港珠澳大橋沉管隧道最終接頭測控技術(shù)

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(fù)沉放、對接的一種工法，在最終沉放管節(jié)的端部必然會產(chǎn)生施工間隙，將此間隙進(jìn)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(shù)[2]，鋼殼內(nèi)灌注混凝土形成三明治組合結(jié)構(gòu)[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(nèi)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(guān)特征點進(jìn)行端鋼殼端面所有標(biāo)定特征點坐標(biāo)的精確推算并進(jìn)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(biāo)系的定義與特征點布設(shè)

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(shè)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(biāo)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(biāo)系如圖3所示。

圖3 管節(jié)坐標(biāo)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(yù)制完成后通過標(biāo)定可以得到管節(jié)端面任意特征點P在管節(jié)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（X，Y，H），管節(jié)端面底邊線理論中點O在工程坐標(biāo)系的坐標(biāo)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(biāo)旋轉(zhuǎn)縱傾→旋轉(zhuǎn)橫傾→平移至工程坐標(biāo)系→平面旋轉(zhuǎn)軸線方位角的順序進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[4]，得到P點的工程坐標(biāo)（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(biāo)計算公式進(jìn)行各變量的全微分[5]。

再根據(jù)坐標(biāo)計算公式進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)求取，得端面點坐標(biāo)分量同各變量的偏導(dǎo)數(shù)。

從端面特征點坐標(biāo)分量的全微分公式可以看出，影響端面特征點坐標(biāo)計算的主要因素為尾端端鋼殼中心坐標(biāo)（x0，y0，h0）、端鋼殼特征點管節(jié)坐標(biāo)（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(jù)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(yù)計[6]、導(dǎo)線布設(shè)方法[7]、陀螺定向邊加測[8]等一系列研究，經(jīng)多次優(yōu)化和驗證，形成了一種新的沉管隧道控制網(wǎng)網(wǎng)形“雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)”，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(nèi)貫通測量進(jìn)行測定；2）在二次標(biāo)定時對雙測量塔特征點進(jìn)行標(biāo)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(zhǔn)引入管內(nèi)進(jìn)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(biāo)定時標(biāo)定管節(jié)特征點并在管節(jié)安裝后貫通測量時進(jìn)行橫傾測定；2）在管節(jié)一次標(biāo)定時標(biāo)定傾斜儀，二次標(biāo)定時進(jìn)行校準(zhǔn)并在管節(jié)安裝時進(jìn)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(biāo)定時標(biāo)定管節(jié)特征點并在管節(jié)安裝后貫通測量時進(jìn)行軸線方位角測定；2）在管節(jié)二次標(biāo)定時標(biāo)定測量塔特征點并在管節(jié)安裝時進(jìn)行軸線方位角測定。

根據(jù)測量方法進(jìn)行測量精度分析，可以得出各分項測量誤差，然后依據(jù)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(jié)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(jié)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(jié)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)格測量外還應(yīng)控制端面水平向偏角以及豎向偏角。

2.2 最終接頭標(biāo)定

在最終接頭預(yù)制、舾裝完成之后，對其進(jìn)行標(biāo)定，為最終接頭安裝及貫通提供參數(shù)依據(jù)，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(shè)

最終接頭需要布設(shè)的特征點包括：端面特征點、內(nèi)部貫通點、頂部特征點和測量塔特征點。

1）端面特征點布設(shè)

最終接頭端面特征點布設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)相同，在側(cè)墻內(nèi)邊沿處使用自貼式反射片布設(shè)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(jù)依據(jù)。

2）管內(nèi)特征點布設(shè)

最終接頭內(nèi)部布設(shè)2個貫通點特征點，在最終接頭安裝結(jié)束，提供貫通比對和傾斜初值。

3）管頂特征點布設(shè)

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

4）測量塔特征點布設(shè)

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(shè)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(shè)4個測量塔標(biāo)定特征點。

2.2.2 最終接頭標(biāo)定方法

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

1）獨(dú)立工程控制網(wǎng)建立

為便于最終接頭標(biāo)定，在船體甲板上，以最終接頭縱向方向為X軸，建立獨(dú)立控制網(wǎng)，如圖4所示，采用邊角網(wǎng)的形式進(jìn)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(zhǔn)測量方法進(jìn)行測量，在平面控制網(wǎng)測量階段可使用三角高程的方法進(jìn)行復(fù)核測量。

2）浮態(tài)標(biāo)定

圖4 最終接頭獨(dú)立控制網(wǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of final joint independent control network

依據(jù)最終接頭傾斜儀數(shù)據(jù)，通過船舶壓載水系統(tǒng)將船體甲板調(diào)平，利用獨(dú)立工程控制網(wǎng)點架設(shè)全站儀進(jìn)行標(biāo)定。浮態(tài)標(biāo)定的技術(shù)難題是控制基準(zhǔn)面和測量基準(zhǔn)面不平行，標(biāo)定期間應(yīng)根據(jù)船舶姿態(tài)情況適時關(guān)閉儀器自動補(bǔ)償器，確保測量儀器與船舶運(yùn)動狀態(tài)一致。最終接頭標(biāo)定見圖5。

圖5 最終接頭特征點標(biāo)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(zhǔn)全站儀、精密傾斜儀、不同距離無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)及視頻設(shè)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(biāo)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(biāo)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(shè)計及施工精度要求。

3.2 預(yù)警輔助系統(tǒng)

最終接頭安裝過程中的重大安全風(fēng)險之一是最終接頭與E29/E30管節(jié)端面的碰撞，為規(guī)避風(fēng)險、確保安全，在測控系統(tǒng)中增設(shè)了防碰撞預(yù)警輔助系統(tǒng)。預(yù)警系統(tǒng)在最終接頭端面安裝聲吶測距設(shè)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(shè)置的安全距離，系統(tǒng)將自動報警提示，此時須及時調(diào)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(nèi)部安裝的精密傾斜儀可以實時測定最終接頭的姿態(tài)。當(dāng)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(jù)及調(diào)整量。

在塢內(nèi)使用吊點處4個測點標(biāo)定傾斜儀初始值，在姿態(tài)調(diào)整軟件中輸入傾斜校正參數(shù)。預(yù)設(shè)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(diào)整過程中超出報警值時，軟件通過紅色閃爍限差圓進(jìn)行提示，最終接頭安裝暫停，用起重船纜繩調(diào)整至姿態(tài)正確后繼續(xù)施工。

在最終接頭頂部外側(cè)4個吊點附近各布設(shè)1個姿態(tài)測點，測點調(diào)整量實時顯示在系統(tǒng)界面中，根據(jù)軟件顯示對吊機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作，姿態(tài)調(diào)整如圖7所示。

圖7 吊纜姿態(tài)調(diào)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(wǎng)“雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)”進(jìn)行貫通測量，測量結(jié)果顯示最終接頭安裝達(dá)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(jié)語

最終接頭是沉管隧道施工的關(guān)鍵工序，而最終接頭測控技術(shù)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(yīng)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(biāo)定、安裝過程的精確定位和姿態(tài)控制等技術(shù)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(dǎo)作用。