測量塔定位系統在港珠澳大橋沉管安裝中的應用

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

在傳統的大型橋梁、隧道工程控制測量過程中，多通過GPS定位系統、經緯儀、全站儀、水準儀等測量設備進行。港珠澳大橋隧道工程在最大水深44 m的條件下，建設長達5 664 m、共計33節管節的沉管隧道在全世界尚屬首次。沉管沉放對接控制標準要求水平向與設計軸線間的偏差：直線段50 mm，曲線段40 mm。由于傳統的控制測量方法受作業時間長、氣候、環境、誤差積累等條件影響顯著[1]，難以滿足設計精度要求，為此，研究開發了專用的測量塔定位系統。

1 測量塔法工作原理與特點

測量塔定位系統是將光學測量、GPS測量[2]與水下測量定位技術相結合的一種測量方法，主要由GPS定位、全站儀檢核、傾斜儀改正、數據處理系統、貫通測量復核等組成。

管節預制完成后，在預制廠干塢內對管節頂面、端面及內部特征點進行標定測量，二次舾裝后管節出塢前完成對管節測量塔頂GPS天線、棱鏡與管節頂面特征點的關系測量，結合在干塢內的標定結果，確定測量塔頂GPS天線、棱鏡與管節各特征點之間的關系，從而達到對測量塔頂GPS天線、棱鏡的標定。管節浮運至現場開始沉放，通過架設在測量平臺上的全站儀同步觀測測量塔頂棱鏡，同時通過測量塔頂GPS實時同步采集坐標數據，管節內傾斜儀也同步采集到實時數據，通過專業軟件實時處理全站儀、GPS和傾斜儀數據，解算出管節的空間位置及姿態，指導管節的沉放對接施工。測量塔法定位原理示意圖如圖1所示。

圖1 測量塔法定位原理圖Fig.1 Positioning principleof measuring tower method

2 測量塔系統標定

管節特征點的正確標定是計算管節沉放位置的重要環節。通過建立管節上的各特征點與測量塔頂GPS天線、棱鏡位置關系，指導沉管沉放到正確位置。

2.1 特征點一次標定

管節預制完成后，在干塢內按常規測量方法對管節頂面、端面及內部特征點進行標定測量，主要是對各部位特征點相對于管節軸線及基準點的三維坐標與幾何尺寸的精確測定。管節端面特征點布設在管節S1、S8節段的端面，頂面特征點布設在管頂，P1~P4平面特征點布置見圖2。

圖2 管節頂面特征點布置圖Fig.2 Plan of the feature pointsat the top of tube

內部特征點布設在管節中管廊內的首、中、尾端，主要用于貫通復核測量，見圖3。

2.2 特征點二次標定

圖3 管節內特征點布設Fig.3 Layout of the feature pointsin tube

二次舾裝后管節出塢前完成對測量塔頂GPS天線、棱鏡與管節頂面特征點的關系測量，結合在干塢內的標定結果，確定測量塔頂GPS天線、棱鏡與管節各特征點之間的關系，從而計算出測量塔上特征點的管節坐標。在管節頂部有P1、P2、P3、P4四個平面位置點，在測量塔上有CLT1、CLT2、CLT3三個同軸點，見圖4。

圖4 測量塔及管節特征點分布Fig.4 Distribution of featurepointsin measuring tower and tube

管內傾斜儀標定：在管節中部架設水準儀，在沉管穩定的狀態下觀察沉管4個角點的高程，根據測量數據計算出此時沉管的橫傾與縱傾值，與軟件中顯示的傾斜儀讀數進行比對，然后進行改正。管節出塢前根據現場情況需進行兩次以上的傾斜儀標定，確保數據準確無誤。

GPS天線盤位置標定：為了保證標定測量的精度，在管節調至接近水平并且基本保持穩定的狀態下，在管頂架設全站儀，利用管頂特征點測量測量塔上3個同軸支架棱鏡（CLT1、CLT2、CLT3）的管節坐標。

3 港珠澳大橋島隧工程應用實例

港珠澳大橋島隧工程沉管沉放最深管節為E12，作業水深43.923 m，采用尾端測量塔定位方法進行管節的沉放控制安裝，其中，尾端測量塔高38.2 m，水中下沉35.263 m。

4 效果分析

測量塔法的測量定位效果是測量塔所要考慮的核心問題，其主要包含精度、可靠度兩個方面。表1給出了E12管節特征點測量塔GPS-RTK測量和全站儀測量的檢核比對結果，表2給出了E12管節尾端定位采用測量塔GPS-RTK測量和貫通測量的比對結果。從表1到表2中的數據可以明顯看出，測量塔定位結果和貫通測量結果相差不大，也就證明了該方法的正確性，并且從表1的數據結果可以分析得出，全站儀代替GPS進行管節尾端絕對定位的精度可以滿足定位要求[3]。

表1 E12管節全站儀檢核比對Table1 Comparison of total station check of E12 tube

表2 E12管節尾端定位結果比對Table 2 Comparison of positioning resultsat the end of E12 tube

5 結語

通過對測量塔法在施工區復雜的水文氣象條件下指導管節沉放定位的探討，分析其適用條件和能夠達到的精度，結合測量塔定位系統在港珠澳大橋島隧工程淺水區向深水區沉管安裝的成功應用，可以看出測量塔法在水下大型構件的安裝控制測量中具有很大的發展前景。

1）測量塔法發揮各種測量方法的優勢，有著較高的精度和可靠性，其作業不受環境和距離限制，適合于地形條件復雜地區、重點工程地區等，對水下大型構件安裝施工測量具有實用參考價值。特別是在當前特大型海底沉管隧道發展的形勢下，由于這些地區水域條件的限制，實施常規測量存在較大困難，測量塔法作業無疑是一種有效的解決手段。

2）測量塔法作業可以大大提高工作效率及成果質量。其不受人為因素的影響，整個作業過程全部由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算，極大地降低了勞動作業強度，提高了作業效率。

3）總結測量塔法在淺水與深水區歷次安裝沉管的經驗，在測量塔結構本身剛性符合設計要求、測量塔與沉管間的相對關系標定精確、測量塔系統的傾斜儀運行正常的條件下，測量塔法完全滿足深水區的測量定位要求。