朱書敏，李創(chuàng)武，王 永，方 圓

(保利長大工程有限公司，廣州 510620)

1 工程概況

深中通道是連接珠江兩岸的戰(zhàn)略性跨江通道，是集“超寬海底隧道、超大跨徑橋梁、深水人工島、水下互通”為一體的跨海集群工程，是繼港珠澳大橋之后，我國又一項世界級重大跨海交通工程。

深中通道海底隧道工程全長6 845m，其中沉管隧道段起于K7+030，止于K12+065，全長5 035m。隧道由32節(jié)(E32～E1)鋼殼預(yù)制管節(jié)組成，其中標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長165m，曲線變寬管節(jié)長123.8m，最終接頭設(shè)置在E23/E22之間。隧道由東向西管節(jié)整體組成方案：5×123.8m(非標(biāo)準(zhǔn)段)26×165m(標(biāo)準(zhǔn)段)+123.8m(非標(biāo)準(zhǔn)段)=5 035m。隧道斷面采用兩孔一管廊截面形式，按施工部位劃分管節(jié)結(jié)構(gòu)主要由頂板、底板、側(cè)墻及中墻四個部位組成，采用鋼殼混凝土組合結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)、非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)橫斷面(單位：cm)

圖2 鋼殼管節(jié)結(jié)構(gòu)形式

作為管節(jié)柔性接頭的關(guān)鍵構(gòu)件，端鋼殼設(shè)置在沉管管節(jié)兩端，與管節(jié)混凝土聯(lián)為一體。為安裝GINA和OMEGA止水帶而設(shè)置在管節(jié)端部的鋼構(gòu)件，是管節(jié)結(jié)構(gòu)重要的永久性構(gòu)件，圖3為沉管端鋼殼及止水帶結(jié)構(gòu)。

圖3 深中通道沉管端鋼殼及止水帶結(jié)構(gòu)

2 端鋼殼驗收測量內(nèi)容與測量技術(shù)

2.1 驗收測量內(nèi)容

(1)測量端鋼殼端面板的平整度。端面板平整度影響止水帶安裝后的止水功能，直接引申至管節(jié)沉放安裝后的一級防水功能，可見端鋼殼平整度的重要性。

(2)測量端鋼殼的水平偏角、豎向偏角。端鋼殼的水平偏角、豎向偏角是沉管端鋼殼設(shè)計要素之一，主要考慮管節(jié)與管節(jié)之間的準(zhǔn)確銜接。

兩節(jié)管節(jié)對接時，端鋼殼的水平偏角直接影響隧道線形偏移，多節(jié)管節(jié)對接后，其最終走向是否符合設(shè)計要求，關(guān)鍵在于端鋼殼制作到預(yù)制后的水平偏角的偏移量；同理，端鋼殼的豎向偏角也直接影響管節(jié)與管節(jié)之間的縱坡走向，多節(jié)管節(jié)對接后，若豎向偏角偏差較大，其縱坡會偏離設(shè)計要求，造成影響后續(xù)鋪裝層施工的難度增大。

綜上所述，端鋼殼水平偏角、豎向偏角一定程度上間接影響沉管貫通后路面是否美觀圓順，行車是否舒適、平順。

2.2 驗收測量技術(shù)

利用高精度全站儀+全圓法觀測軟件+MATLAB數(shù)學(xué)軟件對沉管端鋼殼進(jìn)行驗收測量。全站儀結(jié)合全圓觀測法軟件可自動化、快速、多次測量目標(biāo)，剔除誤差值，并自動計算、輸出三維坐標(biāo)；內(nèi)業(yè)利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件，對外業(yè)采集的三維坐標(biāo)，可快速地處理并得到各項目標(biāo)值(平整度、水平偏角、豎向偏角)，從而評定端鋼殼最終施工的質(zhì)量。該測量技術(shù)工藝流程如圖4所示。

圖4 沉管端鋼殼驗收測量技術(shù)工藝流程

2.2.1 全站儀+全圓觀測法測量原理

本技術(shù)采用的全站儀(Leica TM50)測角精度為0.5″,測距精度為0.6mm+1ppm，另外加上全站儀內(nèi)配置測量軟件-全圓觀測法軟件，該軟件能夠指揮全站儀自動測量多測回角(水平角、豎直角)、距離、高程等。

(1)在已知控制點上架設(shè)全站儀，設(shè)置全圓觀測程序(全站儀內(nèi)置)。根據(jù)端鋼殼測量的要求，可將程序中的全站儀2C值(一個測回內(nèi)盤左、盤右照準(zhǔn)同一目標(biāo)時的水平角讀數(shù)之差)調(diào)至3″以內(nèi)，甚至更低；同時將全站儀豎盤指標(biāo)差(一個測回內(nèi)盤左、盤右照準(zhǔn)同一目標(biāo)時的水平角讀數(shù)之差)調(diào)至3″以內(nèi)，甚至更低。以上全站儀2C值和豎盤指標(biāo)差的調(diào)校使得測量點位精度高。

(2)測量前進(jìn)行全站儀內(nèi)部檢校，使得各項指標(biāo)(水平角、豎直角、測距)正常。

(3)測量人員操作全站儀對準(zhǔn)各個測量點進(jìn)行觀測并記錄。

(4)全站儀根據(jù)人為操作的記憶(記憶方位角，全圓觀測軟件作用)，對測量點進(jìn)行多次觀測(即測回法)。若測量過程中2C值和豎盤指標(biāo)差超限，全站儀會發(fā)出提示，測量人員根據(jù)需要重新觀測或者剔除超限點，并自動保存測量值。

(5)以上操作完后，全圓觀測法軟件根據(jù)各個點位的水平角θ水、水平距離l距、豎直角θ豎，利用已知控制點坐標(biāo)推算各個觀測點的坐標(biāo)。

因為全站儀自動對測點進(jìn)行觀測后，每個測點有多組水平角、水平距離、豎直角數(shù)據(jù)，全圓觀測程序經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的計算后進(jìn)行平均取值，最終得到每個測點的精確數(shù)據(jù)。同時可以根據(jù)多組水平角、水平距離、豎直角，人為地進(jìn)行平差，由于0.5″全站儀精度較高，直接進(jìn)行平均取值即可。

2.2.2 MATLAB數(shù)學(xué)軟件編程原理

外業(yè)采集完數(shù)據(jù)后，利用編好程序的MATLAB數(shù)學(xué)軟件，計算端鋼殼的平整度、水平偏角、豎向偏角等。

計算前先將全站儀測量的點位數(shù)據(jù)導(dǎo)出、整理，形成一定格式的電子數(shù)據(jù)，這樣更有利于后續(xù)的數(shù)據(jù)快速、方便地處理。

3 工程應(yīng)用

保利長大工程有限公司承擔(dān)深中通道S08合同段，即沉管隧道東側(cè)E32～E23共10節(jié)管節(jié)的施工任務(wù)，里程樁號為K7+030～K8+474。

3.1 測量技術(shù)的分析與選取

(1)沉管管節(jié)斷面尺寸大，根據(jù)業(yè)主要求，測量點位密度高，測點間距僅1m甚至0.5m，為此采集數(shù)量很大。管節(jié)兩端共254個點，為了提高精度需測2至3個測回，兩個端面需要測4～6個測回，而高精度全站儀+全圓法觀測軟件+MATLAB數(shù)學(xué)軟件可較好地解決該技術(shù)難題。

(2)沉管管節(jié)座放位置與船塢相距較窄，擺放全站儀的位置距離端鋼殼僅10余m，因此有必要采取全圓法觀測軟件自動監(jiān)測，減少測量誤差。

(3)常規(guī)塞尺測量平整度點較多，精度低，工作時間較長，勞動力較大，傳統(tǒng)的吊鉛球法測量端鋼殼豎直角不精確，難以測量水平角。

(4)高精度全站儀+全圓法觀測軟件+MATLAB數(shù)學(xué)軟件在某種程度上突破了傳統(tǒng)的測量方法，既有全站儀單獨測量快速、精準(zhǔn)的功效，又能實現(xiàn)自動化測量(全圓觀測法作用)，同時實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理，呈現(xiàn)三維效果(MATLAB數(shù)學(xué)軟件作用)。

3.2 E32管節(jié)測量成果

在E32管節(jié)上進(jìn)行了多次實測和分析，采用高精度全站儀+全圓法觀測軟件對端鋼殼態(tài)進(jìn)行了精確測量，獲取了精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)，使用MATLAB數(shù)學(xué)軟件擬合端鋼殼面板平整度、水平偏角、豎向偏角等線型參數(shù)，以推斷管節(jié)制作精度，并可以預(yù)推沉管管節(jié)拼接偏差。

通過澆筑前、后E32管節(jié)端鋼殼測量數(shù)據(jù)的分析對比，平整度、水平角、豎直角的微小變化量均可以充分體現(xiàn)。

表1測量數(shù)據(jù)分析顯示，澆筑前端鋼殼首端平整度凸起最大值3.94mm，凹進(jìn)最大值3.45mm，平整度數(shù)值區(qū)間在(-3.94，3.45)mm；尾端平整度凸起最大值3.49mm，凹進(jìn)最大值3.02mm，平整度數(shù)值區(qū)間在(-3.49，3.02)mm，測量精度mm級。

表1 澆筑前E32管節(jié)端鋼殼測量數(shù)據(jù)分析

首端豎向偏角-89.53315°，水平偏角-0.71012°；尾端豎向偏角-89.52006°，水平偏角0.70853°。豎向偏角、水平偏角分別與設(shè)計對比都在秒級范圍，轉(zhuǎn)換到長度同樣是毫米級精度。

表2測量數(shù)據(jù)分析顯示，澆筑前端鋼殼首端平整度凸起最大值3.27mm，凹進(jìn)最大值3.27mm，平整度數(shù)值區(qū)間在(-3.27，3.27)mm；尾端平整度凸起最大值5.12mm，凹進(jìn)最大值6.64mm，平整度數(shù)值區(qū)間在(-5.12，6.64)mm，測量精度mm級。

表2 澆筑后E32管節(jié)端鋼殼測量數(shù)據(jù)分析

首端豎向偏角-89.52582°，水平偏角0.71193°；尾端豎向偏角-89.52141°，水平偏角-0.71005°。豎向偏角、水平偏角分別與設(shè)計對比均在11級范圍，轉(zhuǎn)換到長度同樣是mm級精度。

工程實踐表明，對于大型沉管管節(jié)，高精度全站儀+全圓法觀測軟件+MATLAB數(shù)學(xué)軟件測量技術(shù)的精度高，該驗收測量技術(shù)可靠。

4 結(jié)語

高精度全站儀+全圓法觀測軟件+MATLAB數(shù)學(xué)軟件已經(jīng)應(yīng)用于深中通道E31、E30、E29、E28管節(jié)端鋼殼測量，后續(xù)的E27～E23管節(jié)可繼續(xù)采用該測量方法。澆筑前后均能順利地測量、評定端鋼殼制作與澆筑精度，為管節(jié)預(yù)制提供了很好的反饋，同時為后續(xù)的沉管隧道監(jiān)測提供借鑒。

經(jīng)施工現(xiàn)場管節(jié)端鋼殼三維姿態(tài)的多次驗收測量及其數(shù)據(jù)分析，該測量技術(shù)解決了鋼殼端驗收測量的各項難題，具有精度高、快速、高可靠性能，實現(xiàn)了自動化大數(shù)據(jù)采集與分析的目的，同時能夠滿足施工精度要求。