沉管隧道異形管節安裝對接監控技術研究

孔維達

(廣州打撈局，廣州 510260)

香港沙田至中環線(沙中線)項目將鐵路由九龍延伸至香港島，接駁至灣仔北的新車站，再到達金鐘總站。新過海鐵路隧道將采用沉管隧道方式興建，過海鐵路隧道全長約1.7 km，共有11節管段，每節長約156 m，寬約18 m，重約23 000 t，全部在石澳干塢預制，將逐一沉放至維多利亞港海床已挖掘的基槽內，在海中進行對接，構建成為香港第4條過海鐵路隧道。

1 概述

沙中線隧道中彎曲的異形沉管共3節，分別為E1、E10和E11，圖1所示為石澳預制廠內所有的沉管，可以看出沉管彎曲弧度較大，這樣會給沉管的對接監測帶來諸多影響，需要對現有的作業方法及系統進行改進修正。

圖1 石澳預制廠內所有沉管Fig.1 Elements in Shek O Yard

2 沉管定位原理

沉管安裝后的軸線偏差一般為±50 mm，其精度涉及到作業窗口的合理選取、設備性能、沉放設備的操控能力和管節沉放過程中的動態測量水平，通常采用測量塔將沉管的定位由水下轉換成水上[1-2]。安裝對接定位傳統方法為全站儀的光學測量，而目前使用最多的是RTK測量，可以進行實時連續測量，配合軟件系統即可實現數字化、信息化的三維立體顯示[3]。

沉管對接定位原理，其數學模型為

Xp=Xgps+△XR(p,r,h)

(1)

(2)

其中：p=-pitch；r=-roll；h=heading。

式中：Xgps=(x,y,z)T為GPS位置，由RTK直接采集；△X=(△x,△y,△z)T為沉管坐標系中任意一點與GPS的相對位置關系，在沉管坐標系統建立后，其為固定值；R(p,r,h)為歐拉旋轉矩陣；Pitch、roll、heading為沉管瞬時姿態值，由姿態傳感器測量得出。

結合對應的瞬時GPS位置信息和姿態信息，推算出沉管任一點位坐標，從而實現沉管定位功能[4-7]。沉放前需要對GPS、姿態傳感器的初始安裝位置進行精確測量，即安裝校準。

在沙中線沉管隧道定位過程中，我們采用雙備份測量系統，包括兩套RTK測量位置信息，兩套姿態傳感器測量沉管姿態，兩套全站儀棱鏡系統，用于系統檢測與復核。

圖2 沙中線沉管隧道定位系統設備分布Fig.2 Positioning equipment in NSL immersed tunnel

3 異形沉管定位方法

根據定位原理，滿足定位要求的三個要素分別為特征點相對位置關系、沉管姿態、GPS位置信息，依次通過建立沉管坐標系統、姿態監測系統、RTK-GPS觀測系統進行相關數據采集，完成校準及檢核后即可用于沉管的監測工作[8]。異形沉管的不同之處在于如何建立沉管坐標系及對GPS、姿態傳感器的標定校準。

3.1 建立沉管坐標系統

為方便后期測量及控制，將沉管兩個斷面分別命名為對接端和自由端，其中對接端直接與已沉放沉管或者岸埋端相連接，另一端為自由端。選取對接端頂部鋼端殼中點為坐標原點O，以垂直于管節向上方向為Z軸正方向，以對接端頂部鋼端殼中點指向自由端頂部鋼端殼中點為Y軸正方向，定義整個測量坐標系統。

針對沙中線中三條彎曲的異形沉管，采用新的坐標系統定義。原點及Z軸定義不變，定義沿對接端頂部中點向右鋼端殼方向為X軸正方向，其整個坐標系統如圖3所示。

圖3 彎曲沉管坐標系統定義Fig.3 Coordinate system definition of the cure tube

沉管坐標系統建立后，根據各沉管控制點在沉放后絕對坐標及沉管兩端中心點設計坐標，可計算出沉管上各個特征點(沉管控制點及沉管端面角點)相對位置關系，即定位原理中△X。

3.2 姿態監測系統建立及校準

姿態監測系統可獲取沉管系統的旋轉矩陣R(p,r,h)。為保證姿態監測系統測量得出結果直接可用作沉管姿態，通過管內控制點，放樣出坐標系統Y軸平行線，姿態傳感器Heading方向與坐標系統Y軸平行。在沉管兩端各安裝一套姿態監測系統，一主一備。

姿態監測系統在建立時，其艏向與沉管坐標系Y軸保持一致，其誤差基本可以忽略。因此姿態系統采集數據與沉管系統在橫搖和縱搖上存在一個安裝偏差，標定主要計算姿態儀采集數據與沉管坐標系統橫縱搖偏差。

姿態傳感器的標定均在干塢中完成，分為Roll標定和pitch標定兩部分，均可采用靜態全站儀測量方法進行標定，如圖4所示。此外，Roll值標定還可以使用管內連通管讀數進行校準。

圖4 全站儀標定姿態Fig.4 Attitude calibration by total station

對于彎曲型沉管，利用沉管坐標系求出管面控制點2A、3A位于鋼端殼的投影點2#、3#坐標及高程，使用全站儀放樣出位于鋼端殼的2#、3#點位置，并做好標記。全站儀觀測得出1#～4#及2A、3A點三維坐標。利用三角函數關系，求出沉管的實際roll、pitch值。

roll=tan-1(△h14/D14)

(3)

pitch=tan-1[(△h2a2-△H2a2)/D2a2]

(4)

式中：△h表示兩點實測高差；△H表示兩點設計高差；D表示兩點距離。多選取幾組控制點進行測量計算，取平均得出沉管的實際roll與pitch值。Roll值也可以使用管內預留連通管使用三角函數關系計算得出。

標定得出沉管實際roll和pitch值與姿態傳感器采集數據差值即為姿態傳感器改正值，改正后姿態測量數據可當作沉管系統的roll與pitch值。

Heading一般通過兩測量塔上RTK平面坐標進行計算得出，沙中線測量塔之間距離約為110 m，不同沉管略有不同，按照RTK平面測量精度±15 mm計算，其艏向精度約為0.016°，遠高于姿態傳感器直接測量0.1°精度。

3.3 RTK GPS校準

RTK GPS天線在測量塔舾裝后才可進行固定安裝，設備安裝結束后，選取沉管上任一控制點架設全站儀，使用另外一個或者多個控制點作為后視，觀測管面其他控制點及測量塔頂部棱鏡位置，同時記錄全站儀觀測期間沉管的Roll和Pitch值。觀測值經過縱傾和橫傾的傾斜改正后，計算得到RTK GPS天線、棱鏡的坐標及高程，作為管節沉放時測量設備的偏移量。多組測量值獨立運算后，取平均值作為最終設備標定結果。

4 監控系統

沉管安裝對接監控系統采用C#語言和WPF技術編寫，針對沉管沉放安裝過程，融合RTK GPS、姿態監測系統、無線數據通訊等設備，通過穩定可靠的數據傳輸、科學高效的數據處理分析、逼真形象的數據展現和完整實用的數據管理，結合沉管的設計位置和水深地形等，實現管節的實時定位，指導沉管的安裝作業。

該系統具有典型的面向對象特征，利用面向對象的封裝、繼承和多態等設計方法將系統中涉及的沉管、設備、地形等抽象為具有屬性、方法的類，提高了代碼的可讀性和系統的可維護性，使系統易于擴展。使用C#作為系統的開發語言，具有開發效率高、代碼簡潔和結構清晰等突出優點。系統使用WPF技術構建了用戶界面，提供了統一的編程模型、語言和框架，做到了分離界面設計人員與開發人員的工作，同時還提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面[9-11]。圖5所示為E10節彎曲的異形沉管安裝對接時的監控系統界面。

圖5 E10管節安裝對接監控系統界面Fig.5 Installation monitoring system interface of E10

5 軸線偏差控制

在通過RTK和姿態儀等指導管節安裝對接完成后，還需要對管節的軸線偏差進行測定。通常情況下采用貫通測量的方法。這種方法耗時長效率低，對于彎曲的異型管，需要布設更多的管內控制點，影響工作效率和精度。本工程采用了鉛錘激光儀的方式進行管節軸線偏差的測定，更加高效準確。

在管節人孔位置的管內布設控制點，作為鉛錘激光儀的設站點，對中整平后打開鉛錘激光儀，激光束即可向上投射。在測量塔頂部放一塊玻璃板，就可以觀察到投射上來的紅色激光束。為了消除豎軸不垂直水平軸產生的誤差，需繞豎軸轉動照準部，讓水平度盤分別在0°、90°、180°、270°四個位置上，觀察光斑變動位置，并作標記。若有變動，其變動的位置成十字的對稱型，對稱連線的交點即為精確的鉛垂儀正中點，在該點上架設棱鏡，使用岸邊的全站儀就可以直接測定該點坐標，從而得到管節軸線偏差。

下面對激光鉛錘儀投點引起的誤差進行精度分析：

向上激光量程h上=測量塔高+管節高-儀器高=29.4 m+8.726 m-1.4 m=36.726 m

向上對中誤差m上=h上×tan(ψ1)=36.726×tan(5″)=0.000 9 m

向下激光量程h下=儀器高=1.4 m

向下對中誤差m下=h下×tan(ψ2)=1.4 m×tan(1″)=6.78×10-6m

測量塔頂部三腳架棱鏡對中誤差最大值取m0≤±2 mm

以上分析的各項誤差彼此獨立，由誤差傳播定律公式得出

(5)

管節軸線偏差限差50 mm，鉛錘激光儀投點精度完全可以滿足要求。

本工程自2017年5月3日進駐項目現場，經歷一個月設備前期準備階段，于2017年6月10日完成第一節沉管的安裝對接，至2018年4月12日最后一節沉管沉放到位，歷時近一年完成11節沉管的安裝對接監控作業。表1所示為三節異形沉管的軸線偏差情況，正表示管節偏軸線左側，負表示管節偏軸線右側。

表1 軸線偏差統計表Tab.1 Statistical of axis deviation mm

從表1中可以看出，監控系統得到的管節軸線偏差與全站儀測得結果差值均小于20 mm，鉛錘激光儀測量結果與全站儀結果接近，以全站儀貫通測量作為最終的驗收結果，這3節彎曲的異形沉管安裝誤差均小于50 mm的限差，說明此監控系統方法可行，結果準確可靠。

7 結論

根據沙中線沉管隧道的實際工程需求，開發了異形沉管安裝對接監控系統，采用RTK+姿態傳感器的方式，結合彎曲管節模型，實現了大弧度彎曲沉管的安裝對接，同時也指導了常規的矩形沉管的安裝對接，對現場施工具有重要的指導意義，極大地提高沉管安裝作業的效率和準確性，有效降低了作業風險和成本。隨著我國沉管隧道建設的不斷開展，本系統可以推廣借鑒到其他類似沉管隧道工程中。