港珠澳大橋沉管隧道導線布設方法研究

李冠青，黃聲享，2

(1．武漢大學測繪學院，湖北 武漢430079;2．地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢430079)

一、引 言

港珠澳大橋島隧工程由沉管隧道、東西人工島三大部分組成，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。島隧工程起于伶仃洋粵港分界線，沿23DY錨地北側(cè)向西，穿越珠江口銅鼓航道、伶仃西航道，止于西人工島結(jié)合部非通航孔橋西端，全長7 440．546 m。沉管段長5664 m，由33個管節(jié)組成，標準管節(jié)長度180 m。截至2015年8月，港珠澳大橋沉管隧道已安裝20節(jié)沉管。

沉管段管節(jié)橫截面采用兩孔單管廊，兩側(cè)為獨立的行車孔，中間為綜合管廊，從行車孔可經(jīng)由安全門進入中管廊。管節(jié)兩端安有端封門。施工過程中，出于安全考慮，隧道末端一直保留數(shù)道端封門。隧道導線測量站點布設在左右行車道，這樣，為了確定末端沉管的位置，就必須從行車道轉(zhuǎn)進中管廊，向前延伸，網(wǎng)型如圖1所示。圖中，A、B、C、D點表示行車道中的導線點，M表示轉(zhuǎn)進中管廊后的測站點，導線邊A5(D5)－A6(D6)和A6(D6)－A7(D7)少則1個標準管節(jié)，多則4個標準管節(jié)，長度180～720 m不等，而A6(D6)－M1和A7(D7)－M2只有十幾米，邊長相差懸殊。因此，本文針對這一情況，通過理論分析、模擬試驗和現(xiàn)場實測等方式，對導線測量從行車道轉(zhuǎn)中管廊及向前延伸部分的精度進行研究，重點分析其對管節(jié)安裝橫向偏差和隧道最終貫通橫向誤差的影響。

二、理論分析

1．行車道轉(zhuǎn)中管廊的極坐標測量

當行車道雙導線測設至端封門未拆除部分管節(jié)時，利用兩行車道雙導線末端相鄰兩測站點，分別采用邊角測量方式向中管廊內(nèi)引測一條支導線定向邊，定向邊成果取兩車道測量的平均值。這時，就是通過一個角度和一個邊長直接得到中管廊點的坐標，測量過程類似于極坐標放樣。

圖1 沉管隧道導線測量行車道轉(zhuǎn)中管廊示意圖

實際測量時是取兩車道測量的平均值作為M1點的成果，兩車道點位對稱分布，按照測量誤差理論，由式(1)可求得M1點x、y方向精度為

由于目前港珠澳大橋島隧工程沉管隧道導線測量測站點都建立觀測墩，并設強制歸心設備，因此，儀器的對中誤差及目標偏心誤差相對較小，可以忽略不計。結(jié)合實際網(wǎng)型，β接近于90°，由式(1)可知，從行車道轉(zhuǎn)中管廊這一過程，影響中管廊點橫向誤差的因素主要是測距誤差。

2．延伸支導線測量

如圖1所示，往后延伸支導線測量是在M2點安置儀器，后視M1點，以等邊直伸支導線的形式往前延伸，確定末端管節(jié)的平面位置。等邊直伸支導線常用的精度估算公式為

式中，Mx是支導線終點的橫向誤差;s為導線邊長;n為導線的邊數(shù)。

考慮設站點M2點位誤差和起始邊M2M1的方位角誤差，起始邊M2M1的方位角為

M1、M2兩點坐標是分別由極坐標測量得到，認為這兩點相互獨立。根據(jù)誤差傳播理論可得

式中，l是M2M1的距離;mx、my是M1、M2兩點x和y方向的誤差，測量條件相同時，兩點同方向誤差相等。

這時，式(2)變?yōu)?/p>

由式(2)可知，中管廊里的直伸導線主要受測角誤差的影響;由式(4)可知，起始邊M2M1的方位角誤差mα主要受M1、M2兩點橫向坐標誤差影響，即主要受行車道轉(zhuǎn)中管廊極坐標測量時的測距誤差影響。

三、模擬試驗和現(xiàn)場實測

1．模擬試驗

選擇和現(xiàn)場近似1∶1的試驗場地，對港珠澳大橋島隧工程的貫通測量進行模擬試驗，模擬導線網(wǎng)網(wǎng)型如圖2所示。在模擬導線網(wǎng)中的兩個位置，進行了行車道轉(zhuǎn)中管廊的試驗分析，第一個位置是在RN25、LS25測M25和在RN27-1、LS27-1測M27轉(zhuǎn)入中廊道，再以M25、M27作為已知點往后延伸，經(jīng)過M28點，測到貫通點RN29和LS29;第二個位置是在RN32、LS32測M32和在RN31、LS31測M31轉(zhuǎn)入中廊道，再以M32、M31為起始點往后延伸，經(jīng)過M30點，測到貫通點RN29和LS29。試驗結(jié)果見表1，表中支導線終點的坐標較差是直接通過行車道導線網(wǎng)測量得到的坐標減去行車道導線網(wǎng)轉(zhuǎn)中管廊支導線測量得到的坐標。

圖2 模擬試驗場地的導線網(wǎng)網(wǎng)型

表1 模擬試驗結(jié)果 mm

根據(jù)模擬試驗實測邊長、測角誤差和測距誤差，按照前述的分析方法，兩個位置行車道轉(zhuǎn)中管廊并延伸到支導線終點，終點的x方向中誤差分別為±9．30 mm和±8．16 mm。以兩倍中誤差作為限差，可知，兩個位置模擬試驗的結(jié)果都在限差范圍內(nèi)，表明本文的理論分析和模擬試驗結(jié)果符合較好。

2．現(xiàn)場實測

每節(jié)沉管的安裝都會進行單獨的導線測量，從洞外開始，沿行車道測至隧道尾端，端封門切割完的最后一個管節(jié)，然后從行車道轉(zhuǎn)至中管廊，往后延伸，直到隧道最末端。圖1所示情況為切割到M2和M3之間的端封門，這時，M1和M2可以由行車道的導線點測得，而M5點只能由中管廊支導線測得。隨著管節(jié)的不斷安裝，待M5點前的端封門全部切割完時，可從行車道直接得到M5點坐標。表2為現(xiàn)場實測結(jié)果，表中坐標差是兩種方式得到的中管廊點橫向坐標之差。

表2 現(xiàn)場實測結(jié)果 mm

根據(jù)現(xiàn)場實測邊長、測角誤差和測距誤差，按照前述的分析方法，可得這些中管廊點由延伸支導線測得的x方向坐標中誤差為±11．26 mm。以兩倍中誤差作為限差，可知，現(xiàn)場多點的實測結(jié)果都在限差范圍內(nèi)，表明本文的理論分析和現(xiàn)場實測結(jié)果符合較好。

四、結(jié) 論

本文根據(jù)港珠澳大橋島隧工程沉管隧道導線測量受末端端封門影響的實際情況，分析了導線測量經(jīng)由安全門以一條超短邊從行車道轉(zhuǎn)中管廊、并以支導線的形式延伸到隧道最末端相較于行車道導線網(wǎng)的精度變化。經(jīng)理論分析、模擬試驗和現(xiàn)場實測，基本結(jié)論如下:

1)導線測量從行車道轉(zhuǎn)中管廊并延伸到隧道末端的過程中，從行車道轉(zhuǎn)中管廊的極坐標測量，主要受測距誤差的影響;中管廊內(nèi)延伸導線測量，主要受測角誤差影響。要求現(xiàn)場測量時，不同的測量過程要側(cè)重削弱不同的影響因素。

2)導線測量從行車道轉(zhuǎn)中管廊并延伸到隧道末端與行車道的導線測量相比，會引入±1 cm左右的橫向誤差。

［1］ 李巍，趙亮，張占偉，等．常用全站儀放樣方法及精度分析［J］．測繪通報，2012(5):29-32．

［2］ 岳建平，高永剛，謝波，等．利用全站儀坐標法放樣橋梁高塔柱的精度分析［J］．測繪通報，2005(8):39-41．

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