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理有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

國內沉管隧道測量技術起步較晚，主要是一些高校及科研機構進行了相關研究。李全海、丁美等對海底沉管隧道對接測量方法進行了研究，建立了沉管沉放過程中實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時測量，實現了對管段的實時監控。趙坤對港珠澳大橋沉管隧道測控系統進行了研究[4]，提出了聲吶法與RTK-GPS相結合的大型沉管隧道管節水下定位方法。以往研究多為對單個沉管位置的觀測及監控，而對沉管隧道貫通測量領域的研究較少。沉管隧道貫通測量工作是整個測控系統中的重要組成部分，也是關系到整個沉管隧道能否順利貫通的重要環節。貫通測量的作用主要有兩方面：一是精確測量已沉放管節的安裝姿態及安裝期的橫向變形，以此決策管節的下一步施工(精調整、回填、基礎加固等)；二是根據已安裝管節姿態數據，指導下一個對接管節的預制及安裝過程的姿態控制，實現整個隧道的順利貫通。

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

2 控制測量

2.1 控制網等級

洞外定向邊按照首級加密網的要求布設[6]，平面控制網測設技術要求參照《公路勘測規范》(JTG C10—2007)[7]中公路二等執行，高程控制網測設技術要求按照《國家一、二等水準測量規范》(GB/T 12897—2006)[8]中二等水準網的標準進行施測。洞內控制網采用左右行車道交叉雙導線聯系控制測量，測設技術要求按照《公路勘測規范》(JTG C10—2007)和《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)[9]中有關規定執行，洞外定向邊及進洞導線見圖1。

圖1 洞外定向邊及進洞導線示意

2.2 洞外定向邊布設

洞外采用三點定向進洞測量，LJX2、RJX2點分別設在非通航孔橋面，采用強制觀測墩；SJM08為首級加密控制點，布設在西島測量平臺上，DLQ5、DLQ6點分別設在擋浪墻頂，采用強制觀測墩。每次貫通測量前，按照《公路勘測規范》中公路二等GPS網技術要求進行觀測。

2.3 洞內控制網布設

(1)控制網形的確定

隧道貫通測量洞內控制網布設形式有：單車道單導線、單車道雙導線、雙車道雙導線等。港珠澳大橋沉管為三孔一管廊的結構形式，管節寬37.95 m，左右車道間的中隔墻上設有互通逃生通道。結合管內結構形式，貫通控制網選用網形結構好、內符合精度高的雙車道雙導線網。

①控制點布置

為提高控制網的整體精度，應盡量增大點間的距離，以減少控制點的布置。影響導線網邊長延伸方向點間距的因素有：隧道平曲線、縱坡、洞內施工布置(可調控)、洞內濕度及煙塵濃度等。本工程采用的雙導線網最大邊長為720 m，分別在車道兩側邊溝處設置強制觀測墩，左右車道控制點通過中廊道側墻逃生孔進行觀測，形成雙導線網形結構(其聯系邊長最小為21 m，導線網角度均小于30°)。

②精度分析

設導線測角精度為0.5″，觀測邊長平均為540 m，受條件限制，網形結構存在小角度、長短邊長比例懸殊等情況，實際計算時，對于短邊(如中廊道側墻逃生孔處的聯系邊)，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，洞內導線測量引起的橫向貫通誤差為23 mm，則洞外、洞內控制測量誤差所引起的總橫向貫通中誤差為[11-12]

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

(2)平面控制測量

①洞外定向邊

洞外定向邊采用GPS靜態測量，GPS接收機靜態精度應不低于5 mm+(1×10-6)D，按照《公路勘測規范》中公路二等GPS測量技術要求執行。

②洞內導線

隧道內雙導線網測量具有測邊角度小、人工照準困難、有效測量時段短等特點。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)控制網計算及精度

①洞外控制網平差計算

首先采用TGO商業軟件進行基線計算，然后用CosaGPS工程測量網通用平差軟件進行平差計算。

采用ITRF2005框架坐標系進行三維無約束平差，LJX2大地高的中誤差為±0.25 cm，滿足“控制網最弱點大地高中誤差≤10 mm”的要求；根據隧道工程坐標系的二維約束平差，最弱點點位誤差見表1，LJX2的北坐標分量X中誤差為0.04 cm，東坐標分量Y中誤差為0.04 cm，點位誤差P為0.05 cm，滿足“平面控制網最弱點點位中誤差≤±5 mm”的要求?？绾；€最弱邊為LJX2-DLQ5，其邊長相對中誤差為1/166 000，滿足“GPS平面控制網跨海最弱邊邊長相對中誤差≤1/15萬”的要求。

表1 最弱點點位誤差統計 cm

②洞內導線平差計算

使用“科傻地面控制測量數據處理通用軟件包(CODAPS)”進行導線網的平差。洞外控制網起算點采用《島隧工程首級控制網第十六次復測成果》，最弱點、最弱邊及其精度見表2和表3。

表2 最弱點及其精度 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一組高程基準點，橋臺基礎采用直徑1.5 m嵌巖灌注樁(長時間監測非常穩定)，每個管節沉放前，均從測量平臺控制點引測至高程基準點?？绾Ｈ歉叱虦y量按《國家一、二等水準測量規范》中二等跨江三角高程測量技術要求施測，島上水準測量按國家二等水準測量技術要求聯測至高程貫通測量控制點G23。采用CODAPS軟件進行平差計算。

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

各測回互差數據見表4，各測回互差最大值均滿足限差要求。

表4 測回數據統計 mm

注：每千米水準測量偶然中誤差MΔ取1.0 mm。

3 已沉管節位置測量

在預制場進行管節標定工作，獲得管節各特征點標定成果，通過坐標系轉換參數，計算管節沉放后的設計位置參數(坐標、高程、坡度等)；在洞內貫通控制點設站，測量管節特征點坐標，與管節特征點理論坐標進行比對，獲得已沉管節平面位置、高程及姿態偏差[13]。

3.1 管節標定

建立預制廠坐標系、管節坐標系及隧道工程坐標系間的轉換關系，獲得管節特征點的隧道工程坐標系成果，用于管節沉放后的精度分析。

圖2 管節內部貫通特征點布置

管內貫通特征點布置見圖2，管節內布設4個姿態特征點及2個中廊道貫通測量平高點(共計6個特征點)。在預制場加密控制點設站，對特征點采用盤左盤右觀測(測量結果取平均)，獲得其平面位置。高程測量：從管外引水準高程進入管內，獲得特征點的管節坐標成果。隧道工程系下坐標成果見表5。

表5 E24管節貫通特征點隧道坐標成果

注：此表坐標為安裝到位(S1端鋼殼里程為K8+582.892)后各特征點隧道坐標值，高程值已加預留沉降量4 cm；上表貫通點(GT)和管內沉降點(E24L/R)Z為特征點頂部高程值，管節設計縱坡為-0.023%。

3.2 平面和高程

管節沉放到位后，采用洞內導線測量成果，儀器設站點為DW24-1，后視點為DW23-1，采用左右角兩個測回，測量E24管節GT1和GT8點的三維坐標。與貫通點標定成果進行對比，獲得E24管節安裝軸線和高程偏差(見表6)。

表6 E24管節精調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系值，相應的偏差ΔX即為管節軸線偏差(正為北偏、負為南偏)，ΔY為管節縱向坐標(正為偏東、負為偏西)，ΔZ為管節高程偏差(正為偏高、負為偏低)。

3.3 姿態測量

(1)管節縱向坡率偏差

根據安裝管節特征點GT1和GT8的實測高程和距離，采用三角函數計算管節縱向坡率，并與設計坡率進行對比，得出縱向坡率偏差(見表7)。

表7 E24管節縱向坡率偏差測量數據

注：(1)表為車道上標定高程點縱向坡率偏差結果，縱向坡率偏差為-0.013%，設計縱向坡率為-0.023%，故實測坡率為-0.036%;

(2)貫通測量，管節壓載至1.05抗浮安全系數。

(2)管節橫向坡率偏差

根據管節二次標定提供的左右行車道E24L1、E24R1和E24L2、E24R2兩組對稱高程值，采用電子水準儀同步測量兩組點的高程，并根據兩點的距離、實測高差與設計高差偏差，計算E24管節的橫向姿態、管節橫向坡率偏差(見表8)。

表8 E24管節橫向坡率偏差測量數據及計算

注:(1)管節設計橫坡為0，測點布設在管節側墻內側；

(2)貫通測量時，管節壓載至1.05抗浮安全系數。

3.4 與上一管節的相對關系

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

3.5 已沉管節位置測量結果

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

表9 E24管節與E23管節相對關系 mm

注：E23管節推算數據以貫通結果(E23軸線貫通成果以E24貫通控制網重新測量)加截止2015年12月20日監測值計算；豎直向定位相對偏差中未考慮兩管節碎石層預抬量差值5 mm。

(2)E24管節設計縱向坡率為-0.023%，實測值為-0.036%，偏差-0.013%。

(3)E24管節安裝設計橫向坡率為0，實測值艉端偏差為0.0004%，右車道(北側)高于左車道(南側)。

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

3.6 注意事項

(1)考慮島上無穩定的基準點，每次管節沉放前，均需對洞外控制網按照規定的技術要求進行復測，作為洞內導線的起算成果。

(2)若已沉管節工況發生變化，應按設計要求對管節進行監測，指導下一管節碎石墊層的預抬量。

(3)對已沉管節變形監測數據進行分析及預報，為后續管節的安裝及調整提供可靠依據[14]。

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

4 結束語

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