孫陽(yáng)陽(yáng) ，賈旭 ，徐良

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.天津市水下隧道建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300461）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，為解決陸上交通擁堵，又同時(shí)保證水域航運(yùn)船只正常通行，沉管隧道技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于水上交通工程。沉管隧道作為重要的跨水陸兩域交通基礎(chǔ)設(shè)施形式，已經(jīng)在港珠澳大橋海底隧道、深中通道及大連灣海底隧道等工程中取得應(yīng)用。目前沉管安裝測(cè)控定位方法主要有測(cè)量塔全站儀定位法[1-2]、測(cè)量塔GPS 定位法[3]、機(jī)械拉線(xiàn)定位法、超短基線(xiàn)聲學(xué)定位法、水下攝影法、貫通測(cè)量等方法。超短基線(xiàn)聲學(xué)定位法、機(jī)械拉線(xiàn)定位法、水下攝影法等主要應(yīng)用于管節(jié)首端的相對(duì)定位，而測(cè)量塔相關(guān)的方法則可以實(shí)現(xiàn)沉管安裝首尾端絕對(duì)定位。目前國(guó)內(nèi)主要沉管隧道，如：港珠澳大橋海底隧道采用測(cè)量塔和超短基線(xiàn)聲學(xué)定位法相結(jié)合的方式進(jìn)行沉管的安裝定位，深中通道和大連灣海底隧道采用雙測(cè)量塔的方式進(jìn)行沉管的安裝定位。

采用測(cè)量塔法進(jìn)行沉管安裝，由于沉管會(huì)全部沉入水面以下，只能通過(guò)高于水面一定高度的測(cè)量塔頂?shù)腉NSS 定位設(shè)備來(lái)進(jìn)行沉管定位安裝指揮。這就需要事先標(biāo)定出測(cè)量塔頂?shù)腉NSS 設(shè)備同管節(jié)定位特征點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系，但受沉管安裝工藝影響，管節(jié)橫移至舾裝區(qū)后才進(jìn)行測(cè)量塔的安裝，此時(shí)管節(jié)處于漂浮狀態(tài)，會(huì)隨著波浪晃動(dòng)，給準(zhǔn)確推算二者的相對(duì)位置關(guān)系帶來(lái)困難。本文對(duì)5 種漂浮狀態(tài)下測(cè)量塔的標(biāo)定方式進(jìn)行介紹，并對(duì)其優(yōu)劣性進(jìn)行分析。

1 管節(jié)漂浮標(biāo)定方法介紹

1.1 GNSS 同步標(biāo)定法

GNSS 同步標(biāo)定法是利用GNSSRTK 同步觀(guān)測(cè)，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[4]的一種浮態(tài)標(biāo)定方法。管節(jié)預(yù)制完成后，一次舾裝區(qū)陸域固定不變的情況下，在管節(jié)頂面布設(shè)4 個(gè)特征點(diǎn)G1—G4，并標(biāo)定出特征點(diǎn)同管節(jié)的相對(duì)位置關(guān)系。然后將管節(jié)橫移至二次舾裝區(qū)，在水域漂浮狀態(tài)下完成測(cè)量塔安裝，并在測(cè)量塔頂布設(shè)2 個(gè)特征點(diǎn)G5 和G6。在特征點(diǎn)G1—G6 處分別安置GNSS 定位設(shè)備，6 臺(tái)GNSS 設(shè)備利用RTK 測(cè)量模式同步采集數(shù)據(jù)。選取多組同步數(shù)據(jù)，利用管頂G1—G4 同管節(jié)相對(duì)位置關(guān)系，推算測(cè)量塔頂特征點(diǎn)G5 和G6 同管節(jié)的相對(duì)位置關(guān)系。示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 GNSS 同步標(biāo)定法示意圖Fig.1 Schematic diagram of GNSS synchronization calibration method

1.2 全站儀浮態(tài)標(biāo)定法

全站儀浮態(tài)標(biāo)定法是一種直接標(biāo)定成果的檢核方法[4]。棱鏡特征點(diǎn)布置同GNSS 同步標(biāo)定法類(lèi)似，共布置6 個(gè)特征點(diǎn)。選擇天氣良好的時(shí)段，利用安裝船壓載水系統(tǒng)，通過(guò)安裝在管內(nèi)的傾斜儀數(shù)據(jù)將管節(jié)調(diào)平，在特征點(diǎn)L1—L6 處安置棱鏡，在管節(jié)頂面選取合適位置架設(shè)全站儀，將全站儀精平后關(guān)掉自動(dòng)補(bǔ)償功能，使全站儀豎軸與管節(jié)坐標(biāo)系XOY 平面垂直。利用特征點(diǎn)L1—L4同管節(jié)相對(duì)位置的管節(jié)坐標(biāo)，采用后方交會(huì)測(cè)量方式，依次觀(guān)測(cè)特征點(diǎn)L5 和L6 處棱鏡。此方法可以直接測(cè)出L5 和L6 同管節(jié)相對(duì)位置的管節(jié)坐標(biāo)。示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 全站儀浮態(tài)標(biāo)定法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the floating calibration method of the total station

1.3 全站儀同步標(biāo)定法

全站儀同步標(biāo)定法是利用岸上架設(shè)全站儀同步標(biāo)定測(cè)量塔的一種浮態(tài)標(biāo)定方法。特征點(diǎn)的布置同全站儀浮態(tài)標(biāo)定法一致。在二次舾裝區(qū)岸邊選取6 個(gè)測(cè)站點(diǎn)架設(shè)全站儀，同步觀(guān)測(cè)特征點(diǎn)L1—L6 上的棱鏡。6 臺(tái)儀器采集數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)實(shí)時(shí)同步傳至計(jì)算機(jī)，測(cè)量出6 個(gè)特征點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系。利用管節(jié)頂面特征點(diǎn)L1—L4 同管節(jié)相對(duì)位置的管節(jié)坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，推算測(cè)量塔頂特征點(diǎn)L5 和L6 同管節(jié)相對(duì)位置關(guān)系。

1.4 空間距離交會(huì)測(cè)量法

空間距離交會(huì)測(cè)量法是利用測(cè)邊交會(huì)反求坐標(biāo)的一種推算方法。在干塢內(nèi)布設(shè)管節(jié)中間的特征點(diǎn)S1—S3，測(cè)量塔安裝完成后，利用全站儀測(cè)量S1—S3 同特征點(diǎn)L5、L6 之間的距離關(guān)系。根據(jù)S1—S3 的管節(jié)坐標(biāo)，結(jié)合S1—S3 同特征點(diǎn)L5和L6 的空間距離，構(gòu)建空間距離方程[5-6]，從而確定測(cè)量塔頂特征點(diǎn)L5 和L6 同管節(jié)的相對(duì)位置關(guān)系。

1.5 雙目視覺(jué)立體成像技術(shù)標(biāo)定法

雙目視覺(jué)立體成像技術(shù)標(biāo)定法是通過(guò)2 臺(tái)照相機(jī)在岸上對(duì)水中漂浮的管節(jié)進(jìn)行測(cè)量，獲得管節(jié)及測(cè)量塔頂特征點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，進(jìn)而解算特征點(diǎn)間的空間關(guān)系[7-8]。由于管節(jié)較長(zhǎng)，可分兩次進(jìn)行拍攝，得到特征點(diǎn)的相對(duì)幾何關(guān)系。根據(jù)管節(jié)頂面特征點(diǎn)在管節(jié)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，解算測(cè)量塔頂2 個(gè)特征點(diǎn)的管節(jié)坐標(biāo)，從而確定測(cè)量塔頂2 個(gè)特征點(diǎn)同管節(jié)的相對(duì)位置關(guān)系。

2 標(biāo)定方法對(duì)比

5 種沉管浮態(tài)標(biāo)定方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 漂浮狀態(tài)下沉管浮態(tài)標(biāo)定方法對(duì)比Table 1 Comparison of floating calibration methods for immersed tube in floating state

5 種漂浮狀態(tài)下沉管標(biāo)定方法在不同水域測(cè)量環(huán)境下可達(dá)到的精度詳見(jiàn)表2。

表2 漂浮狀態(tài)下沉管標(biāo)定方法平面精度對(duì)比Table 2 Plane accuracy comparison of calibration methods for immersed tube in floating state cm

全站儀同步標(biāo)定法對(duì)測(cè)量操作同步性要求較高，但是多組數(shù)據(jù)采集結(jié)果平均值精度可以達(dá)到1 cm，滿(mǎn)足沉管標(biāo)定精度要求，由于該方法人員及儀器組織較為困難，目前該方法僅應(yīng)用于沉管標(biāo)定復(fù)核檢測(cè)?？臻g距離交會(huì)測(cè)量法對(duì)測(cè)量距離精度要求較高，需進(jìn)行點(diǎn)位網(wǎng)形選取及點(diǎn)的嚴(yán)格固定，目前進(jìn)行的空間距離交會(huì)測(cè)量法進(jìn)行漂浮狀態(tài)下管節(jié)標(biāo)定，最佳結(jié)果2 cm 之內(nèi)，最差結(jié)果為5 cm，測(cè)量方法仍需進(jìn)一步優(yōu)化。雙目視覺(jué)立體成像技術(shù)標(biāo)定法進(jìn)行沉管漂浮標(biāo)定成本和操作難度較大，目前還在科研階段。

考慮測(cè)量精度并同時(shí)考慮人員儀器組織的便利性，目前主要采用的兩種方法為GNSS 同步標(biāo)定法和全站儀浮態(tài)標(biāo)定法。全站儀浮態(tài)標(biāo)定法對(duì)外界環(huán)境要求較高，需要風(fēng)平浪靜、沉管調(diào)平的情況下進(jìn)行測(cè)量，但其測(cè)量方式簡(jiǎn)單、方便，直接測(cè)量結(jié)果即為管節(jié)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，被廣為使用。港珠澳大橋海底隧道[9-10]、深中通道和大連灣海底隧道工程均采用全站儀浮態(tài)標(biāo)定法、GNSS 同步標(biāo)定法等進(jìn)行沉管的標(biāo)定及檢核。

3 工程應(yīng)用

大連灣海底隧道是我國(guó)北方首條海底沉管隧道，也是國(guó)家全面振興東北老工業(yè)基地的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。大連灣地處渤海灣，海面風(fēng)浪較小，同時(shí)管節(jié)浮態(tài)標(biāo)定區(qū)域位于舾裝區(qū)內(nèi)，周?chē)蟹啦ǖ套韪簦瑯?biāo)定外界環(huán)境較好。大連灣位于北緯 38°43′—40°12′，東經(jīng) 120°58′—123°31′之間，電離層對(duì)GNSSRTK 衛(wèi)星信號(hào)接收影響較小，故GNSSRTK 測(cè)量精度較高。因此，大連灣海底隧道建設(shè)工程沉管測(cè)量塔浮態(tài)標(biāo)定采用GNSS 同步標(biāo)定法和全站儀浮態(tài)標(biāo)定法相結(jié)合的方式。

GNSSRTK 同步采集時(shí)間超過(guò)7 h 共計(jì)26 575組數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)推算，沉管首尾端測(cè)量塔測(cè)量結(jié)果平面精度可以達(dá)到1 cm 之內(nèi)，測(cè)量塔GNSS 同步標(biāo)定法偏差圖見(jiàn)圖3。

圖3 沉管測(cè)量塔GNSS 同步標(biāo)定法偏差圖Fig.3 Deviation diagram of GNSS synchronous calibration method for immersed tube measuring tower

全站儀浮態(tài)標(biāo)定法對(duì)沉管首尾端測(cè)量塔2 組棱鏡在不同時(shí)間段下采集8 次，共計(jì)16 組數(shù)據(jù)。通過(guò)16 組數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)，隨著管節(jié)在海面上浮動(dòng)，整體測(cè)量點(diǎn)位呈居中分散式分布。然后對(duì)這16 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)與平均值互差可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果平面精度可以達(dá)到1 cm 之內(nèi)，點(diǎn)位分散圖見(jiàn)圖4（其中S1 為沉管首端測(cè)量塔頂棱鏡，W1 為沉管尾端測(cè)量塔頂棱鏡）。

圖4 沉管首尾端測(cè)量塔2 組棱鏡全站儀浮態(tài)標(biāo)定法采集點(diǎn)位分布散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of point distribution collected by floating calibration method of 2 sets of prism total station for measuring tower at the head and tail end of immersed tube

4 結(jié)語(yǔ)

隨著沉管法在大型海底隧道工程中的廣泛應(yīng)用，漂浮狀態(tài)下沉管高精度標(biāo)定對(duì)沉管的精確對(duì)接起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)5 種常見(jiàn)的浮態(tài)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究，并對(duì)大連灣海底隧道建設(shè)工程沉管測(cè)量塔浮態(tài)標(biāo)定所采用GNSS 同步標(biāo)定法和全站儀浮態(tài)標(biāo)定法進(jìn)行闡述分析，可為其他類(lèi)似的海洋工程施工提供參考。同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展，管節(jié)澆筑、沉管安裝可能均在外海進(jìn)行，管節(jié)的標(biāo)定條件會(huì)更加惡劣，因此，不考慮管節(jié)漂浮影響的動(dòng)態(tài)管節(jié)標(biāo)定方法仍需要進(jìn)一步研究。