沉管隧道安裝測(cè)量塔投點(diǎn)貫通測(cè)量技術(shù)

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

0 引言

沉管隧道管節(jié)沉放控制的精度要求很高，非最終接頭的管節(jié)沉放對(duì)接軸線偏差允許值為±50 mm，最終接頭貫通面的偏差控制要求小于50 mm，這一貫通偏差控制要求明顯高于現(xiàn)有隧道工程貫通測(cè)量的規(guī)范規(guī)定[1]。沉管隧道由大型預(yù)制構(gòu)件對(duì)接安裝組成，隧道兩端口分別與東、西人工島暗埋段相連，受沉管隧道長(zhǎng)、沉放對(duì)接環(huán)境復(fù)雜、管節(jié)沉放水深大、測(cè)量控制點(diǎn)不穩(wěn)定等因素綜合影響，給貫通測(cè)量的精度控制帶來(lái)了非常大的技術(shù)難度；同時(shí)，由于沉管隧道進(jìn)、出口兩端均由人工島組成，受人工島的地形條件、潮汐、風(fēng)浪、人工島體沉降位移等因素影響，進(jìn)洞口測(cè)站定向邊偏短，自然會(huì)影響到進(jìn)洞定向的觀測(cè)精度[2]。因此，采用現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)手段如何實(shí)施并保證沉管隧道最終接頭的軸線偏差要求，對(duì)沉管隧道的準(zhǔn)確貫通起到了非常關(guān)鍵的作用。

1 工程概況

目前，國(guó)內(nèi)有代表性大型沉管隧道工程主要有已建設(shè)完工通車的港珠澳大橋沉管隧道工程和正在建設(shè)的深圳至中山跨江通道（簡(jiǎn)稱“深中通道工程”）沉管隧道工程。港珠澳大橋沉管隧道由33節(jié)混凝土沉管對(duì)接組成，深中通道沉管隧道由32節(jié)鋼殼沉管隧道對(duì)接組成，就沉管隧道安裝而言，深中通道沉管隧道管節(jié)體形更大，管節(jié)沉放控制的精度要求更高。為保證隧道預(yù)沉放管節(jié)和已沉放管節(jié)的安全對(duì)接，以及沉管隧道的最終順利貫通，結(jié)合沉管安裝工法，先后在港珠澳大橋與深中通道工程沉管安裝過(guò)程中，采用測(cè)量塔人孔井激光投點(diǎn)方法對(duì)管內(nèi)貫通測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢核驗(yàn)證。

2 投點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

2.1 投點(diǎn)方法研究

采用測(cè)量塔測(cè)控方法安裝沉管時(shí)，在管節(jié)首尾端會(huì)安裝格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量塔，用以安裝測(cè)量定位設(shè)備，測(cè)量塔高度根據(jù)管節(jié)沉放水深調(diào)節(jié)，始終保持測(cè)量定位設(shè)備露出水面[3]。測(cè)量塔內(nèi)部設(shè)計(jì)了人孔井，管節(jié)與測(cè)量塔之間設(shè)計(jì)人孔井蓋板，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式為通過(guò)測(cè)量塔向管內(nèi)投點(diǎn)創(chuàng)造了測(cè)量條件。沉管安裝期間，為確保沉管沉放對(duì)接安全，人孔井蓋板始終保持密封狀態(tài)，在管節(jié)安裝遇到應(yīng)急情況時(shí)，人可以進(jìn)入人孔井打開(kāi)蓋板進(jìn)入管內(nèi)。

通過(guò)設(shè)備調(diào)研，德國(guó)生產(chǎn)的飛巧瑪FG-L30天頂天底儀具備向上和向下投點(diǎn)功能，且距離30 m高度的理論投點(diǎn)精度可以達(dá)到±1 mm，適用于沉管隧道安裝測(cè)量塔投點(diǎn)。

在人孔井蓋板安裝前，事先在人孔井蓋板的正反面對(duì)稱標(biāo)記特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，作為向上和向下投點(diǎn)傳遞同軸點(diǎn)。投點(diǎn)時(shí)機(jī)選擇在管節(jié)沉放結(jié)束，管節(jié)點(diǎn)鎖回填完成后，管節(jié)、測(cè)量塔及人孔井均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，結(jié)合使用GPS接收機(jī)和天頂天底儀向管內(nèi)進(jìn)行投點(diǎn)[4]。測(cè)量塔投點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 管內(nèi)投點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-pipe projected points

2.2 投點(diǎn)支架制作

測(cè)量塔頂向管內(nèi)投點(diǎn)主要受管節(jié)縱坡、測(cè)量塔高度、人孔井直徑以及投點(diǎn)視線與人孔井中心的偏移量等因素的共同影響。為提升投點(diǎn)工作效率，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，設(shè)計(jì)制作一個(gè)同時(shí)具備調(diào)平和水平方向移動(dòng)功能的投點(diǎn)支架，投點(diǎn)支架上固定安裝同軸基座。投點(diǎn)支架采用不銹鋼材質(zhì)，固定焊接安裝在測(cè)量塔頂護(hù)欄上，確保投點(diǎn)支架穩(wěn)定性，見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)量塔人孔井投點(diǎn)支架安裝示意圖Fig.2 Sketch map of bracket installation for projected points in manhole well of measuring tower

投點(diǎn)支架安裝完成后，在深塢內(nèi)管節(jié)沉放演練期間，將管節(jié)調(diào)整至待安管節(jié)的設(shè)計(jì)縱坡?tīng)顟B(tài)，進(jìn)行人孔井從上到下投點(diǎn)視線通道遮擋測(cè)試，通過(guò)移動(dòng)調(diào)整投點(diǎn)支架上的同軸基座避開(kāi)遮擋物。

2.3 人孔井蓋板正反面同軸點(diǎn)標(biāo)定

人孔井蓋板正反面標(biāo)記的同軸點(diǎn)，是自上向下傳遞投點(diǎn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，必須保證正反面特征點(diǎn)嚴(yán)格對(duì)稱，在人孔井蓋板安裝前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密的測(cè)量標(biāo)定。

首先利用鋼板尺丈量出蓋板正面的中心線，在蓋板中心線上標(biāo)記出3～4個(gè)（考慮備用）特征點(diǎn)并用鋼板尺丈量出相鄰特征點(diǎn)間距，用全站儀采集每個(gè)特征點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系；然后將人孔井蓋板翻轉(zhuǎn)至反面，利用鋼角拐尺將正面的中心線投射到反面上，并在反面中心線上按照正面特征點(diǎn)的間距標(biāo)記出特征點(diǎn)；最后再用全站儀采集反面特征點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，并與正面的特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比檢核，保證正反面特征點(diǎn)的相對(duì)對(duì)稱關(guān)系誤差不大于2 mm。

2.4 投點(diǎn)工作流程

由于受風(fēng)浪、海流、潮汐等因素影響，管節(jié)在著床之后，測(cè)量塔有微擺動(dòng)現(xiàn)象，所以采取從人孔井內(nèi)向上向下的投點(diǎn)方式，投點(diǎn)見(jiàn)圖3。具體投點(diǎn)實(shí)施步驟為：

圖3 人孔井向上向下投點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of upward and downward projected points in manhole well

1）在天頂天底儀使用前，對(duì)儀器管水準(zhǔn)氣泡和i角進(jìn)行校正，儀器做到轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整4個(gè)方向的管水準(zhǔn)氣泡均居中、投點(diǎn)誤差不大于2 mm。

2）在管節(jié)完成鎖定回填后，測(cè)量人員在人孔井蓋板上安置天頂天底儀，調(diào)整儀器對(duì)中事先做在人孔井蓋板上表面ZD1點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)天頂天底儀向測(cè)量塔頂部投點(diǎn)，指揮頂部操作人員移動(dòng)GPS天線位置與ZD1同軸。

3）采集GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)，得到ZD1隧道工程坐標(biāo)。

4）在管節(jié)內(nèi)部，人孔井正下方架設(shè)天頂天底儀，調(diào)整儀器位置并對(duì)中人孔井蓋板下表面ZD2點(diǎn)（ZD2與ZD1同軸）。

5）倒轉(zhuǎn)天頂天底儀，將所投點(diǎn)ZD2投在管內(nèi)地面上，記為點(diǎn)ZD3。

6）采用貫通測(cè)量導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)出點(diǎn)ZD3的隧道工程坐標(biāo)。

7）比對(duì)投點(diǎn)和導(dǎo)線網(wǎng)得到坐標(biāo)的差值，檢核貫通測(cè)量成果。

3 投點(diǎn)精度評(píng)估

激光投點(diǎn)是將一臺(tái)激光投點(diǎn)儀安置在豎井上方，投點(diǎn)儀發(fā)出一條激光束，根據(jù)激光光斑位置確定激光光束中心點(diǎn)。中心點(diǎn)偏離鉛垂激光束的線量偏差即為激光的投點(diǎn)誤差，主要有以下誤差源：激光投點(diǎn)儀本身的儀器誤差；儀器的安置誤差（對(duì)中誤差）；井下確定激光光斑中心點(diǎn)的誤差；井筒內(nèi)滴水、氣流、水霧、大氣折光等外界條件引起的誤差[5]。

1）儀器誤差

儀器置平后，儀器誤差主要指儀器豎軸誤差。按激光投點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)要求，儀器豎軸與軸套間的最大夾角不得超過(guò)水準(zhǔn)管格值的0.2～0.5倍，取極值0.5τ，則由此而引起的投點(diǎn)誤差m1為：

式中：τ為水準(zhǔn)管分劃值，mm；s為投點(diǎn)深度，m；ρ為固定常數(shù)，ρ=206 265。

2）儀器安置誤差

一般說(shuō)來(lái)，激光投點(diǎn)儀應(yīng)安置在井筒中心位置上（也可以不在井中位置），根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，儀器安置誤差1～2 mm，取極大值m2=±2 mm。

3）確定激光光斑中心點(diǎn)的誤差

此項(xiàng)誤差取決于激光光斑的大小，光斑邊界的清晰程度，光斑的穩(wěn)定性（無(wú)抖動(dòng)變形）等多種因素。對(duì)于精度1/20 000的激光投點(diǎn)儀，投點(diǎn)深度50 m左右時(shí)，可取確定激光光斑中心點(diǎn)的誤差m3=±3 mm。

4）外界條件引起的誤差

井筒內(nèi)的淋水、氣流、水霧，尤其是濃度較大的水霧將會(huì)影響激光光束的穿透能力，使激光光斑發(fā)生抖動(dòng)變形或成像不清。另外大氣折光也將激光光束不同程度地偏離鉛垂位置。準(zhǔn)確估算這些因素對(duì)激光投點(diǎn)誤差的影響是很困難的。但在投點(diǎn)前，可根據(jù)井筒情況采取積極措施，將其對(duì)激光投點(diǎn)誤差的影響降低至最低限度。上述諸多因素中，以淋水和濃度較大的水霧對(duì)激光光束的影響最為顯著，因此，安置激光投點(diǎn)儀時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)淋水較大的地方投點(diǎn)。當(dāng)井筒內(nèi)水霧濃度較高時(shí)，可采取消霧措施。根據(jù)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)資料，井深在500 m范圍內(nèi)時(shí)，外界條件對(duì)投點(diǎn)誤差的影響可忽略不計(jì)。

綜上所述，激光投點(diǎn)誤差m投，主要受儀器豎軸誤差m1、儀器安置誤差m2、確定激光光斑中心點(diǎn)的誤差m3等誤差的綜合影響，即：

取s=50 m，τ=20″/2 mm，可得：m投=3.73 mm。

可見(jiàn)，激光投點(diǎn)具有很高的精度，現(xiàn)場(chǎng)投點(diǎn)驗(yàn)證的誤差主要取決于測(cè)量塔頂端點(diǎn)位的GPS測(cè)量誤差和測(cè)量塔晃動(dòng)造成的干擾[6]。

4 現(xiàn)場(chǎng)精度比對(duì)

在港珠澳大橋和深中通道沉管隧道安裝貫通測(cè)量中，為了增加沉管隧道安裝貫通測(cè)量的檢核條件，在管節(jié)沉放結(jié)束、鎖定回填后，使用GPS接收機(jī)架設(shè)測(cè)量塔的人工井頂進(jìn)行GPS靜態(tài)觀測(cè)，使用天頂天底儀在人孔井內(nèi)進(jìn)行投點(diǎn)，投點(diǎn)結(jié)果和洞內(nèi)導(dǎo)線貫通測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合比對(duì)，檢核沉管隧道安裝貫通測(cè)量精度及可靠性。

1）港珠澳大橋沉管隧道安裝測(cè)量比對(duì)

2016年3月31日港珠澳大橋沉管隧道完成E25管節(jié)安裝時(shí)，測(cè)量塔高度超過(guò)30 m。臨近沉管隧道最終接頭，西人工島至最終接頭貫通面西端洞內(nèi)聯(lián)合雙導(dǎo)線敷設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到5 300 m，為了確保沉管隧道安裝貫通測(cè)量線形準(zhǔn)確，采用人孔井投點(diǎn)結(jié)果和洞內(nèi)聯(lián)合雙導(dǎo)線網(wǎng)貫通測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)[7-8]。

E25管節(jié)人孔井投點(diǎn)成果與貫通測(cè)量成果作比較，GPS靜態(tài)投點(diǎn)和貫通測(cè)量結(jié)果X、Y差值分別為-11.2 mm和1.3 mm?？紤]到洞內(nèi)聯(lián)合雙導(dǎo)線網(wǎng)和投點(diǎn)的測(cè)量誤差，成果差值在誤差范圍之內(nèi)。

2）深中通道沉管隧道安裝測(cè)量精度比對(duì)

深中通道E1—E8管節(jié)貫通測(cè)量導(dǎo)線由于受左右車道水箱遮擋影響，只能在中廊道敷設(shè)支導(dǎo)線，E7管節(jié)支導(dǎo)線敷設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到1 600 mm，缺乏必要的檢核條件。2021年1月22日，深中通道沉管隧道完成E7管節(jié)的安裝，測(cè)量塔高度接近40 m，采用人孔井投點(diǎn)和洞內(nèi)支導(dǎo)線貫通測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證沉管安裝貫通測(cè)量精度。

E7管節(jié)人孔井投點(diǎn)成果與貫通測(cè)量成果作比較，GPS靜態(tài)投點(diǎn)和貫通測(cè)量結(jié)果X、Y差值分別為-1.1 mm和-1.9 mm，說(shuō)明目前采用的支導(dǎo)線精度和可靠性滿足當(dāng)前沉管安裝貫通測(cè)量精度要求。從而驗(yàn)證了本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的沉管安裝分階段逐級(jí)控制的貫通測(cè)量方案科學(xué)與合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

沉管隧道安裝測(cè)量塔投點(diǎn)檢核貫通測(cè)量精度方法，通過(guò)在港珠澳大橋沉管隧道安裝中的應(yīng)用，港珠澳大橋沉管隧道達(dá)到12 mm的貫通精度，說(shuō)明測(cè)量塔投點(diǎn)方法科學(xué)合理，現(xiàn)場(chǎng)可操作實(shí)施性強(qiáng)，其精度和可靠性滿足海上長(zhǎng)距離沉管隧道貫通測(cè)量的技術(shù)要求。在深中通道沉管隧道前期安裝過(guò)程中應(yīng)用證明，投點(diǎn)測(cè)量的坐標(biāo)具有很高的精度，投點(diǎn)誤差可以控制在理論分析的誤差范圍之內(nèi)，可以繼續(xù)指導(dǎo)深中通道后續(xù)沉管隧道貫通測(cè)量施工，同時(shí)為其他類似的海洋工程施工提供參考。