港珠澳大橋沉管隧道貫通測量方法

李 平

(中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

國內(nèi)沉管隧道測量技術(shù)起步較晚，主要是一些高校及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。李全海、丁美等對海底沉管隧道對接測量方法進(jìn)行了研究，建立了沉管沉放過程中實(shí)時顯示管段位置的測量方案與計算理論，但是未考慮已沉管節(jié)工況及荷載的影響[1-2]；雷巨光研究了沉管隧道施工控制測量方法[3]：采用多臺全站儀同步實(shí)時測量，實(shí)現(xiàn)了對管段的實(shí)時監(jiān)控。趙坤對港珠澳大橋沉管隧道測控系統(tǒng)進(jìn)行了研究[4]，提出了聲吶法與RTK-GPS相結(jié)合的大型沉管隧道管節(jié)水下定位方法。以往研究多為對單個沉管位置的觀測及監(jiān)控，而對沉管隧道貫通測量領(lǐng)域的研究較少。沉管隧道貫通測量工作是整個測控系統(tǒng)中的重要組成部分，也是關(guān)系到整個沉管隧道能否順利貫通的重要環(huán)節(jié)。貫通測量的作用主要有兩方面：一是精確測量已沉放管節(jié)的安裝姿態(tài)及安裝期的橫向變形，以此決策管節(jié)的下一步施工(精調(diào)整、回填、基礎(chǔ)加固等)；二是根據(jù)已安裝管節(jié)姿態(tài)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)下一個對接管節(jié)的預(yù)制及安裝過程的姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)整個隧道的順利貫通。

以港珠澳大橋沉管隧道E24管節(jié)為例[5]，介紹沉管隧道貫通測量過程并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2 控制測量

2.1 控制網(wǎng)等級

洞外定向邊按照首級加密網(wǎng)的要求布設(shè)[6]，平面控制網(wǎng)測設(shè)技術(shù)要求參照《公路勘測規(guī)范》(JTG C10—2007)[7]中公路二等執(zhí)行，高程控制網(wǎng)測設(shè)技術(shù)要求按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)[8]中二等水準(zhǔn)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施測。洞內(nèi)控制網(wǎng)采用左右行車道交叉雙導(dǎo)線聯(lián)系控制測量，測設(shè)技術(shù)要求按照《公路勘測規(guī)范》(JTG C10—2007)和《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)[9]中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，洞外定向邊及進(jìn)洞導(dǎo)線見圖1。

圖1 洞外定向邊及進(jìn)洞導(dǎo)線示意

2.2 洞外定向邊布設(shè)

洞外采用三點(diǎn)定向進(jìn)洞測量，LJX2、RJX2點(diǎn)分別設(shè)在非通航孔橋面，采用強(qiáng)制觀測墩；SJM08為首級加密控制點(diǎn)，布設(shè)在西島測量平臺上，DLQ5、DLQ6點(diǎn)分別設(shè)在擋浪墻頂，采用強(qiáng)制觀測墩。每次貫通測量前，按照《公路勘測規(guī)范》中公路二等GPS網(wǎng)技術(shù)要求進(jìn)行觀測。

2.3 洞內(nèi)控制網(wǎng)布設(shè)

(1)控制網(wǎng)形的確定

隧道貫通測量洞內(nèi)控制網(wǎng)布設(shè)形式有：單車道單導(dǎo)線、單車道雙導(dǎo)線、雙車道雙導(dǎo)線等。港珠澳大橋沉管為三孔一管廊的結(jié)構(gòu)形式，管節(jié)寬37.95 m，左右車道間的中隔墻上設(shè)有互通逃生通道。結(jié)合管內(nèi)結(jié)構(gòu)形式，貫通控制網(wǎng)選用網(wǎng)形結(jié)構(gòu)好、內(nèi)符合精度高的雙車道雙導(dǎo)線網(wǎng)。

①控制點(diǎn)布置

為提高控制網(wǎng)的整體精度，應(yīng)盡量增大點(diǎn)間的距離，以減少控制點(diǎn)的布置。影響導(dǎo)線網(wǎng)邊長延伸方向點(diǎn)間距的因素有：隧道平曲線、縱坡、洞內(nèi)施工布置(可調(diào)控)、洞內(nèi)濕度及煙塵濃度等。本工程采用的雙導(dǎo)線網(wǎng)最大邊長為720 m，分別在車道兩側(cè)邊溝處設(shè)置強(qiáng)制觀測墩，左右車道控制點(diǎn)通過中廊道側(cè)墻逃生孔進(jìn)行觀測，形成雙導(dǎo)線網(wǎng)形結(jié)構(gòu)(其聯(lián)系邊長最小為21 m，導(dǎo)線網(wǎng)角度均小于30°)。

②精度分析

設(shè)導(dǎo)線測角精度為0.5″，觀測邊長平均為540 m，受條件限制，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)存在小角度、長短邊長比例懸殊等情況，實(shí)際計算時，對于短邊(如中廊道側(cè)墻逃生孔處的聯(lián)系邊)，只考慮角度閉合差的影響[10]。通過計算可得沉管隧道的綜合橫向貫通誤差影響值，洞外GPS控制測量引起的橫向貫通誤差為13 mm，洞內(nèi)導(dǎo)線測量引起的橫向貫通誤差為23 mm，則洞外、洞內(nèi)控制測量誤差所引起的總橫向貫通中誤差為[11-12]

根據(jù)上述分析，采用行車道布設(shè)交叉雙導(dǎo)線滿足沉管安裝的設(shè)計要求(±100 mm)。

(2)平面控制測量

①洞外定向邊

洞外定向邊采用GPS靜態(tài)測量，GPS接收機(jī)靜態(tài)精度應(yīng)不低于5 mm+(1×10-6)D，按照《公路勘測規(guī)范》中公路二等GPS測量技術(shù)要求執(zhí)行。

②洞內(nèi)導(dǎo)線

隧道內(nèi)雙導(dǎo)線網(wǎng)測量具有測邊角度小、人工照準(zhǔn)困難、有效測量時段短等特點(diǎn)。測量過程中，采用Leica TS30高精度全站儀自動全圓法多測回測角，以減小人為因素給觀測精度帶來的影響。

(3)控制網(wǎng)計算及精度

①洞外控制網(wǎng)平差計算

首先采用TGO商業(yè)軟件進(jìn)行基線計算，然后用CosaGPS工程測量網(wǎng)通用平差軟件進(jìn)行平差計算。

采用ITRF2005框架坐標(biāo)系進(jìn)行三維無約束平差，LJX2大地高的中誤差為±0.25 cm，滿足“控制網(wǎng)最弱點(diǎn)大地高中誤差≤10 mm”的要求；根據(jù)隧道工程坐標(biāo)系的二維約束平差，最弱點(diǎn)點(diǎn)位誤差見表1，LJX2的北坐標(biāo)分量X中誤差為0.04 cm，東坐標(biāo)分量Y中誤差為0.04 cm，點(diǎn)位誤差P為0.05 cm，滿足“平面控制網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差≤±5 mm”的要求。跨海基線最弱邊為LJX2-DLQ5，其邊長相對中誤差為1/166 000，滿足“GPS平面控制網(wǎng)跨海最弱邊邊長相對中誤差≤1/15萬”的要求。

表1 最弱點(diǎn)點(diǎn)位誤差統(tǒng)計 cm

②洞內(nèi)導(dǎo)線平差計算

使用“科傻地面控制測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包(CODAPS)”進(jìn)行導(dǎo)線網(wǎng)的平差。洞外控制網(wǎng)起算點(diǎn)采用《島隧工程首級控制網(wǎng)第十六次復(fù)測成果》，最弱點(diǎn)、最弱邊及其精度見表2和表3。

表2 最弱點(diǎn)及其精度 cm

表3 最弱邊及其精度

2.4 高程控制測量

在東、西人工島非通航孔橋臺上分別布設(shè)一組高程基準(zhǔn)點(diǎn)，橋臺基礎(chǔ)采用直徑1.5 m嵌巖灌注樁(長時間監(jiān)測非常穩(wěn)定)，每個管節(jié)沉放前，均從測量平臺控制點(diǎn)引測至高程基準(zhǔn)點(diǎn)。跨海三角高程測量按《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中二等跨江三角高程測量技術(shù)要求施測，島上水準(zhǔn)測量按國家二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求聯(lián)測至高程貫通測量控制點(diǎn)G23。采用CODAPS軟件進(jìn)行平差計算。

根據(jù)《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)中的規(guī)定，各雙測回的互差限差公式為

各測回互差數(shù)據(jù)見表4，各測回互差最大值均滿足限差要求。

表4 測回數(shù)據(jù)統(tǒng)計 mm

注：每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差MΔ取1.0 mm。

3 已沉管節(jié)位置測量

在預(yù)制場進(jìn)行管節(jié)標(biāo)定工作，獲得管節(jié)各特征點(diǎn)標(biāo)定成果，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算管節(jié)沉放后的設(shè)計位置參數(shù)(坐標(biāo)、高程、坡度等)；在洞內(nèi)貫通控制點(diǎn)設(shè)站，測量管節(jié)特征點(diǎn)坐標(biāo)，與管節(jié)特征點(diǎn)理論坐標(biāo)進(jìn)行比對，獲得已沉管節(jié)平面位置、高程及姿態(tài)偏差[13]。

3.1 管節(jié)標(biāo)定

建立預(yù)制廠坐標(biāo)系、管節(jié)坐標(biāo)系及隧道工程坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得管節(jié)特征點(diǎn)的隧道工程坐標(biāo)系成果，用于管節(jié)沉放后的精度分析。

圖2 管節(jié)內(nèi)部貫通特征點(diǎn)布置

管內(nèi)貫通特征點(diǎn)布置見圖2，管節(jié)內(nèi)布設(shè)4個姿態(tài)特征點(diǎn)及2個中廊道貫通測量平高點(diǎn)(共計6個特征點(diǎn))。在預(yù)制場加密控制點(diǎn)設(shè)站，對特征點(diǎn)采用盤左盤右觀測(測量結(jié)果取平均)，獲得其平面位置。高程測量：從管外引水準(zhǔn)高程進(jìn)入管內(nèi)，獲得特征點(diǎn)的管節(jié)坐標(biāo)成果。隧道工程系下坐標(biāo)成果見表5。

表5 E24管節(jié)貫通特征點(diǎn)隧道坐標(biāo)成果

注：此表坐標(biāo)為安裝到位(S1端鋼殼里程為K8+582.892)后各特征點(diǎn)隧道坐標(biāo)值，高程值已加預(yù)留沉降量4 cm；上表貫通點(diǎn)(GT)和管內(nèi)沉降點(diǎn)(E24L/R)Z為特征點(diǎn)頂部高程值，管節(jié)設(shè)計縱坡為-0.023%。

3.2 平面和高程

管節(jié)沉放到位后，采用洞內(nèi)導(dǎo)線測量成果，儀器設(shè)站點(diǎn)為DW24-1，后視點(diǎn)為DW23-1，采用左右角兩個測回，測量E24管節(jié)GT1和GT8點(diǎn)的三維坐標(biāo)。與貫通點(diǎn)標(biāo)定成果進(jìn)行對比，獲得E24管節(jié)安裝軸線和高程偏差(見表6)。

表6 E24管節(jié)精調(diào)后貫通測量軸線偏差

說明：表中“X、Y、H”值為港珠澳大橋坐標(biāo)系值，相應(yīng)的偏差ΔX即為管節(jié)軸線偏差(正為北偏、負(fù)為南偏)，ΔY為管節(jié)縱向坐標(biāo)(正為偏東、負(fù)為偏西)，ΔZ為管節(jié)高程偏差(正為偏高、負(fù)為偏低)。

3.3 姿態(tài)測量

(1)管節(jié)縱向坡率偏差

根據(jù)安裝管節(jié)特征點(diǎn)GT1和GT8的實(shí)測高程和距離，采用三角函數(shù)計算管節(jié)縱向坡率，并與設(shè)計坡率進(jìn)行對比，得出縱向坡率偏差(見表7)。

表7 E24管節(jié)縱向坡率偏差測量數(shù)據(jù)

注：(1)表為車道上標(biāo)定高程點(diǎn)縱向坡率偏差結(jié)果，縱向坡率偏差為-0.013%，設(shè)計縱向坡率為-0.023%，故實(shí)測坡率為-0.036%;

(2)貫通測量，管節(jié)壓載至1.05抗浮安全系數(shù)。

(2)管節(jié)橫向坡率偏差

根據(jù)管節(jié)二次標(biāo)定提供的左右行車道E24L1、E24R1和E24L2、E24R2兩組對稱高程值，采用電子水準(zhǔn)儀同步測量兩組點(diǎn)的高程，并根據(jù)兩點(diǎn)的距離、實(shí)測高差與設(shè)計高差偏差，計算E24管節(jié)的橫向姿態(tài)、管節(jié)橫向坡率偏差(見表8)。

表8 E24管節(jié)橫向坡率偏差測量數(shù)據(jù)及計算

注:(1)管節(jié)設(shè)計橫坡為0，測點(diǎn)布設(shè)在管節(jié)側(cè)墻內(nèi)側(cè)；

(2)貫通測量時，管節(jié)壓載至1.05抗浮安全系數(shù)。

3.4 與上一管節(jié)的相對關(guān)系

管節(jié)間的相對位置關(guān)系包括水平向相對偏差和豎直向相對偏差。根據(jù)管節(jié)安裝定位測量成果及端鋼殼間的距離關(guān)系，貫通測量成果應(yīng)考慮截止本管節(jié)安裝前的沉降位移累計檢測值，E24管節(jié)與E23管節(jié)相對偏差見表9。

3.5 已沉管節(jié)位置測量結(jié)果

(1)管節(jié)艏端(對接端)軸線向北偏移了41.7 mm，高程偏高4.5 mm；管節(jié)艉端軸線向北偏移了41.3 mm，高程偏高25.1 mm；均滿足設(shè)計要求。

表9 E24管節(jié)與E23管節(jié)相對關(guān)系 mm

注：E23管節(jié)推算數(shù)據(jù)以貫通結(jié)果(E23軸線貫通成果以E24貫通控制網(wǎng)重新測量)加截止2015年12月20日監(jiān)測值計算；豎直向定位相對偏差中未考慮兩管節(jié)碎石層預(yù)抬量差值5 mm。

(2)E24管節(jié)設(shè)計縱向坡率為-0.023%，實(shí)測值為-0.036%，偏差-0.013%。

(3)E24管節(jié)安裝設(shè)計橫向坡率為0，實(shí)測值艉端偏差為0.0004%，右車道(北側(cè))高于左車道(南側(cè))。

(4)E24與E23管節(jié)端面相對偏差：E24橫向(水平向)偏北0.8 mm，豎向偏高13.8 mm，滿足設(shè)計要求。

3.6 注意事項(xiàng)

(1)考慮島上無穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，每次管節(jié)沉放前，均需對洞外控制網(wǎng)按照規(guī)定的技術(shù)要求進(jìn)行復(fù)測，作為洞內(nèi)導(dǎo)線的起算成果。

(2)若已沉管節(jié)工況發(fā)生變化，應(yīng)按設(shè)計要求對管節(jié)進(jìn)行監(jiān)測，指導(dǎo)下一管節(jié)碎石墊層的預(yù)抬量。

(3)對已沉管節(jié)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及預(yù)報，為后續(xù)管節(jié)的安裝及調(diào)整提供可靠依據(jù)[14]。

(4)碎石墊層整平完成后，及時進(jìn)行管節(jié)沉放，以防止回淤對管節(jié)安全及沉放精度的影響[15-16]。

4 結(jié)束語

貫通測量工作是指導(dǎo)沉管隧道管節(jié)安裝的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。以港珠澳大橋沉管隧道為研究對象，洞內(nèi)導(dǎo)線采用雙車道雙導(dǎo)線法測量(導(dǎo)線長邊平均邊長540 m)。使用Leica TS30高精度全站儀，自動全圓法多測回測角觀測，高程采用水準(zhǔn)法測量。經(jīng)過平差計算，獲得貫通控制點(diǎn)成果、測量貫通特征點(diǎn)及姿態(tài)特征點(diǎn)，通過計算成果與設(shè)計值的比對，管節(jié)軸線、高程、相鄰管節(jié)橫向及豎向相對偏差均滿足規(guī)范要求。