南昌紅谷隧道管節沉放安裝可視化監測技術

張　偉， 張　毅， 李志軍

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津　300133； 2. 廣州打撈局， 廣東 廣州　510260；3. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

?

南昌紅谷隧道管節沉放安裝可視化監測技術

張偉1， 張毅2， 李志軍3

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津300133； 2. 廣州打撈局， 廣東 廣州510260；3. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河065201)

為了在保證管節安裝精度的同時加快管節安裝速度，以紅谷隧道管節沉放安裝為例，采用一種可視化監測系統，在全站儀測量法及GPS測量法的基礎上，通過計算機采集處理測量數據，形成可視化模型，并實時反映在終端屏幕上供指揮人員參考。經實測數據與理論精度計算對比表明，可視化監測系統在其精度滿足管節沉放安裝要求的同時，具有高效、直觀的特點，可有效加快管節安裝速度。

紅谷隧道； 沉管法； 沉放； 安裝； 可視化監測

0　引言

自1894年美國在波斯頓修建世界上第1座沉管隧道以來，截至2008年，中國、美國、荷蘭、丹麥、挪威、日本等20多個國家已建成了100多條沉管隧道[1]，并在近幾年呈快速增長態勢。我國沉管法隧道起源于香港地區，發展至今已建成有10余條隧道，主要分布于香港、臺灣、廣州、上海、天津、寧波、舟山等沿海城市或地區，目前在建的沉管法隧道還有佛山東平隧道、港珠澳大橋隧道、南昌紅谷隧道、香港沙中線隧道。管節沉放安裝作為施工過程中極其重要的一環，其施工測量技術直接關系到管節能否順利沉放對接，是沉管法隧道施工中的重點和難點。由于我國使用沉管法進行隧道建設起步較晚，故相關的管節沉放安裝測量技術還在不斷地摸索總結當中，其中許琛等[2]、丁美等[3]、雷巨光[4]對管節安裝測量的原理及精度進行了研究分析； 任朝軍等[5]對國內外的管節安裝測量技術進行了歸納總結； 趙坤[6]、成益品[7]對港珠澳大橋隧道管節安裝測控系統進行了分析； 趙思齊[8]對沉管安裝實時監控系統的開發進行了研究分析。

目前國內外應用較為廣泛的管節沉放測量方法主要有全站儀法、GPS法、聲吶法和機械法，其中國內已建成的沉管法隧道管節沉放測量主要采用全站儀法，且多采用人工測量為主的測量模式，測量效率較低，直接影響到管節安裝速度，加大了管節安裝過程中不確定因素造成的風險，故進行管節安裝可視化實時監測系統的開發是有必要的。本文將對紅谷隧道管節沉放可視化監測技術原理、監測方法及測量精度分析等進行闡述。

1　國內外管節沉放測量技術介紹

1)全站儀法。主要測量設備為測量塔、棱鏡及全站儀，其中棱鏡設置于測量塔頂部，通過岸上設置的全站儀放樣棱鏡的坐標及高程，并比較棱鏡的實際坐標與設計坐標的差值，從而指導沉管的沉放[4]。特點： ①為便于換算，全站儀法通常設置2個計算狀態，即管節調坡前(水平)狀態及管節調坡后狀態，在該2種狀態下，全站儀法的精度較高。②當管節處于橫傾狀態或正在調坡狀態時，全站儀法則無法進行修正，測量精度較低。③全站儀測量受空氣質量、環境濕度、氣壓、溫度影響較大，長距離測量時將影響精度。④需要測量人員不斷測量及換算，速度較慢，同步性較差。

2)GPS法。主要測量設備為測量塔、GPS-RTK基站、GPS-RTK移動站，其中GPS-RTK移動站設置于測量塔頂部，以獲得測量塔特征點的坐標及高程，進而判斷待安裝管節與已安裝管節的相對關系、待安裝管節與基槽的相對關系。特點： ①平面位置測量精度較高，高程測量精度較低。②受測量環境影響較小，但在無信號時無法使用。③測量精度受管節橫傾影響較大。④可通過手簿實時觀測測量數據，同步性較好。

3)聲吶法。主要測量設備為超聲波發射換能器、超聲波接收換能器，分別設置于對接面的2個端面，通過超聲波在換能器之間的傳播時間，計算換能器間距，進而換算成對接面之間的相對位置關系。特點： ①無需測量塔，可用于深水條件下的管節沉放安裝測量。②受水溫、水質影響較大。③測量速度較快，同步性較好。④只能測量對接面2個端面的相對關系，無法測量管節尾部姿態。

4)機械法。主要測量設備為距離傳感器、拉線單元、感應板，分別設置于對接面的兩個端面，沉放初期利用拉線單元測量特征點距離及方位角，沉放后期則利用距離傳感器測量特征點距離，從而達到指導管節沉放的目的，其特點是除不受水溫、水質影響之外，其余與聲吶法基本一致。

2　紅谷隧道管節沉放可視化監測技術原理

紅谷隧道管節沉放可視化監測技術的本質是全站儀法及GPS法的結合改良應用。由于管節沉放時，水流速度一般不大于0.5 m/s，可假設管節-測量塔體系為剛性體系。

在管節沉放前： 1)建立管節坐標系； 2)對測量塔特征點(棱鏡及GPS移動站)進行標定，計算該特征點的管節坐標系三維坐標，并轉換成施工坐標系(南昌城建坐標系)三維坐標； 3)利用上述管節坐標系三維坐標，在計算機內建立整個管節-測量塔體系的可視化模型，并加載至施工坐標系； 4)利用全站儀進行洞內測量，采集已沉放管節或暗埋段的里程、軸線、標高數據，建立可視化模型，并加載至施工坐標系。

在管節沉放時： 1)采用全站儀法及GPS法實時獲得管節2個測量塔特征點的施工坐標系三維坐標、利用姿態傳感器實時采集管節橫傾值； 2)通過網橋或數據線將上述數據傳輸至計算機； 3)將上述施工坐標系三維坐標及管節橫傾值通過軟件進行處理，形成管節可視化模型在施工坐標系中的實時姿態； 4)將實時姿態在指揮終端進行三維顯示，用于指導管節沉放。可視化監測原理見圖1。

圖1　可視化監測原理

3　紅谷隧道管節沉放可視化監測方法

下面以南昌市紅谷隧道工程為例，介紹管節沉放可視化監測方法。

3.1工程概況

南昌市紅谷隧道工程是目前國內最大的內河沉管法隧道工程。本工程沉管段總長1 329 m，共分為12節管節，管節長90～115 m、高8.3 m、寬30 m、質量為22 000～28 000 t； 管頭中部設置1處導向裝置，管尾兩側各設置1處水下垂直千斤頂，3點形成管節沉放對接豎向支撐體系。管節沉放時，要求管頭中部的導向裝置先搭接，再將管尾落座至垂直千斤頂上。管節沉放安裝的主要步驟包括管內壓載、管節初步下沉、靠攏下沉、著地下沉、管節拉合初步止水、水壓接等，而可視化監測技術主要應用于管節初步下沉階段，在靠攏下沉、著地下沉階段則需要采取輔助措施進行測量數據檢驗。

3.2管節坐標系的建立

為實現坐標轉換，需建立管節三維直角坐標系。以設計的管節中軸面與管節底表面在管節末端的交點為原點O，管節中軸線為X軸，指向對接端為正向，指向右側為Y軸，指向管節法線向上為Z軸正方向。這樣管節的底表面位于XOY平面內，末端立面位于YOZ平面內，其他表面分別平行或垂直于坐標面。管節坐標系建立后，管節上任何一點都可以通過測量獲得其管節坐標系中的三維坐標。管節坐標系示意圖見圖2。

圖2　管節坐標系示意圖

3.3管節控制點的測量

在管節頂面上，設置7個控制點，用于二次舾裝時測量塔的校準及其他相關測量，控制點盡量選取管節特征點，如中軸線上、管節角點等。通過測量得出各控制點的管節坐標系坐標。管節控制點的布設及測量須在管節起浮前完成，以減少管節浮態橫傾影響。管節控制點布置示意圖見圖3。

圖3　管節控制點布置示意圖

3.4主要設備的安裝及標定

管節沉放可視化監測主要設備如表1所示。

表1　可視化監測主要設備

3.4.1姿態傳感器的標定

姿態傳感器安裝在管內，在管節塢內起浮前，需對姿態傳感器進行標定，根據實測管節姿態設置姿態傳感器初始值，以管節水平狀態作為零值計算。

3.4.2測量塔的安裝

測量塔的安裝在管節沉放前進行，作為GPS移動站及棱鏡的安裝基礎。

3.4.3GPS-RTK及棱鏡的安裝及標定

GPS-RTK及全站儀在可視化監測系統中的功能近似且沒有明顯界限，當一方出問題時，另一方可作為備用測量方法。GPS-RTK(移動站，下同)及棱鏡安裝在測量塔頂部，棱鏡可選擇360°全方位棱鏡，便于從岸上測站觀測，保證隨時有光路返回。

GPS-RTK及棱鏡的標定采用全站儀三維距離交會的方法進行，下文以GPS-RTK的標定為例，對標定的原理及方法進行說明。在管節上表面預留的3個以上控制點A、B、C、D…上，分別架設全站儀，精確量取儀器高。采用空間測距的方法，交會出測量塔頂部GPS-RTK天線位置(管節坐標系)。由于浮態的沉管表面非水平面，且處于動態，所以全站儀垂直軸非鉛直，不能采用直接測坐標的方法，可采用測斜距的方法以減少測量誤差。

建立數學模型如下：

設GPS-RTK天線位置為(x，y，z)，控制點A、B、C、D…坐標分別為(Xa，Ya，Za)、(Xb，Yb，Zb)、(Xc，Yc，Zc)、(Xd，Yd，Zd)…，儀器高分別為ha、hb、hc、hd…， 令Ha=Za+ha、Hb=Zb+hb、Hc=Zc+hc、Hd=Zd+hd…，測得斜距分別為S1、S2、S3、S4…，此處所述的坐標系均為管節坐標系。則：

…。

當測站點大于3個時，采用最小二乘法獲得方程的最優解(x，y，z)，標定完成。棱鏡及GPS-RTK標定見圖4。

圖4　棱鏡及GPS-RTK標定

3.5管節沉放可視化監測

在管節沉放時，由GPS-RTK/全站儀采集測量塔頂部特征點的三維坐標(X，Y，H)、由姿態傳感器采集管節橫傾數據，通過通訊線纜、無線電數據鏈及串口通訊技術實時傳輸至數據處理計算機，計算以下參數： 管節的姿態數據，包括軸線方位(Heading)、縱向坡度(Pitch)、橫傾(Roll)； 管節首部對接面各個角部特征點實際位置與設計位置的橫差、高差、縱差； 管節尾部底面角部特征點實際位置與設計位置的橫差、高差，再由管節沉放可視化監測軟件形成數字模型實時顯示至各個終端，可從各個視點、多角度觀察沉管的實時姿態和位置，用于指導管節沉放施工。管節沉放可視化監測軟件示意圖見圖5。

圖5　管節沉放可視化監測軟件示意圖

4　測量精度分析

4.1管節沉放平面位置的精度分析

平面位置精度受到各個測量環節上的誤差影響，包括： 特征點測量時的起算點誤差、管節特征點測量誤差、測量塔上GPS位置標定誤差、沉放定位時GPS-RTK的定位誤差和姿態傳感器測量誤差等。

1)測量起算點誤差。測量管節頂面特征點測量時采用預制施工控制網的控制點作為起算數據。根據控制網的設計(城市一級控制網)，控制網驗前單位權中誤差m0=2.5 mm。

2)管節特征點的測量誤差。此項測量精度實為全站儀測量精度，現場使用的全站儀的有棱鏡測距精度為1.5 mm+2 ppm，城市一級控制網平均邊長為1 km，故取此項精度誤差m1=1.5 mm+(2 ppm×1 km)=3.5 mm。

3)GPS-RTK定位平面位置誤差。現場使用的GPS-RTK平面位置動態定位精度(中誤差)為10 mm+1 ppm，基站與移動站間距取1 km，故取此項精度誤差m2=10 mm+(1 ppm×1 km)=11 mm。

4)儀器架設的對中誤差。標定過程中，每個特征點需架設儀器，單次架設儀器的對中誤差可控制在2 mm。不同測量方式的儀器架設誤差可隨機積累，但多次測量時的儀器架設誤差可隨機減弱，2種方式影響的積累效應基本可以相互抵消，故取儀器架設誤差為m3=2.0 mm。

5)GPS位置平面位置測量誤差。以上分析的管節沉放的各項誤差彼此獨立，故塔頂GPS的位置平面位置測量誤差

對沉管沉放來說，還需要計算沿隧道軸線和橫向的平面位置測量誤差，可以認為該誤差在隧道縱向方向和橫向是一致的，故GPS位置的縱向精度和橫向精度

6)傾斜誤差。管節沉放時，由塔頂GPS位置換算到對接面位置時需要進行傾斜改正，傾斜改正的角度來自姿態傳感器的測量結果，其測角精度為0.01°，最不利情況下，測量塔最遠點至管節前端底面角點斜距為32.5 m(實測)，其傾斜誤差

mQZ=mQH=32.5×0.01×3.14/180×1 000=5.6 mm。

4.2管節沉放高程精度分析

1)管節頂面特征點測量的高程精度。由于沉管在一次舾裝區特征點標定時采用二等精密水準測量，故管節頂面的特征點高程精度可以控制在1.0 mm以內。二次舾裝區GPS天線高度的量測也可以用全站儀三角高程測量和經過標定的鋼尺丈量，其量測精度均可控制在3.0 mm以內。因此，認為管頂特征點及測量塔上的GPS點的高程標定精度mv0=4.0 mm。

2)GPS-RTK定位高程誤差。現場使用的GPS-RTK高程動態定位精度(中誤差)為20 mm+1 ppm，基站與移動站間距取1 km，故取此項精度誤差mv1=20 mm+(1 ppm×1 km)=21 mm。

3)傾斜誤差的影響。姿態傳感器誤差對沉管對接面底部左右兩側點的高程影響最大，最大誤差點位于沉管坐標系的Y坐標軸方向上，離開測量塔安裝位置最遠的點處。

取該點與測量塔的Y坐標差為15.0 m(管節寬度的1/2)，姿態傳感器的綜合測量誤差為0.01°，則該位置的姿態傳感器誤差mv2=15.0×1 000×0.01×3.14/180=2.6 mm。

4.3可視化監測應用成果匯總

截至目前安裝完成的E8管節，各管節安裝完成后的軸線洞內測量結果見表2。該測量結果表明，按照本工程管節安裝軸線±3.5 cm的設計允許偏差，可視化監測系統的精度基本可以達到管節安裝精度要求。同時，在管節安裝過程中應充分考慮水流沖擊、管節制作誤差等因素對可視化監測系統精度的影響并按實際工況予以修正。

表2　軸線測量數據匯總

5　結論與討論

相對于常用的全站儀法或GPS法，本工程采用的可視化監測系統有以下特點： 1)在管節沉放測量過程中引入了姿態傳感器，對管節橫傾引起的測量誤差進行了修正，使得測量精度進一步提高。 2)采用了基于數字模型的可視化監測技術，使管節沉放指揮人員可直接根據終端顯示的數據及三維模型下達指令，大大提高了管節沉放安裝效率，其中E6管節整個安裝過程僅耗時6 h。3)采用了全站儀法與GPS法相結合的模式，沉放前期采用GPS法，可實現無人測量； 沉放后期采用全站儀法，測量精度高。4)除沉放后期需要人員操作全站儀跟蹤棱鏡外，其余全過程均由計算機自動采集及處理數據，并顯示至指揮終端，大大減少了測量人員的勞動強度及出錯概率。5)可對管節沉放全過程進行自動記錄，后期可進行回放，以便于技術人員對管節沉放過程進行分析總結。

由于管節沉放安裝容錯率低，故在管節靠攏下沉、著地下沉階段，可采取潛水員探摸測量等輔助措施，對本系統的測量數據進行校核修正。同時，本系統對測量塔的剛度及水深有一定的要求，在水深增大時，測量塔高度也將相應增加，其變形對測量精度的影響也將加大，故應先根據施工實際情況選擇全站儀法、聲吶法等測量方法，再將測量采集的數據與計算機軟件處理相結合，最終形成有針對性的、適用的可視化監測系統。

[1]程樂群,劉學山,顧沖時.國內外沉管隧道工程發展現狀研究[J].水電能源科學,2008, 26(2): 112-115,166.(CHENG Lequn, LIU Xueshan, GU Chongshi. Research on development of immersed tunnel engineering at home and abroad[J]. Water Resources and Power, 2008, 26(2): 112-115,166. (in Chinese))

[2]許琛, 王解先,陸彩萍. 沉管沉放的實時監測[J]. 測繪學報, 2002, 31(增刊1): 70-72. (XU Chen, WANG Jiexian, LU Caiping. Real-time surveying of immersed tube[J]. Acta Geodaetica Et Cartographica Sinica, 2002, 31(S1): 70-72. (in Chinese))

[3]丁美, 潘永仁. 沉管隧道測量技術[J]. 現代隧道技術, 2005, 42(1): 11-15. (DING Mei, PAN Yongren. Surveying techniques for an immersed tube tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2005, 42(1): 11-15. (in Chinese))

[4]雷巨光. 沉管隧道施工控制測量方法研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2010. (LEI Juguang. Research on the method of control surveying in the immersed tube tunnel[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2010. (in Chinese))

[5]任朝軍, 呂黃, 蘇林王,等. 沉管隧道管節沉放實時定位測量技術現狀分析[J]. 現代隧道技術, 2012, 49(1): 44-49. (REN Chaojun, LYU Huang, SU Linwang, et al. The state of real-time positioning measurement technology for immersed tunnels[J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49(1): 44-49. (in Chinese))

[6]趙坤. 港珠澳大橋沉管隧道測控系統研究[D]. 廣州： 華南理工大學, 2015. (ZHAO Kun. Research of the immersed tube tunnel surveying system[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015. (in Chinese))

[7]成益品. 測量塔定位系統在港珠澳大橋沉管安裝中的應用[J]. 中國港灣建設, 2015(7): 36-38. (CHENG Yipin. Application of measuring tower positioning system in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tube installation[J]. China Harbour Engineering, 2015(7): 36-38. (in Chinese))

[8]趙思齊. 用于沉管施工的實時定位系統開發及應用[D]. 上海： 同濟大學, 2007. (ZHAO Siqi. Realtime positioning system in surveying of immersed tube[D]. Shanghai: Tongji University, 2007. (in Chinese))

Visualized Monitoring Technology for Segment Sinking and Installation of Honggu Tunnel in Nanchang

ZHANG Wei1, ZHANG Yi2, LI Zhijun3

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China; 2.GuangzhouSalvageBureau,Guangzhou510260,Guangdong,China; 3.ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

A visualized monitoring system is used in segment installation of Honggu Tunnel in Nanchang, so as to guarantee the segment installation precision and rapid construction. A visualized model is established according to data collection and process based on total station and GPS. The comparison results between measured data and theoretical calculation ones show that the visualized monitoring system is high-efficient and can meet the segment installation precision and speed up the segment installation of immersed tunnel.

Honggu Tunnel; immersed tunnel; segment sinking; segment installation; visualized monitoring

2016-05-10;

2016-06-25

張偉(1977—)，男，河南洛陽人，2002年畢業于長安大學，隧道與地下工程專業，本科，高級工程師，現從事地下工程結構設計工作。

E-mail： 26309996@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.014

U 45

B

1672-741X(2016)09-1120-05