外海人工島施工測量控制網(wǎng)使用與管理探討

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋和深中通道兩個跨海通道工程所處地域都在珠江口外，施工主體工程內(nèi)容都包含人工島和沉管隧道（簡稱“島隧工程”）。其中，外海人工島工程遠離海岸，是連接跨海通道橋梁與隧道的紐帶，基本功能是實現(xiàn)海上橋梁和隧道的順利銜接，滿足島上建筑物布置需要，并提供基本掩護功能，保障主體建筑物（島上隧道）的順利建設(shè)和正常運營[1]。所以，外海人工島施工具有施工周期長、施工空間狹窄、工序繁瑣復雜、測量精度要求高、成島后島體很長一段時間處于沉降位移不穩(wěn)定狀態(tài)等顯著特點。島隧工程測量控制網(wǎng)作為島隧各階段工序施工銜接的定位控制基準，是保障工程施工順利進展與決定工程建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵，在上述苛刻復雜的施工條件下，如何合理建立覆蓋施工全周期的穩(wěn)定施工控制網(wǎng)的重要性不言而喻，控制網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃尤為重要。

控制網(wǎng)如何滿足施工定位精度需求是測量工作需要首先研究解決的問題，施工全過程控制點長期保存和合理使用也是測量工作管理的重難點。孫丕川等（2014）[2]研究了港珠澳大橋島隧工程GPS控制點穩(wěn)定性。沈家海等（2015）[3]總結(jié)了港珠澳大橋西人工島施工測量控制網(wǎng)測設(shè)技術(shù)。成益品等（2016）[4]對港珠澳大橋島隧工程東西人工島精密跨海高程傳遞測量技術(shù)進行系統(tǒng)研究總結(jié)。張超等（2016）[5]對海中測量平臺的主要功能進行闡述。張超等（2018）[6]對海中測量平臺的穩(wěn)定性進行監(jiān)測與分析，提出測量平臺可用于建立工程測量基準的觀點。

當前，跨海通道島隧工程控制網(wǎng)測量相關(guān)研究主要集中在控制網(wǎng)測量技術(shù)、人工島施工定位與海上測量平臺點位穩(wěn)定性研究方面。本文貫通島隧工程施工各個階段對外海人工島施工控制網(wǎng)從網(wǎng)形設(shè)計到規(guī)劃選址與埋設(shè)，再到使用及維護等方面測量管理工作進行系統(tǒng)闡述，為后續(xù)跨海通道島隧工程施工控制網(wǎng)的管理提供借鑒。

1 島隧工程測量控制網(wǎng)布設(shè)總體思路

人工島上建筑物精密施工測量放樣和沉管隧道施工測量中管節(jié)安裝定位、貫通測量、沉降位移監(jiān)測都需要精確穩(wěn)定的控制點，所以，島隧工程測量控制網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計要覆蓋人工島與沉管隧道全周期的施工。結(jié)合島隧工程施工組織總體安排，遵循“先整體后局部，分級布網(wǎng)，逐級控制”的原則，做到整體工程系統(tǒng)控制，局部分項工程精密測量[7-8]?？傮w來講，島隧工程施工測量控制網(wǎng)布設(shè)可劃分為3個主要階段。

1）人工島成島前

人工島成島前，選擇在人工島周邊不影響施工的開闊區(qū)域建設(shè)海上測量平臺，用于建立人工島成島施工測量定位控制基準。測量平臺建設(shè)數(shù)量具體視工程實際需求而定。若有多個測量平臺宜連續(xù)建設(shè)完成，便于建立統(tǒng)一的測量平臺測量基準。

2）人工島成島后

人工島成島后，臨時防臺圍堰施工完成，選擇在沉降位移較為穩(wěn)定的鋼圓筒副格或防臺圍堰上均勻布設(shè)控制點，主要用于島上隧道段和沉管安裝前期貫通測量施工測量定位?？刂泣c統(tǒng)一采用GNSS靜態(tài)觀測，提高觀測精度。島上隧道段沉管對接端施工可單獨加密布設(shè)控制網(wǎng)點，采用導線測量形式觀測成果。

3）人工島主體建筑完工

待人工島上隧道段主體結(jié)構(gòu)施工完成且沉降穩(wěn)定后，臨時防臺圍堰逐步拆除，擋浪墻開始施工，根據(jù)現(xiàn)場測量放樣需求，可選擇在島上隧道段結(jié)構(gòu)頂、擋浪墻和非通航孔橋上布設(shè)控制點，用于局部施工放樣和沉管隧道后期貫通測量?？刂泣c保留直至工程驗收測量完成。

2 港珠澳大橋東西人工島測量控制網(wǎng)布設(shè)方法

2.1 測量基準建立

港珠澳大橋主體工程島隧工程全長約7 440 m，由東、西人工島和沉管隧道組成。在東、西人工島北側(cè)約350 m位置分別建設(shè)1座海上測量平臺（鋼管樁基礎(chǔ)+鋼結(jié)構(gòu)平臺形式），用于人工島成島和沉管安裝施工測量控制。測量平臺平面基準采用衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)的形式，按照國家公路二等GPS測量技術(shù)要求與港珠澳大橋首級控制網(wǎng)聯(lián)測建立。高程基準通過跨海水準測量方法由香港大嶼山傳遞獲取。

2.2 點位布設(shè)形式

東、西人工島分別由59個和61個直徑22 m，高度40.5～50.5 m的鋼圓筒構(gòu)成。島體平面整體呈橢圓形，軸線長度均為625 m，橫向最寬處約215 m。成島后，選擇鋼圓筒內(nèi)或鋼圓筒副格內(nèi)分別布設(shè)6個控制網(wǎng)點，控制網(wǎng)點布設(shè)位置見圖1。

圖1 港珠澳大橋東人工島控制網(wǎng)點布設(shè)位置示意圖Fig.1 Control points on the East Artificial Island for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

根據(jù)現(xiàn)場條件及控制點穩(wěn)定性要求，控制點基礎(chǔ)采用打設(shè)3根32.5 mm直徑鋼管樁，打設(shè)深度10 m，露出地面3 m，其上焊接觀測平臺和觀測墩，埋設(shè)強制對中裝置觀測墩。待島上隧道暗埋段建設(shè)完成后，在暗埋段頂布設(shè)控制點，采用高1.3 m鋼結(jié)構(gòu)三腳架形式，頂部焊接強制對中裝置。

2.3 控制點穩(wěn)定性對比分析

控制網(wǎng)平面按照公路二等GPS觀測技術(shù)要求與測量平臺基準聯(lián)測，高程按照二等跨海水準測量要求從測量平臺向人工島傳遞獲取?？刂泣c布設(shè)前期每1個月進行1次穩(wěn)定性檢測，每3個月進行1次復測，將歷次解算成果進行匯總對比，計算各點在平面坐標（X坐標分量表示島體寬度方向，Y坐標分量表示島體長度方向）、85高程（H表示島體豎向）等各分量上的累計變化量，對點位的穩(wěn)定性進行量化的分析。

鋼圓筒內(nèi)控制點2012年11月完成首期觀測，統(tǒng)計截止2015年6月復測數(shù)據(jù)可知，控制點沉降位移變化不均勻，水平方向普遍向島內(nèi)方向位移（主要受島內(nèi)開挖和重載車輛頻繁從控制點附近經(jīng)過影響），個別點向島外方向位移（主要受大型施工船舶?？繋Ю|影響）。高程受島體自然沉降不可避免地發(fā)生沉降[9]。其中，布設(shè)在鋼圓筒內(nèi)控制點水平位移X分量最大達12.1 cm，沉降量最大39.6 cm，主要是因控制點布設(shè)在鋼圓筒內(nèi)，回填沙基礎(chǔ)加上單個鋼圓筒易發(fā)生水平位移的影響，導致控制點水平位移和沉降量增大。而布設(shè)在2個鋼圓筒之間副格上的控制點，水平位移X、Y分量最大均不到2.8 cm，沉降量最大6.1 cm，這是由于控制點基礎(chǔ)同時焊接在2個鋼圓筒上，提高其整體抗震及抗位移能力。

島上隧道段和非通航孔橋橋墩上控制點2014年11月完成首期觀測，統(tǒng)計截止2015年6月復測數(shù)據(jù)可知，點位水平位移X、Y分量和高程最大均不到0.8 cm，說明PHC群樁基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)相比鋼圓筒基礎(chǔ)，可以有效降低控制點的水平位移和沉降量。

3 深中通道西人工島測量控制網(wǎng)布設(shè)方法

3.1 測量基準建立

深中通道主體工程島隧工程由東、西人工島和沉管隧道組成。東人工島與陸地相連，西人工島處于寬闊的海域。在西人工島北側(cè)約200 m位置建設(shè)1座海上測量平臺（灌注樁基礎(chǔ)+混凝土結(jié)構(gòu)平臺形式），用于人工島成島和沉管安裝施工測量控制。測量平臺平面基準采用衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)的形式，按照國家公路二等GPS測量技術(shù)要求與深中通道首級控制網(wǎng)聯(lián)測建立。高程基準通過跨海水準測量方法由東人工島陸地傳遞獲取。

3.2 點位布設(shè)形式

深中通道西人工島由57個直徑28 m、高度35.5～39.0 m的鋼圓筒構(gòu)成，島體平面整體呈風箏形，軸線長度625 m，橫向最寬處約456 m。結(jié)合島體形狀及特點，成島后，在防臺膜袋圍堰形成后，選擇在沉降位移穩(wěn)定鋼圓筒頂部的防臺圍堰上布設(shè)6個控制點，主要用于島上隧道段和非通航孔橋的施工測量?？刂凭W(wǎng)點布設(shè)位置見圖2。

圖2 深中通道西人工島控制網(wǎng)點布設(shè)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of location of the control survey points on the West Artificial Island for Shenzhen-Zhongshan Link

為保證控制點穩(wěn)定性及使用要求，結(jié)合港珠澳大橋東西人工島布設(shè)經(jīng)驗，選擇在防臺膜袋圍堰頂澆筑混凝土觀測平臺。觀測平臺為底座設(shè)計高度0.4 m，長寬1.2 m×1.2 m的混凝土結(jié)構(gòu)，平臺中間設(shè)置直徑350 mm的PVC管，內(nèi)設(shè)鋼筋籠，澆筑混凝土，作為觀測墩，墩頂部設(shè)置強制歸心裝置，用混凝土澆筑。

人工島施工高程的基準點采用PHC樁基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)分別在西小島和西大島內(nèi)建立，保證了不同施工階段施工高程基準的穩(wěn)定傳遞與精準銜接。

3.3 控制點穩(wěn)定性對比分析

控制網(wǎng)平面按照公路二等GPS觀測技術(shù)要求與測量平臺基準聯(lián)測，高程按照二等跨海水準測量要求從測量平臺向人工島傳遞獲取?？刂泣c布設(shè)前期每1個月進行1次穩(wěn)定性檢測，每3個月進行1次復測，將歷次解算成果進行匯總對比，計算各點在平面坐標、85高程等各分量上的累計變化量，對點位的穩(wěn)定性進行量化的分析。

防臺膜袋圍堰上控制點2018年11月首期觀測，統(tǒng)計截至2021年6月復測數(shù)據(jù)可知，控制點水平位移X、Y、H分量最大分別為1.30 cm、1.11 cm、5.19 cm（為同一個點），主要是因控制點靠近臨時碼頭，施工船舶頻繁靠船影響，導致控制點水平位移和沉降量增大。其它控制點水平方向位移均在0.5 cm左右，沉降量在4 cm之內(nèi)，控制點水平方向未發(fā)生較大位移，沉降受鋼圓筒整體自然沉降影響。灌注樁基礎(chǔ)高程基準點未發(fā)現(xiàn)沉降現(xiàn)象。

島上隧道段上布設(shè)控制點2020年5月首期觀測，統(tǒng)計截至2021年6月復測數(shù)據(jù)可知，點位水平位移X、Y分量和高程最大均不到0.2 cm。

4 結(jié)語

跨海通道外海人工島上每個階段開展的控制網(wǎng)測量工作，對于建立島隧工程統(tǒng)一的測量基準具有重要意義，為島上結(jié)構(gòu)施工和沉管安裝貫通測量等提供穩(wěn)定可靠的保障。通過深中通道與港珠澳大橋人工島布設(shè)控制網(wǎng)點穩(wěn)定性對比分析，深中通道人工島控制點穩(wěn)定性有較為明顯改善。結(jié)合跨海通道島隧工程測量實踐經(jīng)驗，提出以下外海人工島施工測量控制網(wǎng)布設(shè)思路及穩(wěn)定性保障措施：

1）人工島成島后，鋼圓筒很長一段時間處于沉降位移不穩(wěn)定狀態(tài)。而人工島臨時防臺圍堰膜袋混凝土搭接多個鋼圓筒，一定程度上提高鋼圓筒整體抗震及抗位移能力，所以，控制點盡可能多選擇在人工島防臺圍堰膜袋混凝土頂布設(shè)。待島上主體建筑施工完成，沉降穩(wěn)定后可以將控制點轉(zhuǎn)移至其結(jié)構(gòu)上，做好測量基準銜接。

2）人工島測量空間受限，控制網(wǎng)布設(shè)規(guī)劃結(jié)合施工組織總體安排，盡可能避開臨時便道、施工碼頭或經(jīng)?？坎磪^(qū)域。高程基準點要結(jié)合工程運營階段健康監(jiān)測設(shè)計規(guī)劃，在人工島島內(nèi)選址建立永久性灌注樁基礎(chǔ)觀測平臺，保障工程建設(shè)全周期施工測量基準的穩(wěn)定和統(tǒng)一。

3）人工島附近建立的海上測量平臺控制點，受風浪流影響不可避免地會產(chǎn)生震動，在進行人工島建筑物或沉管隧道平面位置精密測量時，一般只用作后視定向，不建議架設(shè)全站儀直接進行測量放樣。

4）人工島控制網(wǎng)建立初期，應加強島內(nèi)控制點穩(wěn)定性監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實時更新成果，后期待控制點穩(wěn)定后制定復測周期，并視現(xiàn)場施工情況決定是否變更控制網(wǎng)成果，保證各階段歷次控制網(wǎng)成果之間平穩(wěn)順接與過渡。