深中通道沉管隧道平面貫通測量方案研究設(shè)計(jì)

成益品，張浩強(qiáng)，張超，董理科，韓戰(zhàn)偉

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

0 引言

深中通道島隧工程隧道全長6845 m，其中，沉管隧道全長5035 m，由32個(gè)大型預(yù)制鋼殼管節(jié)對接安裝而成。沉管管節(jié)沉放對接平面貫通偏差允許值為±50 mm[1]，遠(yuǎn)高于國家現(xiàn)行測量規(guī)范貫通偏差要求。沉管隧道最終接頭的貫通面位于E23和E24管節(jié)之間，隧道西端與西人工島暗埋段相連，隧道東端與東人工島堰筑段水下連通。結(jié)合深中通道島隧工程總體規(guī)劃與施工部署，隧道貫通面兩端平面貫通測量方案設(shè)計(jì)不僅要考慮隧道長度、網(wǎng)形布設(shè)和管內(nèi)施工進(jìn)展影響，還要兼顧隧道貫通面東端受隧道洞口水下互通堰筑段封閉施工條件限制，不能采用常規(guī)的導(dǎo)線測量方法向洞內(nèi)引測基準(zhǔn)點(diǎn)的影響。

成益品等[2]通過港珠澳大橋沉管隧道貫通測量的工程實(shí)踐，探析了保證沉管隧道精密貫通的洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)形設(shè)計(jì)、精度評估及提高貫通精度的測量技術(shù)。李冠青等[3]主要針對港珠澳大橋沉管隧道導(dǎo)線測量受端封門影響的情況，通過理論分析、模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測，進(jìn)行了導(dǎo)線測量從行車道轉(zhuǎn)中管廊并延伸到隧道末端的方法及精度研究。李冠青等[4]針對港珠澳大橋沉管隧道的安全貫通問題，從隧道外GNSS網(wǎng)的布設(shè)及施測方法出發(fā)，通過對GNSS網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析，估算GNSS網(wǎng)引起的貫通誤差影響值。

目前沉管隧道平面貫通測量主要采用洞外GNSS觀測、洞內(nèi)導(dǎo)線測量方案。本文結(jié)合施工現(xiàn)場條件設(shè)計(jì)洞外“光學(xué)投點(diǎn)+GNSS靜態(tài)觀測”和洞內(nèi)導(dǎo)線測量組合的隧道貫通方案，通過理論精度評估和現(xiàn)場檢核驗(yàn)證，方案整體精度及穩(wěn)定性較好，滿足沉管隧道高精度貫通要求。

1 方案總體設(shè)計(jì)思路

按照沉管安裝驗(yàn)評要求，每節(jié)沉管安裝后進(jìn)行一次初始姿態(tài)貫通測量，考慮到沉管管節(jié)穩(wěn)定性影響，每節(jié)沉管安裝前進(jìn)行一次貫通控制網(wǎng)測量。

平面貫通測量控制網(wǎng)設(shè)計(jì)分洞外、洞內(nèi)及洞口聯(lián)系測量三部分。其中，洞外點(diǎn)與島隧施工控制網(wǎng)GNSS靜態(tài)聯(lián)測；洞內(nèi)點(diǎn)采用導(dǎo)線測量，洞內(nèi)網(wǎng)形結(jié)合管節(jié)安裝進(jìn)度和管內(nèi)測量作業(yè)條件動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)，在兩行車道布設(shè)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)；洞口聯(lián)系測量隧道貫通面西端采用導(dǎo)線測量方法，隧道貫通面東端采用“光學(xué)投點(diǎn)+GNSS靜態(tài)觀測”方法，在東島堰注段頂部施工支撐橫梁上搭設(shè)觀測平臺，用于向堰筑段內(nèi)投射貫通測量基準(zhǔn)點(diǎn)。觀測平臺安裝強(qiáng)制對中裝置，以降低投點(diǎn)儀器對中誤差，基準(zhǔn)點(diǎn)投射在預(yù)先澆筑好的混凝土觀測墩平臺上。

2 觀測技術(shù)指標(biāo)要求

根據(jù)沉管安裝貫通精度要求，結(jié)合JTG C10—2007《公路勘測規(guī)范》[5]和TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》[6]中有關(guān)規(guī)定，隧道貫通導(dǎo)線采用0.5″級全站儀配合機(jī)載程序測量，水平角采用全圓方向觀測法觀測12測回，半測回歸零差不大于4″，一測回內(nèi)2C互差不大于8″，同一方向值各測回互差不大于4″。導(dǎo)線測量測角中誤差不大于1″，方位角閉合差不大于（n為測站數(shù)），導(dǎo)線全長相對閉合差不大于1/100000。每測站測距邊氣象改正通過全站儀自動(dòng)改正。

3 網(wǎng)形設(shè)計(jì)及觀測方法

3.1 隧道貫通面西端

隧道貫通面西人工島端E1—E24沉管安裝網(wǎng)形設(shè)計(jì)，管外測站點(diǎn)與定向點(diǎn)采用GNSS靜態(tài)觀測，測站點(diǎn)與相應(yīng)定向點(diǎn)邊長控制約700 m，管內(nèi)外聯(lián)系測量利用全站儀全圓觀測法觀測。管內(nèi)布設(shè)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)，導(dǎo)線邊長控制約800 m，分別在E1、E6、E11、E16、E21管節(jié)左右車道布設(shè)。沉管隧道貫通面西端雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)見圖1。

圖1 沉管隧道貫通面西端雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)圖Fig.1 Double-linear joint lock net at the western end of the penetration surface of immersed tunnel

3.2 隧道貫通面東端

隧道貫通面東人工島端E23—E32沉管安裝網(wǎng)形設(shè)計(jì)，洞內(nèi)測站點(diǎn)與定向點(diǎn)通過洞頂“GNSS靜態(tài)觀測+光學(xué)投點(diǎn)”方法建立，分別在堰筑段的左行車道兩端頭投射進(jìn)洞測站點(diǎn)（LJD1、LJD2）、（RJD1、RJD2）和定向點(diǎn)（LJD3、LJD4）、（RJD3、RJD4），每個(gè)車道測站點(diǎn)與定向點(diǎn)邊長約450 m。左右車道定向點(diǎn)位設(shè)計(jì)在預(yù)留施工通道正下方，便于重復(fù)投點(diǎn)檢核。東人工島堰筑段內(nèi)投點(diǎn)位置分布見圖2。

圖2 東人工島堰筑段投點(diǎn)位置分布圖Fig.2 Location map of cast-in point of east artificial island weir construction section

東人工島端隧道位于曲線段上，受通視條件影響，洞內(nèi)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)導(dǎo)線邊長控制約400 m，分別在E30、E27、E25管節(jié)布設(shè)。在2個(gè)車道進(jìn)洞點(diǎn)（LJD1、LJD2）與（RJD1、RJD2）設(shè)站，后視定向邊，利用全圓觀測法進(jìn)洞觀測。沉管隧道貫通面東端雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)見圖3。

圖3 沉管隧道貫通面東端雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)Fig.3 Double-linear combination lock net at the eastern end of the penetration surface of immersed tunnel

4 貫通誤差預(yù)計(jì)

4.1 誤差分配

根據(jù)管節(jié)安裝驗(yàn)收允許偏差，沉管隧道橫向貫通限差按50 mm進(jìn)行控制，限差為2倍中誤差，則橫向中誤差為25 mm，以此作為沉管隧道貫通測量精度設(shè)計(jì)的依據(jù)。

設(shè)隧道外控制測量引起的橫向貫通誤差mS，西、東兩端隧道內(nèi)控制測量引起的橫向貫通誤差分別為mW、mE，則有mS2+mW2+mE2=m2。若按照等影響原則，即mS=mW=mE，則隧道外控制網(wǎng)和西、東端隧道內(nèi)控制網(wǎng)引起的橫向貫通誤差均為14.43 mm。

考慮隧道外控制采用GNSS網(wǎng)，隧道內(nèi)為狹長導(dǎo)線網(wǎng)，測量誤差影響值可以分配大一些，由于貫通面位于從西端起E23和E24管節(jié)之間，東人工島到貫通面距離約2 km，西人工島到貫通面距離約4.5 km。根據(jù)西端和東端隧道內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)的長度，把西人工島端和東人工島端的測量誤差比例關(guān)系定為2∶1，確定出地面GNSS網(wǎng)和隧道內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)測量引起的橫向貫通誤差分別為14.33 mm、16.66 mm（西人工島）和11.78 mm（東人工島）。

4.2 洞外控制網(wǎng)引起的隧道橫向貫通誤差估算

洞外定向邊點(diǎn)與測站點(diǎn)按照公路二等GNSS測量[7]。要想滿足上述貫通誤差分配3個(gè)條件，貫通測量設(shè)計(jì)要素需根據(jù)控制網(wǎng)實(shí)測結(jié)果優(yōu)化選取。根據(jù)深中通道島隧工程施工控制網(wǎng)歷期測量結(jié)果分析定向點(diǎn)的點(diǎn)位誤差以及起始方位角誤差，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于0.4 mm。所以對GNSS網(wǎng)引起的橫向貫通誤差進(jìn)行估算時(shí)，取0.4 mm為進(jìn)洞點(diǎn)的方向位差。

4.2.1 貫通面西端

西人工島行車道洞外采用三點(diǎn)定向，在西人工島洞口線路中線上布設(shè)洞口測站點(diǎn)，然后在進(jìn)洞點(diǎn)區(qū)域再各布設(shè)定向點(diǎn)，洞口測站點(diǎn)與相應(yīng)定向點(diǎn)邊長約700 m。西人工島洞外GNSS控制網(wǎng)引起的橫向貫通誤差主要由點(diǎn)位誤差，起算邊長誤差以及洞外起算邊方位角誤差組成。

西人工島進(jìn)洞方向的方位角中誤差估算：

式中：P為控制網(wǎng)中的待定點(diǎn)；A為已知點(diǎn)；σα為平差后方位角中誤差；ρ為固定常數(shù)，ρ=206265；為垂直于PA方向上的位差；SPA為PA的距離。

西島端洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為：

式中：M西外為測站點(diǎn)點(diǎn)位誤差和定向邊方位角誤差引起的橫向貫通誤差；Sy為測站點(diǎn)到貫通面的距離；Mα為定向邊的方位角誤差；Mx為測站點(diǎn)橫向點(diǎn)位誤差。

4.2.2 貫通面東端

東人工島行車道洞外兩點(diǎn)定向，在堰筑段西端左右車道線路中線上分別布設(shè)洞口測站點(diǎn)，在堰筑段東端區(qū)域再各布設(shè)2個(gè)定向點(diǎn)，測站點(diǎn)與相應(yīng)定向點(diǎn)邊長約450 m。

東人工島端進(jìn)洞導(dǎo)線定向邊點(diǎn)與進(jìn)洞點(diǎn)和島隧工程施工控制網(wǎng)聯(lián)測。進(jìn)洞導(dǎo)線定向邊點(diǎn)與進(jìn)洞點(diǎn)通過島隧施工控制網(wǎng)向堰筑段內(nèi)投射得到，所以東人工島洞外GNSS控制網(wǎng)引起的橫向貫通誤差除了要考慮點(diǎn)位誤差，起算邊長誤差以及洞外起算邊方位角誤差影響外，還要考慮投點(diǎn)誤差影響。

此方案中，先在堰筑段頂部埋設(shè)點(diǎn)位，記為TD，和島隧工程施工控制網(wǎng)聯(lián)測，確定點(diǎn)位坐標(biāo)；然后通過預(yù)留吊孔把TD點(diǎn)的坐標(biāo)投射到堰筑段內(nèi)部，投影點(diǎn)記為JX，即洞外控制網(wǎng)進(jìn)洞測站點(diǎn)。JX點(diǎn)的點(diǎn)位誤差M為：

式中：MTD為點(diǎn)TD的點(diǎn)位誤差；M投為投點(diǎn)誤差，包括投點(diǎn)儀的儀器誤差和對中、整平等誤差。

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；s為投點(diǎn)深度。

儀器安置誤差：根據(jù)以往實(shí)測經(jīng)驗(yàn)分析，儀器安置誤差1～2 mm，取極大值m2=±2 mm。

確定激光光斑中心點(diǎn)的誤差：對于精度為1/20000的激光投點(diǎn)儀，投點(diǎn)深度50 m左右時(shí)，可取確定光斑中心點(diǎn)的誤差m3=±3 mm。

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

取s=50 m，τ=20″/2 mm，代入式（5）得：m投=3.80 mm

東人工島堰筑段實(shí)際投點(diǎn)深度小于20 m，在投點(diǎn)條件良好的情況下，單點(diǎn)投點(diǎn)誤差可控制在m投=2 mm之內(nèi)，投射進(jìn)洞點(diǎn)和定向點(diǎn)兩點(diǎn)相對誤差為2.83 mm，小于平面控制網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差≤±5 mm的要求，取2 mm作為東人工島進(jìn)洞測站點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差。

同理，東人工島端最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差取投點(diǎn)誤差2 mm，進(jìn)洞方向的方位角中誤差估算為0.84″，東人工島端洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為8.25 mm。

洞外GNSS網(wǎng)引起的隧道橫向貫通誤差是8.67 mm，如式（6）計(jì)算，小于分配的誤差。

4.3 洞內(nèi)導(dǎo)線引起的隧道橫向貫通誤差估算

洞內(nèi)平面測量采用二等導(dǎo)線網(wǎng)，測角中誤差要求為1.0″。對雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)進(jìn)行估算，測角中誤差取1.0″，測邊誤差取所用儀器LeicaTS60的標(biāo)稱測距精度（1+D×10-6）mm，其中D為測距，km。

利用科傻軟件，按照設(shè)計(jì)的網(wǎng)形和測角、量邊精度，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到西人工島端導(dǎo)線網(wǎng)引起的橫向貫通誤差為16.02 mm，見表1，小于分配的誤差。

表1 西人工島端各點(diǎn)模擬計(jì)算點(diǎn)位精度Table 1 Simulation and calculation of point position accuracy at each point of west artificial island

利用科傻軟件，按照設(shè)計(jì)的網(wǎng)形和測角、量邊精度，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到東人工島端導(dǎo)線網(wǎng)引起的橫向貫通誤差為3.50 mm，見表2，小于分配的誤差。

表2 東人工島端各點(diǎn)模擬計(jì)算點(diǎn)位精度Table 2 Simulation and calculation of point position accuracy at each point of east artificial island

綜合洞外定向邊和洞內(nèi)控制網(wǎng)按照雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)布網(wǎng)引起的橫向貫通誤差，總的貫通測量誤差為mm=±18.55 mm，滿足深中通道沉管隧道貫通精度50 mm要求。

5 結(jié)語

深中通道沉管隧道貫通面西端E1—E10貫通測量導(dǎo)線網(wǎng)已測量了10期，通過歷期比對，貫通測量導(dǎo)線末端點(diǎn)X、Y最大偏差為0.2 mm和2.9 mm，平均偏差為0.1 mm和1.4 mm，貫通導(dǎo)線測量精度穩(wěn)定，結(jié)果可靠。

在堰筑段施工完成后，通過施工通道進(jìn)入堰筑段內(nèi)部對投點(diǎn)成果進(jìn)行精度檢核，采用全站儀極坐標(biāo)法測量坐標(biāo)與“投點(diǎn)+GNSS靜態(tài)觀測”成果做比較，中管廊點(diǎn)位X、Y最大差值分別為-2.0 mm和1.3 mm、左行車道點(diǎn)位X、Y最大差值分別為-0.7 mm和1.1 mm、右行車道X、Y最大差值分別為-0.1 mm和1.3 mm?？紤]到全站儀測量和投點(diǎn)與GNSS靜態(tài)觀測的測量誤差，成果差值在理論分析的誤差范圍之內(nèi)。

通過深中通道沉管隧道貫通面西端E1—E10管節(jié)安裝貫通測量實(shí)踐檢驗(yàn)與東端點(diǎn)位偏差檢核結(jié)果分析看，說明研究設(shè)計(jì)的沉管隧道貫通測量方案總體科學(xué)，其精度和可靠性滿足深中通道沉管隧道貫通測量的技術(shù)要求，可以繼續(xù)指導(dǎo)深中通道后續(xù)沉管隧道貫通測量施工。