定控制網(wǎng)，包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，并將施工坐標(biāo)引入坐底標(biāo)定控制網(wǎng)。此控制網(wǎng)可以將沉管首尾測(cè)量塔及管頂支架特征點(diǎn)放入同一坐標(biāo)系中，用于后續(xù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也可獲取特征點(diǎn)的施工坐標(biāo)用于后續(xù)精度比對(duì)。坐底標(biāo)定控制網(wǎng)點(diǎn)位布設(shè)示意見(jiàn)圖4。

圖4 坐底標(biāo)定控制網(wǎng)點(diǎn)位布設(shè)示意圖

標(biāo)定控制網(wǎng)是沉管坐底標(biāo)定精度的重要保障，因此需要布設(shè)高等級(jí)控制網(wǎng)并采用精密的測(cè)量?jī)x器設(shè)備進(jìn)行控制網(wǎng)測(cè)量。

平面控制網(wǎng)測(cè)量采用Leica TS60全站儀(測(cè)角0.5″，測(cè)距精度為0.6 mm+1×10-6×D，D為測(cè)量的距離，單位km)配合機(jī)載多測(cè)回測(cè)角程序觀測(cè)； 高程控制網(wǎng)采用Leica LS15電子水準(zhǔn)儀(每km往返高差中數(shù)的中誤差為0.3 mm)觀測(cè)。平面控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)測(cè)量方法及精度要求分別按照GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的“水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)(一等)”和“垂直位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)(一等)”的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)實(shí)施[8]。

3.2 坐底標(biāo)定數(shù)據(jù)采集

3.2.1 標(biāo)定作業(yè)條件

1)沉管坐底標(biāo)定時(shí)機(jī)宜選擇在夜間或者陰天，避免溫度高引起水面水蒸氣快速蒸發(fā)帶來(lái)的折光影響； 2)標(biāo)定時(shí)水面距離標(biāo)定支架頂部棱鏡至少300 mm，從而避免旁折光的影響[9]； 3)夜間標(biāo)定要關(guān)閉船上的探照燈光，保證儀器視場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有光源； 4)為了防止相同頻率電磁波反射對(duì)測(cè)量精度的影響，禁止2臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)量同一個(gè)特征點(diǎn)； 5)標(biāo)定時(shí)測(cè)量?jī)x器中要輸入當(dāng)前的溫度、氣壓和濕度參數(shù)進(jìn)行氣象自動(dòng)改正[10]； 6)沉管坐落在碎石基床后，需在管內(nèi)監(jiān)測(cè)沉管的穩(wěn)定性及測(cè)量沉管的傾斜度，如果發(fā)現(xiàn)沉管振動(dòng)幅度過(guò)大應(yīng)繼續(xù)向管內(nèi)壓載水，使沉管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。在上述條件完全具備的情況下方可進(jìn)行標(biāo)定。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集與解算

采用2臺(tái)全站儀，分別架設(shè)在位于沉管首尾端的陸上施工控制網(wǎng)點(diǎn)上，采用全站儀極坐標(biāo)法分別對(duì)沉管首尾端管頂支架特征點(diǎn)和測(cè)量塔特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量獲取數(shù)據(jù)[11]。此時(shí)，已經(jīng)得到管頂6個(gè)支架特征點(diǎn)(ZJ1—ZJ6)在管節(jié)坐標(biāo)系下的準(zhǔn)確平面坐標(biāo)。

利用管頂6個(gè)支架特征點(diǎn)的平面位置與高程，計(jì)算出沉管坐底后的實(shí)際傾斜值，并對(duì)測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)顯示的傾斜值進(jìn)行修正。

由于沉管坐底后的姿態(tài)與沉管淺塢一次標(biāo)定時(shí)的姿態(tài)有一定差異，在計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)首先要對(duì)所有標(biāo)定測(cè)量得到的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)修正。修正結(jié)束后以這6個(gè)同名點(diǎn)(ZJ1—ZJ6)作為已知條件，可以采用平面坐標(biāo)4參數(shù)轉(zhuǎn)換方法計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，使用此轉(zhuǎn)換參數(shù)將測(cè)量塔特征點(diǎn)的標(biāo)定測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到沉管隧道施工坐標(biāo)中[12]。坐底標(biāo)定示意見(jiàn)圖5。

圖5 坐底標(biāo)定示意圖

4 精度比對(duì)

4.1 測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)解算原理

測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)定位原理是利用沉管首尾測(cè)量塔的定位設(shè)備獲取當(dāng)前的WGS84經(jīng)緯度，系統(tǒng)利用空間7參數(shù)將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為定位設(shè)備當(dāng)前的施工坐標(biāo)。此時(shí)沉管首尾測(cè)量塔特征點(diǎn)的施工坐標(biāo)已經(jīng)獲得。測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)再次利用沉管首尾測(cè)量塔的施工坐標(biāo)與深塢內(nèi)標(biāo)定獲得的測(cè)量塔施工坐標(biāo)及沉管傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取沉管已知特征點(diǎn)實(shí)時(shí)的施工坐標(biāo)。測(cè)量塔沉管坐標(biāo)獲取的準(zhǔn)確性決定了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的精度[13-14]。

4.2 參數(shù)比對(duì)

根據(jù)4.1節(jié)測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)解算原理進(jìn)行2種標(biāo)定方式的精度比對(duì)。

坐底標(biāo)定完成后，將全站儀架設(shè)在陸地施工控制網(wǎng)上，獲取支架特征點(diǎn)ZJ2、ZJ5準(zhǔn)確的施工坐標(biāo)。將其作為比對(duì)的基準(zhǔn)值，分別與浮態(tài)標(biāo)定參數(shù)和坐底標(biāo)定參數(shù)測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)解算的施工坐標(biāo)作對(duì)比差，從而判斷標(biāo)定精度。

分別將浮態(tài)標(biāo)定與坐底標(biāo)定獲取的測(cè)量塔參數(shù)錄入測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)，并將淺塢一次標(biāo)定獲得的支架特征點(diǎn)ZJ2、ZJ5的施工坐標(biāo)錄入測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)，用于解算此位置的施工坐標(biāo)。使用測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)中專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的“特征點(diǎn)比對(duì)”模式[15]，1 s采集1個(gè)數(shù)據(jù)，連續(xù)采集30 min，實(shí)時(shí)解算沉管首端ZJ2、尾端ZJ5支架特征點(diǎn)的施工坐標(biāo)，取30 min內(nèi)數(shù)據(jù)的均值，然后與全站儀采集的ZJ2、ZJ5支架特征點(diǎn)的施工坐標(biāo)作差并進(jìn)行比對(duì)，分析數(shù)據(jù)收斂態(tài)勢(shì)。E1—E7沉管浮態(tài)標(biāo)定精度比對(duì)見(jiàn)圖6。E1—E7沉管坐底標(biāo)定精度比對(duì)見(jiàn)圖7。

圖6 E1—E7沉管浮態(tài)標(biāo)定精度比對(duì)

圖7 E1—E7沉管坐底標(biāo)定精度比對(duì)

4.3 結(jié)果分析

通過(guò)4.2節(jié)中浮態(tài)標(biāo)定與坐底標(biāo)定精度比對(duì)成果可知： 1)受外界環(huán)境影響浮態(tài)標(biāo)定精度不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)偏差整體控制在35 mm以?xún)?nèi)； 2)坐底標(biāo)定相對(duì)浮態(tài)標(biāo)定精度穩(wěn)定，數(shù)據(jù)偏差整體控制在20 mm以?xún)?nèi)，精度高于浮態(tài)標(biāo)定。因此，可以判斷沉管坐底標(biāo)定精度優(yōu)于浮態(tài)標(biāo)定精度。

5 工程應(yīng)用

深中通道工程沉管安裝測(cè)量塔定位參數(shù)采用坐底標(biāo)定獲取的參數(shù)，目前已順利完成了7節(jié)沉管的安裝。通過(guò)測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)顯示的沉管安裝軸線定位結(jié)果與管內(nèi)精密貫通測(cè)量[16]結(jié)果對(duì)比來(lái)看，采用坐底標(biāo)定獲取的測(cè)量塔定位參數(shù)基本可以將沉管安裝精度控制在20 mm以?xún)?nèi)。

在沉管安裝結(jié)束后，將浮態(tài)標(biāo)定參數(shù)錄入測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)，并與貫通測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)： 沉管軸線偏差浮態(tài)標(biāo)定參數(shù)定位結(jié)果較坐底標(biāo)定結(jié)果大10～20 mm，與標(biāo)定誤差理論精度估計(jì)及深塢內(nèi)標(biāo)定參數(shù)比對(duì)結(jié)果基本相符。實(shí)踐證明，坐底標(biāo)定獲得的參數(shù)精度整體高于浮態(tài)標(biāo)定獲取的參數(shù)精度。浮態(tài)標(biāo)定參數(shù)精度比對(duì)驗(yàn)證見(jiàn)表1。坐底標(biāo)定參數(shù)精度比對(duì)驗(yàn)證見(jiàn)表2。

表1 浮態(tài)標(biāo)定參數(shù)精度比對(duì)驗(yàn)證表

表2 坐底標(biāo)定參數(shù)精度比對(duì)驗(yàn)證表

6 結(jié)論與體會(huì)

通過(guò)在深塢內(nèi)對(duì)沉管測(cè)量塔浮態(tài)標(biāo)定與坐底標(biāo)定獲取的定位參數(shù)精度進(jìn)行對(duì)比，分析2種方法能夠達(dá)到的精度。由深中通道工程前期沉管安裝的成功應(yīng)用可以看出，沉管坐底標(biāo)定精度整體可控，可以有效提升沉管安裝對(duì)接精度。

1)沉管坐底標(biāo)定時(shí)，沉管狀態(tài)穩(wěn)定，外界影響測(cè)量作業(yè)精度的因素少，有著較高的精度和可靠性，對(duì)水下大型沉管及構(gòu)件高精度安裝具有參考價(jià)值。

2)沉管坐底標(biāo)定可以大大提高工作效率及質(zhì)量，不受天氣、環(huán)境及人為因素影響，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)平差計(jì)算，極大降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

3)沉管坐底標(biāo)定對(duì)碎石壟基礎(chǔ)的平整度及穩(wěn)定性有著較高要求，需定期對(duì)碎石壟進(jìn)行落淤檢查及清淤，尤其是在開(kāi)放水域坐底標(biāo)定時(shí)，建議每節(jié)管節(jié)坐底標(biāo)定前檢查碎石壟。

浮態(tài)標(biāo)定法有時(shí)也可以達(dá)到與坐底標(biāo)定法相當(dāng)?shù)木?，但是浮態(tài)標(biāo)定精度缺乏穩(wěn)定性，主要是沉管漂浮等外界因素影響標(biāo)定誤差，使得精度難以控制。而坐底標(biāo)定受外界環(huán)境影響因素少，標(biāo)定精度相對(duì)穩(wěn)定可控。