沉管隧道安装测量塔投点贯通测量技术

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

0 引言

沉管隧道管节沉放控制的精度要求很高，非最终接头的管节沉放对接轴线偏差允许值为±50 mm，最终接头贯通面的偏差控制要求小于50 mm，这一贯通偏差控制要求明显高于现有隧道工程贯通测量的规范规定[1]。沉管隧道由大型预制构件对接安装组成，隧道两端口分别与东、西人工岛暗埋段相连，受沉管隧道长、沉放对接环境复杂、管节沉放水深大、测量控制点不稳定等因素综合影响，给贯通测量的精度控制带来了非常大的技术难度；同时，由于沉管隧道进、出口两端均由人工岛组成，受人工岛的地形条件、潮汐、风浪、人工岛体沉降位移等因素影响，进洞口测站定向边偏短，自然会影响到进洞定向的观测精度[2]。因此，采用现有的测量技术手段如何实施并保证沉管隧道最终接头的轴线偏差要求，对沉管隧道的准确贯通起到了非常关键的作用。

1 工程概况

目前，国内有代表性大型沉管隧道工程主要有已建设完工通车的港珠澳大桥沉管隧道工程和正在建设的深圳至中山跨江通道（简称“深中通道工程”）沉管隧道工程。港珠澳大桥沉管隧道由33节混凝土沉管对接组成，深中通道沉管隧道由32节钢壳沉管隧道对接组成，就沉管隧道安装而言，深中通道沉管隧道管节体形更大，管节沉放控制的精度要求更高。为保证隧道预沉放管节和已沉放管节的安全对接，以及沉管隧道的最终顺利贯通，结合沉管安装工法，先后在港珠澳大桥与深中通道工程沉管安装过程中，采用测量塔人孔井激光投点方法对管内贯通测量结果进行检核验证。

2 投点方案设计

2.1 投点方法研究

采用测量塔测控方法安装沉管时，在管节首尾端会安装格构式钢结构测量塔，用以安装测量定位设备，测量塔高度根据管节沉放水深调节，始终保持测量定位设备露出水面[3]。测量塔内部设计了人孔井，管节与测量塔之间设计人孔井盖板，这种设计结构形式为通过测量塔向管内投点创造了测量条件。沉管安装期间，为确保沉管沉放对接安全，人孔井盖板始终保持密封状态，在管节安装遇到应急情况时，人可以进入人孔井打开盖板进入管内。

通过设备调研，德国生产的飞巧玛FG-L30天顶天底仪具备向上和向下投点功能，且距离30 m高度的理论投点精度可以达到±1 mm，适用于沉管隧道安装测量塔投点。

在人孔井盖板安装前，事先在人孔井盖板的正反面对称标记特征点进行测量标定，作为向上和向下投点传递同轴点。投点时机选择在管节沉放结束，管节点锁回填完成后，管节、测量塔及人孔井均处于较为稳定的状态，结合使用GPS接收机和天顶天底仪向管内进行投点[4]。测量塔投点见图1。

图1 管内投点示意图Fig.1 Schematic diagram of in-pipe projected points

2.2 投点支架制作

测量塔顶向管内投点主要受管节纵坡、测量塔高度、人孔井直径以及投点视线与人孔井中心的偏移量等因素的共同影响。为提升投点工作效率，经过现场测试研究，设计制作一个同时具备调平和水平方向移动功能的投点支架，投点支架上固定安装同轴基座。投点支架采用不锈钢材质，固定焊接安装在测量塔顶护栏上，确保投点支架稳定性，见图2。

图2 测量塔人孔井投点支架安装示意图Fig.2 Sketch map of bracket installation for projected points in manhole well of measuring tower

投点支架安装完成后，在深坞内管节沉放演练期间，将管节调整至待安管节的设计纵坡状态，进行人孔井从上到下投点视线通道遮挡测试，通过移动调整投点支架上的同轴基座避开遮挡物。

2.3 人孔井盖板正反面同轴点标定

人孔井盖板正反面标记的同轴点，是自上向下传递投点的关键转折点，必须保证正反面特征点严格对称，在人孔井盖板安装前应进行严密的测量标定。

首先利用钢板尺丈量出盖板正面的中心线，在盖板中心线上标记出3～4个（考虑备用）特征点并用钢板尺丈量出相邻特征点间距，用全站仪采集每个特征点的相对位置关系；然后将人孔井盖板翻转至反面，利用钢角拐尺将正面的中心线投射到反面上，并在反面中心线上按照正面特征点的间距标记出特征点；最后再用全站仪采集反面特征点的相对位置关系，并与正面的特征点进行对比检核，保证正反面特征点的相对对称关系误差不大于2 mm。

2.4 投点工作流程

由于受风浪、海流、潮汐等因素影响，管节在着床之后，测量塔有微摆动现象，所以采取从人孔井内向上向下的投点方式，投点见图3。具体投点实施步骤为：

图3 人孔井向上向下投点示意图Fig.3 Schematic diagram of upward and downward projected points in manhole well

1）在天顶天底仪使用前，对仪器管水准气泡和i角进行校正，仪器做到转动调整4个方向的管水准气泡均居中、投点误差不大于2 mm。

2）在管节完成锁定回填后，测量人员在人孔井盖板上安置天顶天底仪，调整仪器对中事先做在人孔井盖板上表面ZD1点，翻转天顶天底仪向测量塔顶部投点，指挥顶部操作人员移动GPS天线位置与ZD1同轴。

3）采集GPS静态数据，得到ZD1隧道工程坐标。

4）在管节内部，人孔井正下方架设天顶天底仪，调整仪器位置并对中人孔井盖板下表面ZD2点（ZD2与ZD1同轴）。

5）倒转天顶天底仪，将所投点ZD2投在管内地面上，记为点ZD3。

6）采用贯通测量导线网测出点ZD3的隧道工程坐标。

7）比对投点和导线网得到坐标的差值，检核贯通测量成果。

3 投点精度评估

激光投点是将一台激光投点仪安置在竖井上方，投点仪发出一条激光束，根据激光光斑位置确定激光光束中心点。中心点偏离铅垂激光束的线量偏差即为激光的投点误差，主要有以下误差源：激光投点仪本身的仪器误差；仪器的安置误差（对中误差）；井下确定激光光斑中心点的误差；井筒内滴水、气流、水雾、大气折光等外界条件引起的误差[5]。

1）仪器误差

仪器置平后，仪器误差主要指仪器竖轴误差。按激光投点仪的设计要求，仪器竖轴与轴套间的最大夹角不得超过水准管格值的0.2～0.5倍，取极值0.5τ，则由此而引起的投点误差m1为：

式中：τ为水准管分划值，mm；s为投点深度，m；ρ为固定常数，ρ=206 265。

2）仪器安置误差

一般说来，激光投点仪应安置在井筒中心位置上（也可以不在井中位置），根据实测资料分析，仪器安置误差1～2 mm，取极大值m2=±2 mm。

3）确定激光光斑中心点的误差

此项误差取决于激光光斑的大小，光斑边界的清晰程度，光斑的稳定性（无抖动变形）等多种因素。对于精度1/20 000的激光投点仪，投点深度50 m左右时，可取确定激光光斑中心点的误差m3=±3 mm。

4）外界条件引起的误差

井筒内的淋水、气流、水雾，尤其是浓度较大的水雾将会影响激光光束的穿透能力，使激光光斑发生抖动变形或成像不清。另外大气折光也将激光光束不同程度地偏离铅垂位置。准确估算这些因素对激光投点误差的影响是很困难的。但在投点前，可根据井筒情况采取积极措施，将其对激光投点误差的影响降低至最低限度。上述诸多因素中，以淋水和浓度较大的水雾对激光光束的影响最为显著，因此，安置激光投点仪时，应尽量避开淋水较大的地方投点。当井筒内水雾浓度较高时，可采取消雾措施。根据国内试验资料，井深在500 m范围内时，外界条件对投点误差的影响可忽略不计。

综上所述，激光投点误差m投，主要受仪器竖轴误差m1、仪器安置误差m2、确定激光光斑中心点的误差m3等误差的综合影响，即：

取s=50 m，τ=20″/2 mm，可得：m投=3.73 mm。

可见，激光投点具有很高的精度，现场投点验证的误差主要取决于测量塔顶端点位的GPS测量误差和测量塔晃动造成的干扰[6]。

4 现场精度比对

在港珠澳大桥和深中通道沉管隧道安装贯通测量中，为了增加沉管隧道安装贯通测量的检核条件，在管节沉放结束、锁定回填后，使用GPS接收机架设测量塔的人工井顶进行GPS静态观测，使用天顶天底仪在人孔井内进行投点，投点结果和洞内导线贯通测量结果进行综合比对，检核沉管隧道安装贯通测量精度及可靠性。

1）港珠澳大桥沉管隧道安装测量比对

2016年3月31日港珠澳大桥沉管隧道完成E25管节安装时，测量塔高度超过30 m。临近沉管隧道最终接头，西人工岛至最终接头贯通面西端洞内联合双导线敷设长度达到5 300 m，为了确保沉管隧道安装贯通测量线形准确，采用人孔井投点结果和洞内联合双导线网贯通测量结果进行比对[7-8]。

E25管节人孔井投点成果与贯通测量成果作比较，GPS静态投点和贯通测量结果X、Y差值分别为-11.2 mm和1.3 mm。考虑到洞内联合双导线网和投点的测量误差，成果差值在误差范围之内。

2）深中通道沉管隧道安装测量精度比对

深中通道E1—E8管节贯通测量导线由于受左右车道水箱遮挡影响，只能在中廊道敷设支导线，E7管节支导线敷设长度达到1 600 mm，缺乏必要的检核条件。2021年1月22日，深中通道沉管隧道完成E7管节的安装，测量塔高度接近40 m，采用人孔井投点和洞内支导线贯通测量结果进行比对，验证沉管安装贯通测量精度。

E7管节人孔井投点成果与贯通测量成果作比较，GPS静态投点和贯通测量结果X、Y差值分别为-1.1 mm和-1.9 mm，说明目前采用的支导线精度和可靠性满足当前沉管安装贯通测量精度要求。从而验证了本项目设计的沉管安装分阶段逐级控制的贯通测量方案科学与合理性。

5 结语

沉管隧道安装测量塔投点检核贯通测量精度方法，通过在港珠澳大桥沉管隧道安装中的应用，港珠澳大桥沉管隧道达到12 mm的贯通精度，说明测量塔投点方法科学合理，现场可操作实施性强，其精度和可靠性满足海上长距离沉管隧道贯通测量的技术要求。在深中通道沉管隧道前期安装过程中应用证明，投点测量的坐标具有很高的精度，投点误差可以控制在理论分析的误差范围之内，可以继续指导深中通道后续沉管隧道贯通测量施工，同时为其他类似的海洋工程施工提供参考。