深中通道沉管安裝測量塔法浮態標定與坐底標定精度對比試驗

成益品，陳偉樂，宋神友，孫海豐，鎖旭宏

(1. 中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071； 2. 深中通道管理中心，廣東 中山 528400)

0 引言

沉管隧道安裝測量塔法是沉管工程中常用的安裝定位方法，此方法定位的前提是要標定出測量塔與沉管的相對位置關系，獲取測量塔定位參數。測量塔定位參數是決定沉管安裝對接精度的主要影響因素。目前，測量塔定位參數主要采用在沉管漂浮狀態下進行標定的方式獲取，即浮態標定方法，將沉管漂浮在水面上，露出一部分干舷，把儀器架設在沉管頂面標定測量塔特征點處，從而獲得測量塔沉管坐標。由于此方法受外界環境影響較大，沉管一直處于晃動狀態，儀器在晃動的觀測環境條件下很難準確標定出測量塔與沉管的相對位置關系，導致獲取的測量塔定位參數不夠準確，保障和提升沉管安裝對接精度變得尤為困難。目前，已有一些關于浮態標定技術的研究及應用。張偉等[1]針對江西南昌紅谷沉管隧道管節沉放安裝后鋪法工藝的測量塔浮態標定技術進行了研究。襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段項目沉管體量小且測量塔最高21.5 m，標定環境條件基本不受風浪流影響，設計的測量塔浮態標定精度理論上滿足管節沉放控制標準。港珠澳大橋與深中通道海底隧道沉管安裝相似，港珠澳大橋沉管安裝測量塔標定采用浮態標定的方法，標定工作在深塢內進行，沉管體量大且測量塔最高50 m，為了保證標定精度，文獻[2-4]對測量塔浮態標定技術進行了研究分析及總結。

隨著沉管隧道不斷增多，沉管預制體量越來越大，沉管安裝對接控制標準及要求越來越高，尤其是采用測量塔法進行大水深沉管安裝定位時，沉管標定精度的控制工作顯得越來越重要。因此，為了進一步提高沉管安裝測量塔法測控精度，本文結合以往工程經驗，優化沉管標定工藝，將沉管坐底進行標定，并對標定特征點進行特殊設計，使得沉管在深塢坐底的穩定狀態下可以觀測標定特征點，并精確獲取測量塔定位參數，從而達到穩定和提高沉管安裝對接精度的目的。通過沉管安裝貫通測量對浮態標定與坐底標定2種方法的精度進行對比，充分驗證了坐底標定方法在提高沉管安裝對接精度方面的可行性及優越性。

1 沉管標定原理介紹

1.1 沉管安裝定位原理

沉管安裝測量塔定位系統集成計算軟件、數據通訊及GNSS接收機、姿態傳感器等硬件設備，采用雙測量塔定位方式，在每個測量塔頂部分別安裝GNSS天線/棱鏡(其位置均需要精確標定)。在沉管安裝過程中，定位系統通過測量塔頂GNSS天線/棱鏡位置的實時定位數據和安裝在沉管上的傾斜儀實時姿態數據，結合GNSS天線/棱鏡及傾斜儀的標定數據，通過軟件實時計算沉管的位置和姿態，引導沉管沉放對接。

由此可見，準確標定測量塔頂GNSS天線/棱鏡與沉管的相對位置關系，對沉管沉放對接精度控制起著至關重要的作用[5-6]。

1.2 浮態標定

在沉管浮態的情況下，在管頂中心位置架設水準儀，將沉管4角特征點(P1—P4)的平面位置及高程作為已知量,測出沉管當前傾斜值。根據實際傾斜值對系統顯示傾斜值進行修正，利用修正后的傾斜值將沉管大致調平。將全站儀架設在沉管頂部，使用后方交會模式進行設站，后視沉管浮態標定特征點，從而建立沉管坐標系，然后對測量塔特征點進行測量，獲得測量塔的沉管坐標[7]。

1.3 坐底標定

在沉管坐落到碎石壟的情況下，將全站儀架設在陸地，對測量塔特征點與沉管頂面支架特征點進行聯測，使這些特征點坐標在同一坐標系下。使用水準儀測量當前沉管的傾斜值，根據當前的傾斜值對沉管傾斜進行修正，利用沉管在淺塢標定測量的管頂支架特征點的管節坐標進行同名點坐標轉換，從而獲得測量塔特征點的沉管坐標。

2 特征點布設

在沉管淺塢一次標定期間，在沉管頂部布設6個坐底標定特征點(ZJ1—ZJ6)和18個浮態標定特征點(P1—P4、G1—G8、BD1—BD6)，共計布設24個特征點，點位布設示意見圖1。坐底標定特征點實物圖見圖2。浮態標定特征點三維模型見圖3。其中，坐底標定特征點采用支架形式焊接在管節頂部，保證沉管橫移深塢坐底標定時支架頂部測量標志漏出水面； 其余浮態標定點粘貼在沉管頂部。

圖1 管頂特征點布設示意圖

圖2 坐底標定特征點實物圖

圖3 浮態標定特征點三維模型圖

在沉管淺塢一次標定期間獲取這些特征點的預制坐標，將這些特征點預制坐標轉換至沉管隧道施工坐標系中，作為測量塔標定及計算的已知條件。

3 坐底標定

3.1 坐底標定控制網

在深塢區布設沉管坐底標定控制網，包括平面控制網和高程控制網，并將施工坐標引入坐底標定控制網。此控制網可以將沉管首尾測量塔及管頂支架特征點放入同一坐標系中，用于后續坐標轉換，也可獲取特征點的施工坐標用于后續精度比對。坐底標定控制網點位布設示意見圖4。

圖4 坐底標定控制網點位布設示意圖

標定控制網是沉管坐底標定精度的重要保障，因此需要布設高等級控制網并采用精密的測量儀器設備進行控制網測量。

平面控制網測量采用Leica TS60全站儀(測角0.5″，測距精度為0.6 mm+1×10-6×D，D為測量的距離，單位km)配合機載多測回測角程序觀測； 高程控制網采用Leica LS15電子水準儀(每km往返高差中數的中誤差為0.3 mm)觀測。平面控制網與高程控制網測量方法及精度要求分別按照GB 50026—2007《工程測量規范》中規定的“水平位移監測基準網(一等)”和“垂直位移監測基準網(一等)”的相應技術指標實施[8]。

3.2 坐底標定數據采集

3.2.1 標定作業條件

1)沉管坐底標定時機宜選擇在夜間或者陰天，避免溫度高引起水面水蒸氣快速蒸發帶來的折光影響； 2)標定時水面距離標定支架頂部棱鏡至少300 mm，從而避免旁折光的影響[9]； 3)夜間標定要關閉船上的探照燈光，保證儀器視場內沒有光源； 4)為了防止相同頻率電磁波反射對測量精度的影響，禁止2臺儀器同時測量同一個特征點； 5)標定時測量儀器中要輸入當前的溫度、氣壓和濕度參數進行氣象自動改正[10]； 6)沉管坐落在碎石基床后，需在管內監測沉管的穩定性及測量沉管的傾斜度，如果發現沉管振動幅度過大應繼續向管內壓載水，使沉管處于絕對穩定狀態。在上述條件完全具備的情況下方可進行標定。

3.2.2 數據采集與解算

采用2臺全站儀，分別架設在位于沉管首尾端的陸上施工控制網點上，采用全站儀極坐標法分別對沉管首尾端管頂支架特征點和測量塔特征點進行標定測量獲取數據[11]。此時，已經得到管頂6個支架特征點(ZJ1—ZJ6)在管節坐標系下的準確平面坐標。

利用管頂6個支架特征點的平面位置與高程，計算出沉管坐底后的實際傾斜值，并對測量塔測控系統顯示的傾斜值進行修正。

由于沉管坐底后的姿態與沉管淺塢一次標定時的姿態有一定差異，在計算轉換參數時首先要對所有標定測量得到的特征點數據進行姿態修正。修正結束后以這6個同名點(ZJ1—ZJ6)作為已知條件，可以采用平面坐標4參數轉換方法計算轉換參數，使用此轉換參數將測量塔特征點的標定測量結果轉換到沉管隧道施工坐標中[12]。坐底標定示意見圖5。

圖5 坐底標定示意圖

4 精度比對

4.1 測量塔測控系統解算原理

測量塔測控系統定位原理是利用沉管首尾測量塔的定位設備獲取當前的WGS84經緯度，系統利用空間7參數將WGS84坐標轉換為定位設備當前的施工坐標。此時沉管首尾測量塔特征點的施工坐標已經獲得。測量塔測控系統再次利用沉管首尾測量塔的施工坐標與深塢內標定獲得的測量塔施工坐標及沉管傾斜儀數據進行參數轉換，獲取沉管已知特征點實時的施工坐標。測量塔沉管坐標獲取的準確性決定了系統轉換的精度[13-14]。

4.2 參數比對

根據4.1節測量塔測控系統解算原理進行2種標定方式的精度比對。

坐底標定完成后，將全站儀架設在陸地施工控制網上，獲取支架特征點ZJ2、ZJ5準確的施工坐標。將其作為比對的基準值，分別與浮態標定參數和坐底標定參數測量塔測控系統解算的施工坐標作對比差，從而判斷標定精度。

分別將浮態標定與坐底標定獲取的測量塔參數錄入測量塔測控系統，并將淺塢一次標定獲得的支架特征點ZJ2、ZJ5的施工坐標錄入測量塔測控系統，用于解算此位置的施工坐標。使用測量塔測控系統中專門開發的“特征點比對”模式[15]，1 s采集1個數據，連續采集30 min，實時解算沉管首端ZJ2、尾端ZJ5支架特征點的施工坐標，取30 min內數據的均值，然后與全站儀采集的ZJ2、ZJ5支架特征點的施工坐標作差并進行比對，分析數據收斂態勢。E1—E7沉管浮態標定精度比對見圖6。E1—E7沉管坐底標定精度比對見圖7。

圖6 E1—E7沉管浮態標定精度比對

圖7 E1—E7沉管坐底標定精度比對

4.3 結果分析

通過4.2節中浮態標定與坐底標定精度比對成果可知： 1)受外界環境影響浮態標定精度不穩定，數據偏差整體控制在35 mm以內； 2)坐底標定相對浮態標定精度穩定，數據偏差整體控制在20 mm以內，精度高于浮態標定。因此，可以判斷沉管坐底標定精度優于浮態標定精度。

5 工程應用

深中通道工程沉管安裝測量塔定位參數采用坐底標定獲取的參數，目前已順利完成了7節沉管的安裝。通過測量塔測控系統顯示的沉管安裝軸線定位結果與管內精密貫通測量[16]結果對比來看，采用坐底標定獲取的測量塔定位參數基本可以將沉管安裝精度控制在20 mm以內。

在沉管安裝結束后，將浮態標定參數錄入測量塔測控系統，并與貫通測量結果進行比對發現： 沉管軸線偏差浮態標定參數定位結果較坐底標定結果大10～20 mm，與標定誤差理論精度估計及深塢內標定參數比對結果基本相符。實踐證明，坐底標定獲得的參數精度整體高于浮態標定獲取的參數精度。浮態標定參數精度比對驗證見表1。坐底標定參數精度比對驗證見表2。

表1 浮態標定參數精度比對驗證表

表2 坐底標定參數精度比對驗證表

6 結論與體會

通過在深塢內對沉管測量塔浮態標定與坐底標定獲取的定位參數精度進行對比，分析2種方法能夠達到的精度。由深中通道工程前期沉管安裝的成功應用可以看出，沉管坐底標定精度整體可控，可以有效提升沉管安裝對接精度。

1)沉管坐底標定時，沉管狀態穩定，外界影響測量作業精度的因素少，有著較高的精度和可靠性，對水下大型沉管及構件高精度安裝具有參考價值。

2)沉管坐底標定可以大大提高工作效率及質量，不受天氣、環境及人為因素影響，內業數據處理由計算機進行自動平差計算，極大降低了勞動作業強度，提高了作業效率。

3)沉管坐底標定對碎石壟基礎的平整度及穩定性有著較高要求，需定期對碎石壟進行落淤檢查及清淤，尤其是在開放水域坐底標定時，建議每節管節坐底標定前檢查碎石壟。

浮態標定法有時也可以達到與坐底標定法相當的精度，但是浮態標定精度缺乏穩定性，主要是沉管漂浮等外界因素影響標定誤差，使得精度難以控制。而坐底標定受外界環境影響因素少，標定精度相對穩定可控。