外海超長沉管隧道精密貫通測量設計與實踐

成益品，孫陽陽，高應東

0 引言

在現代隧道施工控制測量中，縱向和高程貫通測量都容易滿足隧道施工要求，而橫向貫通測量受洞內外測量條件因素制約，而且存在測量誤差隨隧道長度不斷積累的影響，如果測量誤差超過一定的范圍，就會引起隧道中線幾何形狀的改變，給工程造成損失，可見隧道橫向貫通測量的精度好壞對整個隧道工程的意義十分重大。

和陸地隧道相比，海上沉管隧道是由預制管節水下對接而成，受環境條件的限制，隧道口控制點布設更困難，觀測條件更差。兩端施工的陸地隧道，從兩個隧道口相對連續開挖掘進，貫通測量只涉及貫通面處的軸線偏差要求，而兩端施工的沉管隧道除了最終正確貫通，還要確保待安管節和已安管節的正確對接。沉管隧道對貫通測控有著更高的要求。

港珠澳大橋沉管隧道長5 664 m，由33個大型預制管節對接安裝而成，是世界上唯一的深埋沉管隧道。隧道進、出口兩端均由人工島組成，隧道東端1 313.362m位于半徑5 500m的圓曲線上，其余部分均為直線。隧道最終接頭的貫通面位于E29—E30之間，距西人工島隧道外測量控制點約5.8 km、距東人工島隧道外測量控制點約1.3 km。港珠澳大橋沉管隧道平面如圖1所示。

圖1 港珠澳大橋沉管隧道平面示意圖Fig.1 Plane schematic diagram of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tube tunnel

港珠澳大橋沉管隧道管節沉放控制的精度要求很高，非最終接頭的管節沉放對接軸線偏差允許值為依70 mm，最終接頭貫通面的軸線允許偏差控制要求小于依50 mm，這一貫通偏差控制要求遠高于現有隧道工程規范中規定的4~8 km隧道橫向貫通中誤差依150mm的規定[1]，這不僅在國內是第一次，在國際上也是第一次。并且受人工島地形條件的制約，進洞口測站定向邊偏短，潮汐、風浪、人工島體沉降位移導致測量控制點不穩定等因素，給貫通測量的精度控制帶來了非常大的技術難度。因此，針對外海超長沉管隧道施工特點，開展平面精密貫通測量技術與方法的研究是十分必要的。

1 隧道內控制網優化設計

1.1 貫通誤差分配

港珠澳大橋沉管隧道橫向貫通限差按70 mm進行控制，限差為2倍中誤差，則橫向中誤差為35 mm，以此作為貫通測量精度設計的依據。港珠澳大橋沉管隧道只有一個貫通面，從東、西兩個人工島端相向施工，沒有斜井或豎井影響測量誤差，隧道內施工測量誤差可以忽略不計，所以橫向貫通誤差由隧道外控制測量和隧道內控制測量引起[2-4]。

設隧道外控制測量引起的橫向貫通誤差為mS，西、東兩端隧道內控制測量引起的橫向貫通誤差分別為mW、mE，則有式中m是沉管隧道橫向貫通中誤差。按照等影響原則，即則隧道外控制網和西、東端隧道內控制網引起的橫向貫通誤差分別為20.21 mm?？紤]到隧道外控制采用GPS網，隧道內為狹長導線網，測量誤差影響值可以分配大一些，則地面GPS網和隧道內導線網測量引起的橫向貫通誤差分別為12.50mm、23.12mm和23.12mm。

港珠澳大橋沉管隧道由33個管節組成，自西向東分別是E1—E33，由于貫通面位于從西端起E29和E30管節之間，如圖1所示，東西人工島到貫通面的距離并不相等，西端大于5 km，東端小于1 km，根據西端和東端隧道內導線網的長度，把西島端和東島端的測量誤差比例關系定為10頤1，則西、東兩端隧道內控制測量引起的橫向貫通誤差mW、mE分別為31.17 mm和9.86mm。

故最終確定地面控制測量和隧道內西、東島端導線測量引起的橫向貫通誤差分別是12.50 mm、31.17 mm和9.86mm。

1.2 洞外定向邊設計

在東、西人工島隧道洞口線路中線上布設洞口測站點（JX、JD），在JX、JD點區域再各布設3個定向點（XD01、XD02、XD03）和（DD01、DD02、DD03），洞口測站點與相應定向點邊長控制在500~800m，為減小垂線偏差的影響，高差不要相差太大。三點定向平面控制網布設示意圖如圖2所示。

圖2 三點定向平面控制網布設示意圖Fig.2 Layoutdiagram of three-pointdirectionalplane controlnetwork

西島端洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為：

式中：Sy為測站點到貫通面的距離；Ma為定向邊的方位角誤差；籽=206 265；Mx為測站點橫向點位誤差；M為測站點點位誤差和定向邊方位角誤差引起的橫向貫通誤差。同理，東島端洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為1.69 mm。所以，東西人工島分別布設3條定向邊時，洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為10.06 mm。

1.3 洞內控制網設計

港珠澳大橋沉管隧道采用兩孔一管廊結構，即左、右側為主行車孔，中管廊從上至下分別為排煙通道、安全通道、電纜通道，從改善導線網網型、增強圖形結構、增加多余觀測方面著手，充分利用隧道內部空間，在左、右行車道各布設1個導線網并相互聯接，形成雙線形聯合鎖網，長邊720 m左右，同車道一對點間距11 m左右，點間視線均距洞壁1.5 m以上，兩車道外側墻點間距30 m左右[5-6]。沉管隧道洞內控制網優化網形如圖3所示。

圖3 沉管隧道洞內控制網優化網形Fig.3 Optim ization network shape of controlnetwork in immersed tube tunnel

1.4 貫通誤差估計

測角中誤差取1.0義，測邊誤差取所使用儀器LeicaTS30的標稱測距精度0.6mm+10-6D（0.6mm+1 ppm），對雙線形聯合鎖網進行貫通誤差估算。

1）近似估算

西島端導線網近似為2個邊長720m支導線的平均值，引起的橫向貫通誤差為：

35.81mm

東島端導線近似為2個邊長180 m的支導線，引起的橫向貫通誤差為5.21mm。

2）模擬估算

利用科傻軟件，按照設計的網型和測角、量邊精度，進行模擬計算，得到西島端導線網引起的橫向貫通誤差為30.17 mm，東島端導線網引起的橫向貫通誤差為4.57mm。

從兩種估算方法得到的結果可以看出，由于模擬估算是完全按照設計網型，估算結果更接近真實情況，比近似估算結果略小。

綜合隧道外定向邊和隧道內控制網引起的橫向貫通誤差，總的貫通測量誤差為：

由上述分析可見，結果滿足港珠澳大橋沉管隧道貫通誤差分配的要求。

2 提高測量精度的技術措施

1）洞內外所有測站點均埋設強制對中觀測墩，洞外起算點受沉降位移影響采用“即測即用”的原則。

2）外業觀測采用高精度測角全站儀配備專業軟件的模式，實現儀器自動照準觀測和記錄功能，消除人為照準誤差的影響，提高工作效率。

3）觀測過程中對隧道內進行通風，停止隧道內施工作業，確保隧道內氣流穩定，無施工干擾。

4）進洞口觀測選擇早晚氣流比較穩定的時段進行，必要時選擇夜間不同的觀測時段進行。

5）洞內外溫度、濕度相差很大，儀器應與外界溫度充分一致，測量過程中各測站進行干濕溫度、氣壓的改正。

3 應用效果

3.1 技術參數

洞外定向邊點遵照公路二等GPS靜態測量規范觀測，洞內布設遵守二等光電測距導線的各項要求和精度指標，采用LeicaTS30全站儀配合多測回測角程序進行觀測，全站儀標稱精度：測角0.5義，測距 1mm+10-6D（1mm+1 ppm），測距邊的斜距進行氣象和儀器常數改正。測量技術指標如表1、表2所示。

表1 雙線形聯合鎖網測量技術指標Table 1 Technical index of double-line joint lock network measurement

表2 水平角觀測技術指標Table 2 Technical index of horizontalangle observation

3.2 網點布設

沉管隧道洞內外所有測站點均采用強制對中觀測墩。洞外采用三點定向，洞內500耀800 m左右布設一對雙線形聯合鎖網點，相同車道一對導線點間距11m左右，點間視線都距洞壁1.5m以上，兩車道外側墻導線點間距30 m左右。測量網形如圖4所示。

3.3 貫通測量

港珠澳大橋沉管隧道施工現場按照雙線形聯合鎖網的形式進行了多次測量，點位坐標變化較小，對雙線形聯合鎖網點多次測量成果的X坐標進行分析得到點位橫向誤差，與理論誤差進行比較，結果如圖5所示。圖中折線表示實測誤差占理論誤差的百分比，可以看到，實測精度高于理論分析精度，實測橫向誤差小于理論值的70%。

圖4 沉管隧道洞內雙線形聯合鎖網形Fig.4 Double linear joint lock netshape in imm ersed tube tunnel

圖5 雙線形聯合鎖網理論和實測橫向誤差比較Fig.5 Comparison of two-w ire joint lock net theory andmeasured transverse error

3.4 精度評定

港珠澳大橋沉管貫通面西側端雙線形聯合鎖網長度約5 800 m，共形成了30個閉合環，平差后的后驗單位權中誤差為依0.44義，靠近貫通面的導線點點位中誤差13.1 mm；貫通面東側雙線形聯合鎖網長度約1 400m，共形成了6個閉合環，平差后的后驗單位權中誤差依0.57義，靠近貫通面的導線點點位中誤差1.6 mm。由上述數據可以說明控制網觀測精度較高，均未超過設計的依1.0義限差要求，達到了預先設計的精度。

沉管隧道最終接頭安裝成功后，通過貫通測量確認，實現了6.7 km沉管隧道橫向12mm的貫通精度，遠低于設計50 mm的橫向貫通要求。

4 結語

工程實踐表明，設計的外海超長沉管隧道精密貫通測控方法成功應用于港珠澳大橋工程，并取得了良好的貫通測控精度，保障了沉管隧道的精準貫通。通過港珠澳大橋沉管隧道貫通測量實踐，總結摸索出了一套完整可靠的適用于沉管隧道高精度貫通測量的方法和作業程序，填補了該項目空白，對高精度貫通測控技術發展具有重要指導意義。

：

[1] 張正祿.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2005.ZHANG Zheng-lu.Engineering surveying[M].Wuhan:Wuhan University Press,2005.

[2] 孔祥元，郭際明.控制測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2006.KONG Xiang-yuan,GUO Ji-ming.Control surveying[M].Wuhan:Wuhan University Press,2006.

[3] 李冠青，黃聲享.港珠澳大橋沉管隧道導線布設方法研究[J].測繪通報，2015（S0）：111-113.LI Guan-qing,HUANG Sheng-xiang.Research on the method of setting up the cabled tunnel cable in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2015(S0):111-113.

[4]李冠青，黃聲享.港珠澳大橋沉管隧道貫通誤差預計[J].測繪科學，2016（12）：10-13.LI Guan-qing,HUANG Sheng-xiang.The tunnel penetration error of HongKong-Zhuhai-Macao Bridge is estimated[J].Science of Surveying and Mapping,2016(12):10-13.

[5] 陳韶章.沉管隧道設計與施工[M].北京：科學出版社，2002.CHEN Shao-zhang.Design and construction of immersed tunnel[M].Beijing:Science Press,2002.

[6]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋施工及質量驗收標準[S].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality inspection standards for the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[S].2013.