在移動(dòng)干塢上預(yù)制沉管管段測量基準(zhǔn)的建立

李樹光等

摘要 采用半潛駁船作為移動(dòng)干塢制作管段，精度控制是保證工程成敗的關(guān)鍵。在不穩(wěn)定的半潛駁上進(jìn)行測量工作，必需建立符合駁船工作條件的測量控制系統(tǒng)。本文介紹了作者在廣州侖頭—生物島沉管隧道工程中移動(dòng)干塢制作管段的測量控制系統(tǒng)建立方法，后方交會(huì)法和船體坐標(biāo)系統(tǒng)法。并對方案實(shí)施的精度進(jìn)行的闡述。

關(guān)鍵詞：半潛駁，測量基準(zhǔn)，控制測量

Abstract： It is a essensial condition to establish a aproperiate sueveying datum on a unstable deck. The precision of structural member manufactured depends on that of surveying. In the paper， the the authors introduced two methods to establish surveying contrual system on the large semi-submergible deck barge. The methods include the trilateration and the deck—datum system. As a example，the field surveying deal with a contral network by theodlite is describe in the paper.

Key Words： semi-submergible deck barge， surveying datum， contral surveying

1 概述

目前，沉管隧道已廣泛應(yīng)用于我國的跨江隧道建設(shè)。通常，大型的沉管結(jié)構(gòu)的預(yù)制是在陸地干塢上進(jìn)行，不僅費(fèi)工程費(fèi)用較大，而且還會(huì)對周圍環(huán)境會(huì)產(chǎn)生非常不良的影響。

采用半潛駁船作為移動(dòng)式浮船塢完成大型結(jié)構(gòu)預(yù)制件的制作，是一種理想的方案。該方案在縮短工期、減少造價(jià)、保護(hù)環(huán)境等方面具有很顯著的優(yōu)勢。

在移動(dòng)干塢上制作管段，技術(shù)上所存在的主要困難在于測量控制系統(tǒng)的建立。沉管管段制作的精度要求較高，在活動(dòng)的船上制作管段，制作精度的控制是保證工程成敗的關(guān)鍵。

在任何工程測量問題中，要獲得可靠的結(jié)果，必須有穩(wěn)定的測量基準(zhǔn)和符合儀器原理的工作方案。常規(guī)的工程測量一般是在陸地上進(jìn)行的，其中大地水準(zhǔn)面是常規(guī)測量時(shí)必需的基準(zhǔn)面。所有的大地測量儀器的結(jié)構(gòu)都是為在大地水準(zhǔn)面上進(jìn)行觀測而設(shè)計(jì)的，不管是高差測量或是水平角測量都以大地水準(zhǔn)面為測量基準(zhǔn)的。因?yàn)榇蟮厮疁?zhǔn)面是個(gè)物理面而不是數(shù)學(xué)面，所以無論經(jīng)緯儀還是水準(zhǔn)儀都必須通過與豎軸垂直的水準(zhǔn)管建立水平基準(zhǔn)面 。

在不穩(wěn)定的半潛駁上進(jìn)行測量工作，不可能象在陸地上一樣以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)。即使在制管前駁船具有較好的穩(wěn)定性，可以建立滿足大地測量基本條件的控制系統(tǒng)。但隨著工期的進(jìn)行，船上荷載不斷變化，駁船的穩(wěn)定性必然會(huì)受到破壞，加上船體在荷載會(huì)產(chǎn)生各種變形，從而使后續(xù)的工作中無法在以已有的控制系統(tǒng)為基準(zhǔn)。因此必需建立符合駁船工作條件的測量控制系統(tǒng)。

2 測量基準(zhǔn)

2.1 空間后方交會(huì)

為了保證在移動(dòng)干塢上制作管段或其它大型構(gòu)件時(shí)測量能在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行，首先需要建立有效的測量基準(zhǔn)點(diǎn)。如圖2.1所示，設(shè)有空間直角坐標(biāo)系 ，其中 軸代表經(jīng)緯儀的豎軸，旋轉(zhuǎn)平面代表水平度盤。當(dāng)經(jīng)緯儀整平時(shí)，水平度盤與大地水準(zhǔn)面平行。從數(shù)學(xué)角度上講，該坐標(biāo)系統(tǒng)共有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。因?yàn)闇y量時(shí)，經(jīng)緯儀的水平度盤是可以任意配置的，所以在推算儀器傾斜所引起的坐標(biāo)變換時(shí)，不必考慮繞豎軸旋轉(zhuǎn)的問題，實(shí)際上坐標(biāo)系的換算只需考慮旋轉(zhuǎn)平面的重合。

對于儀器在任意方向上存在一傾角，可以視為是原坐標(biāo)繞 軸旋轉(zhuǎn) 角度，繞 軸旋轉(zhuǎn) 角度后所得的新坐標(biāo)系 。

以上方程中共有5個(gè)未知數(shù)， 個(gè)物方已知點(diǎn)可以觀測 個(gè)獨(dú)立的水平角和 個(gè)獨(dú)立的豎直角。當(dāng)獨(dú)立方程的個(gè)數(shù)大于上述未知數(shù)個(gè)數(shù)時(shí)，可以通過最小二乘法求解該方程組，從而確定經(jīng)緯儀的狀態(tài)參數(shù)。

然而，由于觀測時(shí)的儀器狀態(tài)是處于 坐標(biāo)系下的，所以求解出的測站點(diǎn)坐標(biāo)也是該坐標(biāo)系下的 。對于 個(gè)控制點(diǎn)，存在 不同的坐標(biāo)系，因此必須對各測站點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)逆變換，將它們統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系下：

統(tǒng)一坐標(biāo)計(jì)算值的目的不僅在于確定各點(diǎn)平面坐標(biāo)之間的相對關(guān)系，更重要的是要利用各點(diǎn)的高差來對儀器進(jìn)行實(shí)際調(diào)整，使調(diào)整后的儀器都具有相同的姿態(tài)，以便今后進(jìn)行工程觀測。

通過后方交會(huì)建立控制系統(tǒng)按以下步驟進(jìn)行：

（1） 在駁船剛性較好的部位標(biāo)定5個(gè)以上的物方點(diǎn)，并通過陸地已知點(diǎn)經(jīng)過重復(fù)測量測定物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)；此時(shí)的物方點(diǎn)坐標(biāo)值為大地坐標(biāo)系中的數(shù)值。進(jìn)行上述測量過程的前提是駁船必須處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)駁船的穩(wěn)定性不符合要求時(shí)，也可首先以一臺(tái)儀器為基準(zhǔn)狀態(tài)，通過極坐標(biāo)法測定各物方點(diǎn)坐標(biāo)，但此時(shí)的坐標(biāo)系統(tǒng)與大地坐標(biāo)系無關(guān)。

（2） 在駁船適當(dāng)處設(shè)立工程所需的后交點(diǎn)，后交點(diǎn)的數(shù)量視制管工程的需要而定。后交測站采用固支腳架，為了避免每次測量都進(jìn)行后交測量，應(yīng)采用固定基座。

（3） 依前面所述，對各后交點(diǎn)進(jìn)行觀測，并計(jì)算統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

（4） 將設(shè)為基準(zhǔn)狀態(tài)儀器的望遠(yuǎn)鏡置90 （與豎軸垂直），并平標(biāo)出一條基準(zhǔn)線。

（5） 將各測站儀器的望遠(yuǎn)鏡置90 ，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡中心所掃出的平面線應(yīng)與基準(zhǔn)線存在一個(gè)高差，根據(jù)高差既可以用腳螺旋調(diào)整儀器狀態(tài)。

（6） 為了保證精度，1—5過程應(yīng)重復(fù)進(jìn)行。

在實(shí)施以上過程前，必須對儀器進(jìn)行檢校，盡可能地消除經(jīng)緯儀豎盤指標(biāo)差，或?qū)ωQ盤指標(biāo)差進(jìn)行嚴(yán)格地測定。

從理論上講，這一方法是完全可行的，但需要一定的數(shù)學(xué)處理步驟。從應(yīng)用角度考慮，可以采用更為簡單的方法。

2.2 船體坐標(biāo)基準(zhǔn)面的設(shè)置

盡管地球本身是個(gè)隨時(shí)都在運(yùn)動(dòng)著的物體，但在陸地上進(jìn)行的大地測量或工程測量，都是相對于地球?yàn)椴粍?dòng)體而言的。大地坐標(biāo)系是隨地球一起運(yùn)動(dòng)的，只要某一時(shí)期內(nèi)地球本身的變形可以忽略，就可以將地球作為靜止參考系。

同樣，構(gòu)件放置的基礎(chǔ)是駁船甲板，只要駁船甲板上的坐標(biāo)系相對船體靜止，并且駁船甲板的變形可以忽略或者可以識(shí)別，也就可以采用獨(dú)立的船體坐標(biāo)系作為工作基準(zhǔn)。

船體坐標(biāo)參考系的建立按以下步驟：

（1） 在工程實(shí)施前對儀器進(jìn)行檢校，消除經(jīng)緯儀豎盤指標(biāo)差，或?qū)ωQ盤指標(biāo)差進(jìn)行嚴(yán)格地測定。

（2） 在駁船首尾各固定兩根水準(zhǔn)標(biāo)尺，可能的情況下采用銦鋼尺。其中三把標(biāo)尺作為確定基準(zhǔn)面，另一把標(biāo)尺用于備用和檢核。

（3） 在駁船上合適位置設(shè)置6-8個(gè)固定測站，測站采用固支腳架。

（4） 在某一測站上安置經(jīng)緯儀（一號(hào)儀器）。儀器的安置應(yīng)使基座腳螺旋的方向如圖（4.5）所示，其中兩個(gè)腳螺旋的中心連線與駁船方向一致。當(dāng)經(jīng)緯儀的豎盤指標(biāo)差已消除時(shí)，將儀器望遠(yuǎn)鏡在盤左時(shí)的豎盤讀數(shù)固定在90 ，如果豎盤指標(biāo)差為 ，則將豎盤讀數(shù)固定在90 - ，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸與經(jīng)緯儀豎軸處于垂直狀態(tài)。

（5） 通過A﹑B腳螺旋調(diào)節(jié)，使望遠(yuǎn)鏡十字絲中心對準(zhǔn)前后兩把標(biāo)尺的相同讀數(shù)。

（6） 通過C腳螺旋調(diào)節(jié)，使望遠(yuǎn)鏡十字絲中心大致對準(zhǔn)中部標(biāo)尺的相同讀數(shù)。

（7） 檢查前后標(biāo)尺讀數(shù)，必要時(shí)重復(fù)上述過程。

（8） 記錄各標(biāo)尺上所有讀數(shù)。此時(shí)所得到的旋轉(zhuǎn)面既作為基準(zhǔn)面。

（9） 在所有固定腳架上安裝基座，以原先確定的基準(zhǔn)面測定個(gè)基座中心高程。測定個(gè)基座中心高程時(shí)可以采用小鋼尺，也可采用一段銦鋼尺。鋼尺讀數(shù)減去15公分，即是基座高程。這時(shí)所獲得的高程只作為近似值，為其它儀器尋找基準(zhǔn)面提供參考。

（10） 取下儀器旋轉(zhuǎn)部，基座作為固定基座。在以后的測量中只要將儀器旋轉(zhuǎn)部安上而不必進(jìn)行對中及尋找基準(zhǔn)面的工作。

（11） 測定高程后，在各固定基座上依次安放儀器，按與第一臺(tái)儀器間的高差瞄準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)。注意：在瞄準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)時(shí)，必然要調(diào)整腳螺旋而使基座高程改變，但只要各標(biāo)尺的讀數(shù)與一號(hào)儀器讀數(shù)的差值相等，就獲得了相同的基準(zhǔn)面，此時(shí)的讀數(shù)差即是與一號(hào)儀器間的真正高差。

確定各儀器的基準(zhǔn)面是一項(xiàng)重要工作，務(wù)必仔細(xì)。

3 測量精度

觀測精度與以下因素有關(guān)：（1）觀測者的因素；（2）外界條件的影響；（3）測量儀器的因素；（4）測量方案。前三個(gè)方面綜合起來稱觀測條件。在同樣的觀測條件下所進(jìn)行的觀測稱為等精度觀測，否則就是非等精度觀測。為了獲得滿足要求的觀測結(jié)果，需要預(yù)先估計(jì)測量誤差，以便擬定合理的工作方案。

為了保證測量達(dá)到一定的精度要求，除了所使用的儀器各軸系之間必須滿足應(yīng)有的幾何關(guān)系，還需要認(rèn)真分析在該工況下產(chǎn)生測量誤差的原因，從而制定消除或減弱誤差的基座用來支承整個(gè)儀器，并借助中心螺旋使經(jīng)緯儀與腳架結(jié)合。除此之外，基座有其更重要的作用。當(dāng)儀器的軸系完全滿足幾何關(guān)系時(shí)，儀器的整平、對中實(shí)際是對基座面的整平和基座中心孔的對中。利用基座的這一作用，在高精度重復(fù)測量時(shí)，可以采用固定基座的方法。這一方法屬于強(qiáng)制對中整平方法。

在所有建立在駁船上的固定測站上安置基座，并將儀器的照準(zhǔn)部依次放在各基座上。在獲得測量基準(zhǔn)面后，只取下照準(zhǔn)部，而將基座固定在腳架上。以后測量時(shí)，只須將照準(zhǔn)部插上即可，無須再進(jìn)行對中整平。這樣一方面速度快，另一方面消除了各次測量時(shí)的整平對中誤差，使觀測精度提高。

3.1 駁船控點(diǎn)的施測及精度分析

3.1.1控制點(diǎn)建立

廣州侖頭—生物島沉管隧道工程中移動(dòng)干塢管段制作為例，根據(jù)實(shí)際需要，首先在駁船甲板兩測設(shè)置6個(gè)控制點(diǎn)（圖3.1）。

為了保證制管誤差小于 的要求，控制點(diǎn)必須要求很高的精度，點(diǎn)位誤差應(yīng)小于 。通常的放點(diǎn)、放線是達(dá)不到這一精度要求的，必須采用嚴(yán)密平差方法求得各坐標(biāo)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，然后通過歸化法對點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整。

由以上計(jì)算可看出：

當(dāng)測角精度遠(yuǎn)高于測距精度時(shí)，應(yīng)充分利用角度觀測量。即使測距有較大誤差，依然可以將點(diǎn)位中誤差限制在 以內(nèi)。

4 結(jié)論

在駁船上設(shè)立坐標(biāo)系統(tǒng)并實(shí)施測量是可行的，為減少誤差和便于工作，應(yīng)采用固定支座和基座。

從理論上講，后交法可以用于求解各點(diǎn)的儀器姿態(tài)，但需要將各測站的基座調(diào)整到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)。

建立船體坐標(biāo)系統(tǒng)是一種實(shí)用方案，精度可以滿足構(gòu)件制作要求。

參考文獻(xiàn)

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