漂浮狀態下沉管標定方法研究

孫陽陽 ，賈旭 ，徐良

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.天津市水下隧道建設與運維技術企業重點實驗室，天津 300461）

0 引言

隨著社會的進步和科技的發展，為解決陸上交通擁堵，又同時保證水域航運船只正常通行，沉管隧道技術越來越廣泛的應用于水上交通工程。沉管隧道作為重要的跨水陸兩域交通基礎設施形式，已經在港珠澳大橋海底隧道、深中通道及大連灣海底隧道等工程中取得應用。目前沉管安裝測控定位方法主要有測量塔全站儀定位法[1-2]、測量塔GPS 定位法[3]、機械拉線定位法、超短基線聲學定位法、水下攝影法、貫通測量等方法。超短基線聲學定位法、機械拉線定位法、水下攝影法等主要應用于管節首端的相對定位，而測量塔相關的方法則可以實現沉管安裝首尾端絕對定位。目前國內主要沉管隧道，如：港珠澳大橋海底隧道采用測量塔和超短基線聲學定位法相結合的方式進行沉管的安裝定位，深中通道和大連灣海底隧道采用雙測量塔的方式進行沉管的安裝定位。

采用測量塔法進行沉管安裝，由于沉管會全部沉入水面以下，只能通過高于水面一定高度的測量塔頂的GNSS 定位設備來進行沉管定位安裝指揮。這就需要事先標定出測量塔頂的GNSS 設備同管節定位特征點之間的相對位置關系，但受沉管安裝工藝影響，管節橫移至舾裝區后才進行測量塔的安裝，此時管節處于漂浮狀態，會隨著波浪晃動，給準確推算二者的相對位置關系帶來困難。本文對5 種漂浮狀態下測量塔的標定方式進行介紹，并對其優劣性進行分析。

1 管節漂浮標定方法介紹

1.1 GNSS 同步標定法

GNSS 同步標定法是利用GNSSRTK 同步觀測，利用坐標轉換[4]的一種浮態標定方法。管節預制完成后，一次舾裝區陸域固定不變的情況下，在管節頂面布設4 個特征點G1—G4，并標定出特征點同管節的相對位置關系。然后將管節橫移至二次舾裝區，在水域漂浮狀態下完成測量塔安裝，并在測量塔頂布設2 個特征點G5 和G6。在特征點G1—G6 處分別安置GNSS 定位設備，6 臺GNSS 設備利用RTK 測量模式同步采集數據。選取多組同步數據，利用管頂G1—G4 同管節相對位置關系，推算測量塔頂特征點G5 和G6 同管節的相對位置關系。示意圖見圖1。

圖1 GNSS 同步標定法示意圖Fig.1 Schematic diagram of GNSS synchronization calibration method

1.2 全站儀浮態標定法

全站儀浮態標定法是一種直接標定成果的檢核方法[4]。棱鏡特征點布置同GNSS 同步標定法類似，共布置6 個特征點。選擇天氣良好的時段，利用安裝船壓載水系統，通過安裝在管內的傾斜儀數據將管節調平，在特征點L1—L6 處安置棱鏡，在管節頂面選取合適位置架設全站儀，將全站儀精平后關掉自動補償功能，使全站儀豎軸與管節坐標系XOY 平面垂直。利用特征點L1—L4同管節相對位置的管節坐標，采用后方交會測量方式，依次觀測特征點L5 和L6 處棱鏡。此方法可以直接測出L5 和L6 同管節相對位置的管節坐標。示意圖見圖2。

圖2 全站儀浮態標定法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the floating calibration method of the total station

1.3 全站儀同步標定法

全站儀同步標定法是利用岸上架設全站儀同步標定測量塔的一種浮態標定方法。特征點的布置同全站儀浮態標定法一致。在二次舾裝區岸邊選取6 個測站點架設全站儀，同步觀測特征點L1—L6 上的棱鏡。6 臺儀器采集數據通過數傳電臺實時同步傳至計算機，測量出6 個特征點的相對位置關系。利用管節頂面特征點L1—L4 同管節相對位置的管節坐標，通過坐標轉換，推算測量塔頂特征點L5 和L6 同管節相對位置關系。

1.4 空間距離交會測量法

空間距離交會測量法是利用測邊交會反求坐標的一種推算方法。在干塢內布設管節中間的特征點S1—S3，測量塔安裝完成后，利用全站儀測量S1—S3 同特征點L5、L6 之間的距離關系。根據S1—S3 的管節坐標，結合S1—S3 同特征點L5和L6 的空間距離，構建空間距離方程[5-6]，從而確定測量塔頂特征點L5 和L6 同管節的相對位置關系。

1.5 雙目視覺立體成像技術標定法

雙目視覺立體成像技術標定法是通過2 臺照相機在岸上對水中漂浮的管節進行測量，獲得管節及測量塔頂特征點在像空間坐標系下的三維坐標，進而解算特征點間的空間關系[7-8]。由于管節較長，可分兩次進行拍攝，得到特征點的相對幾何關系。根據管節頂面特征點在管節坐標系下的坐標，解算測量塔頂2 個特征點的管節坐標，從而確定測量塔頂2 個特征點同管節的相對位置關系。

2 標定方法對比

5 種沉管浮態標定方法各有優缺點，對比結果見表1。

表1 漂浮狀態下沉管浮態標定方法對比Table 1 Comparison of floating calibration methods for immersed tube in floating state

5 種漂浮狀態下沉管標定方法在不同水域測量環境下可達到的精度詳見表2。

表2 漂浮狀態下沉管標定方法平面精度對比Table 2 Plane accuracy comparison of calibration methods for immersed tube in floating state cm

全站儀同步標定法對測量操作同步性要求較高，但是多組數據采集結果平均值精度可以達到1 cm，滿足沉管標定精度要求，由于該方法人員及儀器組織較為困難，目前該方法僅應用于沉管標定復核檢測?？臻g距離交會測量法對測量距離精度要求較高，需進行點位網形選取及點的嚴格固定，目前進行的空間距離交會測量法進行漂浮狀態下管節標定，最佳結果2 cm 之內，最差結果為5 cm，測量方法仍需進一步優化。雙目視覺立體成像技術標定法進行沉管漂浮標定成本和操作難度較大，目前還在科研階段。

考慮測量精度并同時考慮人員儀器組織的便利性，目前主要采用的兩種方法為GNSS 同步標定法和全站儀浮態標定法。全站儀浮態標定法對外界環境要求較高，需要風平浪靜、沉管調平的情況下進行測量，但其測量方式簡單、方便，直接測量結果即為管節坐標系下坐標，被廣為使用。港珠澳大橋海底隧道[9-10]、深中通道和大連灣海底隧道工程均采用全站儀浮態標定法、GNSS 同步標定法等進行沉管的標定及檢核。

3 工程應用

大連灣海底隧道是我國北方首條海底沉管隧道，也是國家全面振興東北老工業基地的重大交通基礎設施項目。大連灣地處渤海灣，海面風浪較小，同時管節浮態標定區域位于舾裝區內，周圍有防波堤阻隔，標定外界環境較好。大連灣位于北緯 38°43′—40°12′，東經 120°58′—123°31′之間，電離層對GNSSRTK 衛星信號接收影響較小，故GNSSRTK 測量精度較高。因此，大連灣海底隧道建設工程沉管測量塔浮態標定采用GNSS 同步標定法和全站儀浮態標定法相結合的方式。

GNSSRTK 同步采集時間超過7 h 共計26 575組數據，通過測控系統推算，沉管首尾端測量塔測量結果平面精度可以達到1 cm 之內，測量塔GNSS 同步標定法偏差圖見圖3。

圖3 沉管測量塔GNSS 同步標定法偏差圖Fig.3 Deviation diagram of GNSS synchronous calibration method for immersed tube measuring tower

全站儀浮態標定法對沉管首尾端測量塔2 組棱鏡在不同時間段下采集8 次，共計16 組數據。通過16 組數據散點圖發現，隨著管節在海面上浮動，整體測量點位呈居中分散式分布。然后對這16 組數據進行分析，通過與平均值互差可以發現，測量結果平面精度可以達到1 cm 之內，點位分散圖見圖4（其中S1 為沉管首端測量塔頂棱鏡，W1 為沉管尾端測量塔頂棱鏡）。

圖4 沉管首尾端測量塔2 組棱鏡全站儀浮態標定法采集點位分布散點圖Fig.4 Scatter diagram of point distribution collected by floating calibration method of 2 sets of prism total station for measuring tower at the head and tail end of immersed tube

4 結語

隨著沉管法在大型海底隧道工程中的廣泛應用，漂浮狀態下沉管高精度標定對沉管的精確對接起著至關重要的作用。本文對5 種常見的浮態標定方法進行了研究，并對大連灣海底隧道建設工程沉管測量塔浮態標定所采用GNSS 同步標定法和全站儀浮態標定法進行闡述分析，可為其他類似的海洋工程施工提供參考。同時，隨著社會的發展，管節澆筑、沉管安裝可能均在外海進行，管節的標定條件會更加惡劣，因此，不考慮管節漂浮影響的動態管節標定方法仍需要進一步研究。