在移動干塢上預制沉管管段測量基準的建立

李樹光等

摘要 采用半潛駁船作為移動干塢制作管段，精度控制是保證工程成敗的關鍵。在不穩定的半潛駁上進行測量工作，必需建立符合駁船工作條件的測量控制系統。本文介紹了作者在廣州侖頭—生物島沉管隧道工程中移動干塢制作管段的測量控制系統建立方法，后方交會法和船體坐標系統法。并對方案實施的精度進行的闡述。

關鍵詞：半潛駁，測量基準，控制測量

Abstract： It is a essensial condition to establish a aproperiate sueveying datum on a unstable deck. The precision of structural member manufactured depends on that of surveying. In the paper， the the authors introduced two methods to establish surveying contrual system on the large semi-submergible deck barge. The methods include the trilateration and the deck—datum system. As a example，the field surveying deal with a contral network by theodlite is describe in the paper.

Key Words： semi-submergible deck barge， surveying datum， contral surveying

1 概述

目前，沉管隧道已廣泛應用于我國的跨江隧道建設。通常，大型的沉管結構的預制是在陸地干塢上進行，不僅費工程費用較大，而且還會對周圍環境會產生非常不良的影響。

采用半潛駁船作為移動式浮船塢完成大型結構預制件的制作，是一種理想的方案。該方案在縮短工期、減少造價、保護環境等方面具有很顯著的優勢。

在移動干塢上制作管段，技術上所存在的主要困難在于測量控制系統的建立。沉管管段制作的精度要求較高，在活動的船上制作管段，制作精度的控制是保證工程成敗的關鍵。

在任何工程測量問題中，要獲得可靠的結果，必須有穩定的測量基準和符合儀器原理的工作方案。常規的工程測量一般是在陸地上進行的，其中大地水準面是常規測量時必需的基準面。所有的大地測量儀器的結構都是為在大地水準面上進行觀測而設計的，不管是高差測量或是水平角測量都以大地水準面為測量基準的。因為大地水準面是個物理面而不是數學面，所以無論經緯儀還是水準儀都必須通過與豎軸垂直的水準管建立水平基準面 。

在不穩定的半潛駁上進行測量工作，不可能象在陸地上一樣以大地水準面為基準。即使在制管前駁船具有較好的穩定性，可以建立滿足大地測量基本條件的控制系統。但隨著工期的進行，船上荷載不斷變化，駁船的穩定性必然會受到破壞，加上船體在荷載會產生各種變形，從而使后續的工作中無法在以已有的控制系統為基準。因此必需建立符合駁船工作條件的測量控制系統。

2 測量基準

2.1 空間后方交會

為了保證在移動干塢上制作管段或其它大型構件時測量能在統一的坐標系統下進行，首先需要建立有效的測量基準點。如圖2.1所示，設有空間直角坐標系 ，其中 軸代表經緯儀的豎軸，旋轉平面代表水平度盤。當經緯儀整平時，水平度盤與大地水準面平行。從數學角度上講，該坐標系統共有3個旋轉自由度。因為測量時，經緯儀的水平度盤是可以任意配置的，所以在推算儀器傾斜所引起的坐標變換時，不必考慮繞豎軸旋轉的問題，實際上坐標系的換算只需考慮旋轉平面的重合。

對于儀器在任意方向上存在一傾角，可以視為是原坐標繞 軸旋轉 角度，繞 軸旋轉 角度后所得的新坐標系 。

以上方程中共有5個未知數， 個物方已知點可以觀測 個獨立的水平角和 個獨立的豎直角。當獨立方程的個數大于上述未知數個數時，可以通過最小二乘法求解該方程組，從而確定經緯儀的狀態參數。

然而，由于觀測時的儀器狀態是處于 坐標系下的，所以求解出的測站點坐標也是該坐標系下的 。對于 個控制點，存在 不同的坐標系，因此必須對各測站點的坐標計算值進行旋轉逆變換，將它們統一到相同的坐標系下：

統一坐標計算值的目的不僅在于確定各點平面坐標之間的相對關系，更重要的是要利用各點的高差來對儀器進行實際調整，使調整后的儀器都具有相同的姿態，以便今后進行工程觀測。

通過后方交會建立控制系統按以下步驟進行：

（1） 在駁船剛性較好的部位標定5個以上的物方點，并通過陸地已知點經過重復測量測定物方點的三維坐標；此時的物方點坐標值為大地坐標系中的數值。進行上述測量過程的前提是駁船必須處于穩定狀態。當駁船的穩定性不符合要求時，也可首先以一臺儀器為基準狀態，通過極坐標法測定各物方點坐標，但此時的坐標系統與大地坐標系無關。

（2） 在駁船適當處設立工程所需的后交點，后交點的數量視制管工程的需要而定。后交測站采用固支腳架，為了避免每次測量都進行后交測量，應采用固定基座。

（3） 依前面所述，對各后交點進行觀測，并計算統一坐標系下的坐標值。

（4） 將設為基準狀態儀器的望遠鏡置90 （與豎軸垂直），并平標出一條基準線。

（5） 將各測站儀器的望遠鏡置90 ，此時望遠鏡中心所掃出的平面線應與基準線存在一個高差，根據高差既可以用腳螺旋調整儀器狀態。

（6） 為了保證精度，1—5過程應重復進行。

在實施以上過程前，必須對儀器進行檢校，盡可能地消除經緯儀豎盤指標差，或對豎盤指標差進行嚴格地測定。

從理論上講，這一方法是完全可行的，但需要一定的數學處理步驟。從應用角度考慮，可以采用更為簡單的方法。

2.2 船體坐標基準面的設置

盡管地球本身是個隨時都在運動著的物體，但在陸地上進行的大地測量或工程測量，都是相對于地球為不動體而言的。大地坐標系是隨地球一起運動的，只要某一時期內地球本身的變形可以忽略，就可以將地球作為靜止參考系。

同樣，構件放置的基礎是駁船甲板，只要駁船甲板上的坐標系相對船體靜止，并且駁船甲板的變形可以忽略或者可以識別，也就可以采用獨立的船體坐標系作為工作基準。

船體坐標參考系的建立按以下步驟：

（1） 在工程實施前對儀器進行檢校，消除經緯儀豎盤指標差，或對豎盤指標差進行嚴格地測定。

（2） 在駁船首尾各固定兩根水準標尺，可能的情況下采用銦鋼尺。其中三把標尺作為確定基準面，另一把標尺用于備用和檢核。

（3） 在駁船上合適位置設置6-8個固定測站，測站采用固支腳架。

（4） 在某一測站上安置經緯儀（一號儀器）。儀器的安置應使基座腳螺旋的方向如圖（4.5）所示，其中兩個腳螺旋的中心連線與駁船方向一致。當經緯儀的豎盤指標差已消除時，將儀器望遠鏡在盤左時的豎盤讀數固定在90 ，如果豎盤指標差為 ，則將豎盤讀數固定在90 - ，此時望遠鏡視準軸與經緯儀豎軸處于垂直狀態。

（5） 通過A﹑B腳螺旋調節，使望遠鏡十字絲中心對準前后兩把標尺的相同讀數。

（6） 通過C腳螺旋調節，使望遠鏡十字絲中心大致對準中部標尺的相同讀數。

（7） 檢查前后標尺讀數，必要時重復上述過程。

（8） 記錄各標尺上所有讀數。此時所得到的旋轉面既作為基準面。

（9） 在所有固定腳架上安裝基座，以原先確定的基準面測定個基座中心高程。測定個基座中心高程時可以采用小鋼尺，也可采用一段銦鋼尺。鋼尺讀數減去15公分，即是基座高程。這時所獲得的高程只作為近似值，為其它儀器尋找基準面提供參考。

（10） 取下儀器旋轉部，基座作為固定基座。在以后的測量中只要將儀器旋轉部安上而不必進行對中及尋找基準面的工作。

（11） 測定高程后，在各固定基座上依次安放儀器，按與第一臺儀器間的高差瞄準標尺讀數。注意：在瞄準標尺讀數時，必然要調整腳螺旋而使基座高程改變，但只要各標尺的讀數與一號儀器讀數的差值相等，就獲得了相同的基準面，此時的讀數差即是與一號儀器間的真正高差。

確定各儀器的基準面是一項重要工作，務必仔細。

3 測量精度

觀測精度與以下因素有關：（1）觀測者的因素；（2）外界條件的影響；（3）測量儀器的因素；（4）測量方案。前三個方面綜合起來稱觀測條件。在同樣的觀測條件下所進行的觀測稱為等精度觀測，否則就是非等精度觀測。為了獲得滿足要求的觀測結果，需要預先估計測量誤差，以便擬定合理的工作方案。

為了保證測量達到一定的精度要求，除了所使用的儀器各軸系之間必須滿足應有的幾何關系，還需要認真分析在該工況下產生測量誤差的原因，從而制定消除或減弱誤差的基座用來支承整個儀器，并借助中心螺旋使經緯儀與腳架結合。除此之外，基座有其更重要的作用。當儀器的軸系完全滿足幾何關系時，儀器的整平、對中實際是對基座面的整平和基座中心孔的對中。利用基座的這一作用，在高精度重復測量時，可以采用固定基座的方法。這一方法屬于強制對中整平方法。

在所有建立在駁船上的固定測站上安置基座，并將儀器的照準部依次放在各基座上。在獲得測量基準面后，只取下照準部，而將基座固定在腳架上。以后測量時，只須將照準部插上即可，無須再進行對中整平。這樣一方面速度快，另一方面消除了各次測量時的整平對中誤差，使觀測精度提高。

3.1 駁船控點的施測及精度分析

3.1.1控制點建立

廣州侖頭—生物島沉管隧道工程中移動干塢管段制作為例，根據實際需要，首先在駁船甲板兩測設置6個控制點（圖3.1）。

為了保證制管誤差小于 的要求，控制點必須要求很高的精度，點位誤差應小于 。通常的放點、放線是達不到這一精度要求的，必須采用嚴密平差方法求得各坐標點的平面坐標，然后通過歸化法對點位進行調整。

由以上計算可看出：

當測角精度遠高于測距精度時，應充分利用角度觀測量。即使測距有較大誤差，依然可以將點位中誤差限制在 以內。

4 結論

在駁船上設立坐標系統并實施測量是可行的，為減少誤差和便于工作，應采用固定支座和基座。

從理論上講，后交法可以用于求解各點的儀器姿態，但需要將各測站的基座調整到統一坐標系統。

建立船體坐標系統是一種實用方案，精度可以滿足構件制作要求。

參考文獻

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