钢壳沉管端钢壳三维姿态验收测量技术

朱书敏，李创武，王 永，方 圆

(保利长大工程有限公司，广州 510620)

1 工程概况

深中通道是连接珠江两岸的战略性跨江通道，是集“超宽海底隧道、超大跨径桥梁、深水人工岛、水下互通”为一体的跨海集群工程，是继港珠澳大桥之后，我国又一项世界级重大跨海交通工程。

深中通道海底隧道工程全长6 845m，其中沉管隧道段起于K7+030，止于K12+065，全长5 035m。隧道由32节(E32～E1)钢壳预制管节组成，其中标准管节长165m，曲线变宽管节长123.8m，最终接头设置在E23/E22之间。隧道由东向西管节整体组成方案：5×123.8m(非标准段)26×165m(标准段)+123.8m(非标准段)=5 035m。隧道断面采用两孔一管廊截面形式，按施工部位划分管节结构主要由顶板、底板、侧墙及中墙四个部位组成，采用钢壳混凝土组合结构，如图1和图2所示。

图1 标准管节、非标准管节横断面(单位：cm)

图2 钢壳管节结构形式

作为管节柔性接头的关键构件，端钢壳设置在沉管管节两端，与管节混凝土联为一体。为安装GINA和OMEGA止水带而设置在管节端部的钢构件，是管节结构重要的永久性构件，图3为沉管端钢壳及止水带结构。

图3 深中通道沉管端钢壳及止水带结构

2 端钢壳验收测量内容与测量技术

2.1 验收测量内容

(1)测量端钢壳端面板的平整度。端面板平整度影响止水带安装后的止水功能，直接引申至管节沉放安装后的一级防水功能，可见端钢壳平整度的重要性。

(2)测量端钢壳的水平偏角、竖向偏角。端钢壳的水平偏角、竖向偏角是沉管端钢壳设计要素之一，主要考虑管节与管节之间的准确衔接。

两节管节对接时，端钢壳的水平偏角直接影响隧道线形偏移，多节管节对接后，其最终走向是否符合设计要求，关键在于端钢壳制作到预制后的水平偏角的偏移量；同理，端钢壳的竖向偏角也直接影响管节与管节之间的纵坡走向，多节管节对接后，若竖向偏角偏差较大，其纵坡会偏离设计要求，造成影响后续铺装层施工的难度增大。

综上所述，端钢壳水平偏角、竖向偏角一定程度上间接影响沉管贯通后路面是否美观圆顺，行车是否舒适、平顺。

2.2 验收测量技术

利用高精度全站仪+全圆法观测软件+MATLAB数学软件对沉管端钢壳进行验收测量。全站仪结合全圆观测法软件可自动化、快速、多次测量目标，剔除误差值，并自动计算、输出三维坐标；内业利用MATLAB数学软件，对外业采集的三维坐标，可快速地处理并得到各项目标值(平整度、水平偏角、竖向偏角)，从而评定端钢壳最终施工的质量。该测量技术工艺流程如图4所示。

图4 沉管端钢壳验收测量技术工艺流程

2.2.1 全站仪+全圆观测法测量原理

本技术采用的全站仪(Leica TM50)测角精度为0.5″,测距精度为0.6mm+1ppm，另外加上全站仪内配置测量软件-全圆观测法软件，该软件能够指挥全站仪自动测量多测回角(水平角、竖直角)、距离、高程等。

(1)在已知控制点上架设全站仪，设置全圆观测程序(全站仪内置)。根据端钢壳测量的要求，可将程序中的全站仪2C值(一个测回内盘左、盘右照准同一目标时的水平角读数之差)调至3″以内，甚至更低；同时将全站仪竖盘指标差(一个测回内盘左、盘右照准同一目标时的水平角读数之差)调至3″以内，甚至更低。以上全站仪2C值和竖盘指标差的调校使得测量点位精度高。

(2)测量前进行全站仪内部检校，使得各项指标(水平角、竖直角、测距)正常。

(3)测量人员操作全站仪对准各个测量点进行观测并记录。

(4)全站仪根据人为操作的记忆(记忆方位角，全圆观测软件作用)，对测量点进行多次观测(即测回法)。若测量过程中2C值和竖盘指标差超限，全站仪会发出提示，测量人员根据需要重新观测或者剔除超限点，并自动保存测量值。

(5)以上操作完后，全圆观测法软件根据各个点位的水平角θ水、水平距离l距、竖直角θ竖，利用已知控制点坐标推算各个观测点的坐标。

因为全站仪自动对测点进行观测后，每个测点有多组水平角、水平距离、竖直角数据，全圆观测程序经过多组数据的计算后进行平均取值，最终得到每个测点的精确数据。同时可以根据多组水平角、水平距离、竖直角，人为地进行平差，由于0.5″全站仪精度较高，直接进行平均取值即可。

2.2.2 MATLAB数学软件编程原理

外业采集完数据后，利用编好程序的MATLAB数学软件，计算端钢壳的平整度、水平偏角、竖向偏角等。

计算前先将全站仪测量的点位数据导出、整理，形成一定格式的电子数据，这样更有利于后续的数据快速、方便地处理。

3 工程应用

保利长大工程有限公司承担深中通道S08合同段，即沉管隧道东侧E32～E23共10节管节的施工任务，里程桩号为K7+030～K8+474。

3.1 测量技术的分析与选取

(1)沉管管节断面尺寸大，根据业主要求，测量点位密度高，测点间距仅1m甚至0.5m，为此采集数量很大。管节两端共254个点，为了提高精度需测2至3个测回，两个端面需要测4～6个测回，而高精度全站仪+全圆法观测软件+MATLAB数学软件可较好地解决该技术难题。

(2)沉管管节座放位置与船坞相距较窄，摆放全站仪的位置距离端钢壳仅10余m，因此有必要采取全圆法观测软件自动监测，减少测量误差。

(3)常规塞尺测量平整度点较多，精度低，工作时间较长，劳动力较大，传统的吊铅球法测量端钢壳竖直角不精确，难以测量水平角。

(4)高精度全站仪+全圆法观测软件+MATLAB数学软件在某种程度上突破了传统的测量方法，既有全站仪单独测量快速、精准的功效，又能实现自动化测量(全圆观测法作用)，同时实现大数据处理，呈现三维效果(MATLAB数学软件作用)。

3.2 E32管节测量成果

在E32管节上进行了多次实测和分析，采用高精度全站仪+全圆法观测软件对端钢壳态进行了精确测量，获取了精准的三维数据，使用MATLAB数学软件拟合端钢壳面板平整度、水平偏角、竖向偏角等线型参数，以推断管节制作精度，并可以预推沉管管节拼接偏差。

通过浇筑前、后E32管节端钢壳测量数据的分析对比，平整度、水平角、竖直角的微小变化量均可以充分体现。

表1测量数据分析显示，浇筑前端钢壳首端平整度凸起最大值3.94mm，凹进最大值3.45mm，平整度数值区间在(-3.94，3.45)mm；尾端平整度凸起最大值3.49mm，凹进最大值3.02mm，平整度数值区间在(-3.49，3.02)mm，测量精度mm级。

表1 浇筑前E32管节端钢壳测量数据分析

首端竖向偏角-89.53315°，水平偏角-0.71012°；尾端竖向偏角-89.52006°，水平偏角0.70853°。竖向偏角、水平偏角分别与设计对比都在秒级范围，转换到长度同样是毫米级精度。

表2测量数据分析显示，浇筑前端钢壳首端平整度凸起最大值3.27mm，凹进最大值3.27mm，平整度数值区间在(-3.27，3.27)mm；尾端平整度凸起最大值5.12mm，凹进最大值6.64mm，平整度数值区间在(-5.12，6.64)mm，测量精度mm级。

表2 浇筑后E32管节端钢壳测量数据分析

首端竖向偏角-89.52582°，水平偏角0.71193°；尾端竖向偏角-89.52141°，水平偏角-0.71005°。竖向偏角、水平偏角分别与设计对比均在11级范围，转换到长度同样是mm级精度。

工程实践表明，对于大型沉管管节，高精度全站仪+全圆法观测软件+MATLAB数学软件测量技术的精度高，该验收测量技术可靠。

4 结语

高精度全站仪+全圆法观测软件+MATLAB数学软件已经应用于深中通道E31、E30、E29、E28管节端钢壳测量，后续的E27～E23管节可继续采用该测量方法。浇筑前后均能顺利地测量、评定端钢壳制作与浇筑精度，为管节预制提供了很好的反馈，同时为后续的沉管隧道监测提供借鉴。

经施工现场管节端钢壳三维姿态的多次验收测量及其数据分析，该测量技术解决了钢壳端验收测量的各项难题，具有精度高、快速、高可靠性能，实现了自动化大数据采集与分析的目的，同时能够满足施工精度要求。