（大地测量学与测量工程专业论文）沉管隧道施工控制测量方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 采用沉管法建造海底隧道在我国属于一项新技术，由于沉管隧道具有巨大的优势， 随着国家对基础设施投入的增大，这种工程在我国必定会得到很大的发展，如我国已 经开工建设的港珠澳大桥中的隧道段已确定采用沉管隧道方式，沪宁高速二通道穿越 太湖工程、渤海跨海大桥等重大工程中的隧道段，都有望采用沉管隧道方式。 鉴于我国目前在沉管隧道测量方面的技术还比较落后，至今为止还没有一套完善 的测量技术方案。为了能理顺沉管隧道工程中的各项测量工作，从而能制定出一套比 较科学完善的测量技术方案，并对其中所涉及的某些技术进行再创新，本文特对沉管 隧道施工中的测量控制问题进行了系统性和基础性的研究。 首先，论文介绍了沉管法隧道施工的历史及技术发展，并介绍了国内外沉管隧道 测量工作的研究现状：接着，通过研究总结出了沉管隧道建造工程所需的各项测量工 作，并阐述了各项测量工作的原理和方法；最后，重点探讨了沉管隧道施工控制测量 的核心技术之一管段沉放测量所涉及的数学模型，指出采用空间转换模型思路复 杂、转换参数的精度得不到保障等缺点，为能进一步提高管段沉放的定位精度，本文 创新性地提出了利用塔标控制点与管段特征点之间的空间距离保持不变，进行管段实 时监控的求解方程法数学模型；最后通过模拟试验进行验证，得出了该模型能够满足 管段沉放测量要求的结论。 本文重点在理论上和方法上对沉管隧道施工所需的各项测量工作进行了研究。本 文的研究成果，对于向测量技术人员培训沉管隧道测量知识、制定沉管隧道工程测量 技术方案和今后对沉管隧道工程测量技术的进一步深入研究都有一定的意义。 关键词：沉管隧道；干坞测量；沉放测量；空间坐标转换；求解方程法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h em e t h o do fc o n s t r u c t i n gi m m e r s e dt u b et u n n e li sn e w t e c h n o l o g yi nc h i n a b e c a u s e t h ea d v a n t a g e so fs u c ht u n n e la r eh u g e ，t h i sp r o j e c tw i l lb ed e v e l o p e dg r e a t l yi no u rc o u n t r y f o re x a m p l e ，t h et u n n e ls e c t i o no ft h ef a m o u sp r o j e c t - - h o n gk o n g - z h u h a i m a c a ob r i d g e ， w h i c hi sb e i n gc o n s t r u c t e d ，h a sb e e ni d e n t i f i e db yw a yo fi m m e r s e dt u n n e l i na d d i t i o n ，t h e p a r tp r o j e c to fc r o s s i n gt a i h ui nt h es e c o n dc h a n n e lo fs h a n g h a i - n a n j i n gh i 曲s p e e d ，t h e b o h a is e ab r i d g ea n dm a n yo t h e rm a j o rp r o j e c t sa l ee x p e c t e dt ou s et h ei m m e r s e dt u b e m e t h o dt oc o n s t r u c tt h e i rt u n n e ls e c t i o n s 。 c u r r e n t l y , t h e m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y o fi m m e r s e dt u n n e li ss t i l l r e l a t i v e l y b a c k w a r d ；t h e r ei sn o ta n yc o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n tp r o g r a m i no r d e rt or a t i o n a l i z et h e m e a s u r e m e n t si n t h ep r o j e c to fi m m e r s e dt u b et u n n e l ，w ed e v e l o pam o r es c i e n t i f i c m e a s u r e m e n tp r o g r a m ，a n di n n o v a t es o m et e c h n o l o g i e sw h i c ha l ei n v o l v e di nt h ei m m e r s e d t u b et u n n e l t h i st h e s i ss p e c i a l l yi sc a r r i e do u tf o rs u c hs y s t e m a t i ca n db a s i cr e s e a r c h f i r s t l y , t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ei m m e r s e dt u b et u n n e la n dt h e d e v e l o p m e n to fi t ss p e c i a lt e c h n o l o g y t h e n ，i ts u m su pt h em e a s u r e m e n tr e q u i r e di nt h e c o n s t r u c t i o no ft h ei m m e r s e dt u b et u n n e l ，a n de x p l a i n st h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o do ft h e m e a s u r e m e n t t h i r d l y , t h et h e s i sf o c u so ns t u d y i n go fo n e c o r et e c h n o l o g yi ni m m e r s e dt u b e t u n n e l - t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em e a s u r e m e n ti nt h ep r o c e s so ft u b ei m m e r s e d w o r k ，a n dp o i n t so u ts o m ed i s a d v a n t a g e si nt h et h i n k i n go fs p a t i a lt r a n s f o r m a t i o nm o d e l ，f o r e x a m p l ei ti sc o m p l e x ，a n dt r a n s f o r m a t i o np a r a m e t e r sc a nn o tg u a r a n t e et h ea c c u r a c y , a n ds o o n i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yi nt h ep o s i t i o n i n go ft u b es i n k i n g ，t h i st h e s i si n n o v a t i l y p o i n t st h a tw ec a l lu s em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rs o l v i n ge q u a t i o n st oa c h i e v et h er e a lt i m e p o s i t i o n ，b e c a u s et h es p a t i a ld i s t a n c eb e t w e e nt o w e rc o n t r o lp o i n t sa n dc h a r a c t e r i s t i cp o i n t s o nt u b er e m a i nt h es a m e f i n a l l y , as i m u l a t i o nt e s tt ov e r i f yt h a tt h em o d e lc a nb es u i t a b l e f o rm e a s u r e m e n tr e q u i r e di n t h ep r o c e s so f t u t f es i n k i n g t h i st h e s i sf o c u s e so nt h et h e o r ya n dt h em e t h o d ，a n ds t u d i e sa l lm e a s u r e m e n t sr e q u i r e d i nt h ep r o j e c to fi m m e r s e dt u b et u n n e l t h ea c h i e v e m e n ti sh e l p f u lf o rt r a i n i n gt e c h n i c a ls t a 任9 d e v e l o p i n gm e a s u r e m e n tp r o g r a m s ，a n di tl a yaf o u n d a t i o nf o rt h ea d v a n c e ds t u d yi nf u t u r e k e yw o r d s ：i m m e r s e dt u b et u n n e l ；m e a s u r e m e n ti nd r yd o c k ；m e a s u r e m e n ti nt h ep r o c e s s o f t u b es i n k i n g ；s p a t i a lc o o r d i n a t et r a n s f o r m ；s o l v i n ge q u a t i o n 西南交通大学曲南父遭大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保蜜彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名：方似磊 日期：j 彩，汐多孑 b 刘 1 l 巳 前竹 签1 秘 沙 作 耻 耕 瑚 扔 日 位 笋 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、沉管隧道测量是当今工程测量领域相对较新的一个课题。目前在我国，针对此 类工程的控制测量，还缺乏比较全面有效的方案。本文通过对该类工程测量技 术的基础性和系统研究，基本理清了沉管隧道建设工程中测量工作的主要内 容，并对沉管法隧道所需的各测量工作的原理和方法进行了阐述。 2 、以往对管段沉放的测量控制中，大都使用了布尔沙空间转换模型，通过研究可 以发现，使用布尔沙空间转换模型容易受到初始旋转角度大小的影响；并且由 于在沉放过程中，需进行多次空间转换，过程显得较为麻烦，转换的精度也不 高，因此这种方法有一定的局限性。为此本文提出了一种新模型，通过模拟试 验，可以确定该模型能够达到管段沉放所需的精度，且过程比较简单，有一定 的实用性。 3 、通过本文的研究，使沉管法建造海底隧道所需的测量工作的思路更加清晰，重 点更加明确。本文的研究成果，对工程技术人员全面了解沉管隧道的控制测量 提供了帮助，并对专业技术人员今后更深一步的研究奠定了基础。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 雷巨知 蹴砂1 8 6 叶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼兰曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇笪曼鼍皇舅_ _ i 。一 i i i i 。1 量皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇鼍皇曼曼皇曼曼! 罡曼曼曼曼曼鼍 第一章绪论弟一早三百。下匕 1 1 沉管隧道的出现及发展 当前，随着现代经济一体化的不断推进以及信息技术的日新月异，各城市、各区 域甚至各国家之间的交流、联系越来越密切，人类以及人类所需的各种物质在世界范 围内不停的“交换”和“流动”，现代的人类越来越需要更快更便捷的到达任何目的地， 越来越需要将整个世界联通成“地球村”。为了拉近各地之间的距离，加强各经济中心 的联系，实现更快更便捷的通道，人类通常会修建一些越江跨海大桥或水下隧道等通 j 迫。 由于水下隧道成功的避开了桥梁因跨度或水深带来的修建难度，解决了桥梁安全 性差，且在一定程度上会干扰原有的自然风光【l 】等缺点；更重要的是其具有不影响水上 空间的使用，对航运影响小，具有稳定的运行能力【2 】等优点。所以水下隧道一经使用， 便得到快速发展。 特别是近一二十年来，由于自然灾害每年给人类的生命财产带来了巨大损失，因此 世界各国在工程建设上逐渐注意挑选具有抗御自然灾害能力的工程结构。为了求得持 久稳定的跨越江河、海湾、海峡通道，又能保证巨型船舶航行，国外有优先考虑采用 水下隧道作为越江、越湖、越海方式的趋势【3 】。 水下隧道经过1 0 0 多年的发展，形成了如下几种典型的施工方法： 1 ) 矿山法一其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖，并要求边挖 边撑以求安全，随着喷锚支护的出现，使分部数目得以减少，并进而发展成新奥法 4 1 。 这种方法一般适用于基岩中的地下工程，并采用传统钻爆法或臂式掘进机开挖。比较 典型的实例就是1 9 8 5 年建成的日本青函海底隧道1 5 】。 2 ) 盾构法一指的是利用盾构进行隧道开挖、衬砌等作业的施工方法。这种工法 是1 8 1 0 年由英国人b r u n e l 发明的【6 1 。世界著名的英吉利海峡跨海隧道即是用此工法修 建的【7 l 。 3 ) 围堰明挖法指的是先将隧道部位的岩( 土) 体全部挖除，然后修建洞身、洞 门，再进行回填的施工方法。这是一种较为简易的工法，主要用于水深不大或有枯水 期出现的江河。我国山西省太原市在上世纪7 0 年代建成的汾河水下公路隧道就是采用 这种工法【引。 4 ) 沉埋管段法( 简称沉管法) 即按照隧道的设计形状和尺寸，先在隧址以外 的干坞中或船台上预制隧道管段，并在两端用临时隔墙封闭，然后舾装好拖运、定位、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 沉放等设备，将其拖运至隧址位置，一个接二个的沉放到江河中预先浚挖好的沟槽中， 并在水下将其相互连接起来，然后充填基础和回填砂石将管段埋入原河床中，使这些 管段组合体成为连接水下两端和陆上交通的隧道型交通运输载体。用这种方法修建的 隧道又称水下隧道或沉管隧道。 以上四种施工方法在特定环境中，都有一定的使用价值。但由于沉管法隧道( 以下 简称为沉管隧道) 拥有众多的优点，例如其对地基要求较低，特别适用于软基、河床 或海床较浅易于用水上疏浚设备进行基槽开挖的工程地点；埋深小，包括连接段在内 的隧道线路总长较矿山法和盾构法隧道显著缩短；沉管隧道端面形状可圆可方，选择 灵活；基槽开挖、管段预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业，彼此干扰较 少，管段质量易于控制，施工周期短【9 】等等。因此沉管隧道从诞生之日起，越来越受青 睐。从1 9 1 0 年在美国底特律河用此工法修建第一座用于交通运输的水下隧道算起，根 据国际隧道协会( i t a ) 在2 0 世纪9 0 年代中的统计，在已有近1 0 0 年的历史中，目前 全世界已建成的沉管隧道有1 0 0 多座【l o l 。特别值得一提的是，我国倍受世人瞩目的世 纪工程港珠澳大桥的隧道段即采用沉管隧道形式。 早期沉管隧道典型横断面的示意图如图1 1 所示。通常情况下，隧道的底部为1 0 m 左右的基础层，两侧为锁定地石和管侧回填土，隧道的顶部侧为1 5 2 o m 厚的覆盖层， 作为隧道外部的保护【l 。随着交通压力的增大以及技术的不断进步，目前沉管不仅可 以修建在坚硬地基( 河、海床) 上，亦可修建在软软地基( 河、海床) 上【1 2 1 。并且其 已从最初的仅为城市道路( 公路) 或铁路( 地铁) 水下隧道，发展到城市道路与地铁、 公路与铁路共管设置【l3 1 4 1 ，甚至可同时设置公共管廊。通行轨道运输系统的沉管隧道 最近亦发展为能通行高速铁路的水下隧道。如今的沉管隧道的横断面样式比图1 1 所 示要丰富的多。 管顶填土 图1 1 沉管隧道典型横断面示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外沉管隧道测量工作的研究现状 发达国家对沉管隧道的研究起步较早，因此对世界范围内已经建成的沉管隧道进 行统计分析，可以发现发达国家一直引领着沉管隧道的发展。例如美国于1 8 9 4 在波斯 顿修建的世界第座沉管隧道，开创了沉管隧道应用的新纪元；荷兰于1 9 4 2 年修建的 位于鹿特丹的m a s s 河隧道，首次使用了钢筋混凝土管节的沉管隧道【l5 】等。从现有披露 的研究成果看，荷兰的沉管隧道技术在世界处于领先地位【1 61 。7 1 ，此外丹麦、美国、日 本等国的沉管隧道技术也很发达【l s 】。 由于沉管隧道有很多工作是在水下进行的，因此与陆地隧道相比，沉管隧道对测 量工作提出了更高的要求。对修建沉管隧道来说，如何对沉管沉放进行测量控制，如 何对沉管隧道的变形进行监测等等，都是不可回避的难题。发达国家对沉管隧道经过 了多年的研究和技术积累，对这些难题已经有了比较成熟的解决方案。例如日本不仅 解决了建造跨海沉管隧道的测量控制问题，并且还成功解决了监测沉管隧道的沉降、 通风塔和隧道管段间相对位移、航道下面隧道管段上的覆盖层的变化等技术问题。由 于我国对沉管隧道测量技术的研究起步比较晚，目前国内研究掌握的技术、经验和可 供参考的资料都特别少，对跨海沉管隧道涉及的测量控制方法与技术更是几乎没有系 统深入的研究。可以说，我国对沉管隧道进行测量控制的方法还处在初级阶段。而随 着我国经济的高速发展，在江、河、湖、海中修建高速公路、城市道路、地铁或高速 铁路的水下沉管隧道必然越来越多。仅仅从目前来看，我国对沉管隧道的需求已经特 别的大，除2 0 0 9 年年底开始建造的港珠澳大桥( 该大桥采用桥隧结合方式，其中隧道 采用沉管隧道) 外，目前论证采用沉管隧道方案拟建的特大海底隧道还有琼海海峡隧 道【1 9 】、渤海湾( 大连一蓬莱) 跨海工程【2 0 】以及台湾海峡隧道【2 1 】等等，面对如此急切与 大量的需求，无论是从沉管隧道测量控制技术总结方面，还是沉管隧道测量控制技术 储备和提高方面，我国都必须加大对建造海底隧道涉及的各方面测量技术进行系统深 入的研究，发展出具有我国自主知识产权的海底隧道测量控制技术，尽快最大限度地 满足我国自己的需求。 截止目前，国内有些高校和科研机构已对越江沉管隧道测量控制方法进行了卓有 成效的研究，例如文献【2 2 】和文献【2 3 】等对沉管隧道的沉放测量进行了研究，文献 2 4 和 2 5 】等对沉管隧道测量技术进行了研究。这些研究成果已经成功的指导建成了一批越 江沉管隧道，如广州珠江沉管隧道【2 6 1 、宁波甬江沉管隧道【2 7 】等，但由于对水下物体的 观测手段不足，在已建成的沉管隧道工程中，有的管段的定位工作主要由潜水员完成， 即由潜水员对两块块体之间的间隙进行估算从而对沉放结果进行测量。这种传统的测 量方法在首块块体沉放的时候会比较费时费力，因为当水下没有任何标志的时候，无 法利用潜水员定位而只能依赖设置在首块管体上的长杆来定位，由于水深处的水流无 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 法准确测定，同时长杆的刚度无法得到保证，因此这种方法所得到的首块块体的定位 精度无法得到保证，质量比较低，并且水下未知的环境，对潜水员的生命也存在威胁。 因此可以说我国对沉管隧道的控制测量是比较落后的，目前仅仅是初步具备了对沉管 隧道进行测量控制及指导其顺利沉放和对接的能力。虽然文献 2 2 】和文献 2 3 】等对沉管 沉放过程的数字化测量( 包括连续观测、实时显示等功能) 进行了研究，并得到了初 步的成果。但由于目前正在论证的或即将开工建设的沉管隧道的长度都超出了现有研 究成果的控制范围，为满足当前的需求，完善沉管控制测量方法，开发具有自主知识 产权的沉管隧道控制测量系统，促进我国测量控制在这一技术领域发展，真正实现连 续观测并实时显示预制件水下姿态的、长距离的、自动化的数字化测量方式，就必须 对沉管隧道的测量控制方法与技术进行进探讨和研究。 1 3 本文研究的主要内容 基于目前我国在沉管隧道测量的现状，本文的主要研究内容包括： 第一，国内现今还没有一套完整的沉管隧道测量方案，本文通过研究沉管隧道建 设的流程，总结并明确指出在沉管隧道建设过程中，主要的测量控制内容、目的以及 各项要求，为今后更进一步的研究，做好铺垫。 第二，在沉管沉放过程中，沉管管节处于水面以下，而沉管上的三个塔标点始终 保持露出水面。因此能直接测量得到的是布设在沉管管段上的塔标点的三维坐标，沉 管的空间姿态和位置不能直接测量得到。因而欲实时掌握沉管管段的空间姿态和位置， 就必须建立塔标点与沉管管段特征点之间的数学模型。可以说建立塔标点与沉管特征 点之间的联系是实现对沉管沉放实时控制的核心，因此很有必要对建立它们之间联系 的数学模型的方法进行重点研究，为此，本文详细介绍了采用空间坐标转换的思想进 行沉管沉放控制的过程。并考虑到干坞控制网与沉放控制网之间的转换角度可能较大， 特意将适用于任意旋转角度进行空间转换的数学模型引入到沉管沉放控制测量中。 第三，在深入研究现有的采用空间坐标转换的思想进行管段沉放控制的基础上， 详细介绍自主提出的以构建刚体模型思想建立模型的原理与方法。并通过设计的试验， 证明了所提出模型的具有可行性。 1 4 本章小结 随着经济的发展和技术的进步，特别是许多越水隧道成功建成运行的事实使得人 们的观念发生了变化，人们已意识到“遇水架桥 不再是唯一的选择，在许多情况下 以水下沟通两岸比建桥更为优越。本章首先介绍了水下隧道工程的出现及发展，指出 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 了沉管隧道是未来修建水下隧道的主要选择。接着讲述了国内外沉管隧道测量工作的 研究现状，再结合到我国当前对沉管隧道强大的市场需求，说明了系统研究沉管隧道 已经势在必行、刻不容缓；最后结合自己的专业，提出了本文拟研究的主要内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章沉管隧道对测量的要求 根据国际隧道协会( i t a ) 沉管隧道和悬浮隧道工作组1 9 9 3 年提供的报告，一种 当今普遍被认可的沉管隧道定义为：沉管隧道是由若干预制的管段，分别浮运到现场， 一个接一个的沉放安装，在水下将其相互连接并正确定位在已经开挖的水下基槽内， 其后辅以相关工程施工，使这些管段组合体成为连接水体两端陆上交通的隧道型交通 载体【2 引。因此推而广之，沉管法施工即是指在疏浚好的河床或海床中挖出基槽，将在 干坞中预制好的一些沉埋箱涵或管节拖运到指定的水域，将其按照一定的顺序沉放到 设计基槽位置，在水中与已沉埋的节段结合之后，处理管节接头及基础，最后再进行 回填而完成水下修筑隧道的方法。 根据现有沉管隧道工程建造的工序安排与施工组织，可以总结出沉管隧道施工的 一般工艺流程如图2 1 所示： 图2 - 1 沉管隧道施工一般工艺流程示意图 根据图2 1 所示的沉管隧道施工的一般工艺流程，分析每一工序中需要完成的工 作，可以确定沉管隧道在建设过程中的主要测量工作应包括如下内容： 1 ) 干坞控制网的建立与测量； 2 ) 管段和端面特征点、塔标控制点的布设与测量； 3 ) 管段沉放施工现场控制网的建立与测量； 4 ) 海上基槽浚挖的测量控制与竣工测量； 5 ) 管段沉放过程的控制测量； 6 ) 管段沉放就位后的变形监测； 7 ) 沉管隧道运营过程中的检测。 本章将根据沉管隧道建设施工工序对这些测量工作逐一进行阐述，将沉管隧道施 工所需的各测量工作环节呈现出来，以全面了解和掌握沉管隧道施工中的各项测量工 作，并为制定一套比较完善的沉管隧道测量方案奠定基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 干坞控制网的建立与测量 干坞是用于预制混凝土管段的场所，沉管管段需要在干坞内预制、存放、舾装， 然后起浮、托运、沉放以及对接嘲1 。坞内根据需要会设有混凝土拌合站及骨料、水泥、 钢材等各种原料的堆放和储藏的仓库、各种机加工间以及完善的交通、供电、防水、 防洪等设施。 在沉管隧道施工工程中，干坞是很重要的必不可少的场所啪1 。沉管沉放施工主要 是指将预制好的管段从干坞中经过浮运、沉放等步骤安放到指定水域的设计位置。因 此在整个施工过程中，从建立控制网的角度说，需要在两个不同的位置上建立两个测 量控制网。一个是在管段预制的现场( 干坞) 建立干坞测量控制网，另一个是在管段 沉放的现场建立施工测量控制网。为方便应用和减少中间环节的误差来源，结合现有 测量新技术的发展现状，建议干坞控制网与大桥施工首级控制网进行联测，使这两个 控制网的平面坐标系统和高程系统完全一致。 通俗的讲，干坞测量控制网是指布设在干坞中，主要为干坞内的管段预制施工测 量、管段特征点与管段测量塔几何关系的建立和干坞变形监测等服务的控制网。干坞 测量控制网的主要作用，一是在管段制造阶段用于管节施工放样、管节几何形状的检 测，保证管节按设计要求预制和检查其几何尺寸是否符合设计和对接的精度要求；二 是在沉放前对管段特征点和管段测量塔的坐标进行测量，建立管段特征点和管段测量 塔坐标的几何转换关系，为管段在隧道施工现场沉放的测量控制奠定基础；三是可以 作为干坞水平位移和垂直位移变形监测的基准。 2 1 1 千坞测量控制网的必要精度 考虑到干坞测量控制网与沉放现场测量控制网的系统应该一致，为准确建立管段 特征点和管段测量塔坐标的几何转换关系，干坞测量控制网的精度应与沉放现场测量 控制网的精度要求一致，即干坞平面控制网应按g p sb 级网的精度要求建网，干坞高 程控制网应按二等水准测量的精度要求建网。 2 1 2 千坞测量控制网的建立 控制网的建立，必须遵循“从整体到局部，先控制后细部 的原则口。在工程建设 过程中，坞址大都选定在距沉管隧道较近，且干坞附近的航道具备浮运条件，以便管 节浮运和缩短运距的地方，当干坞所处位置比较开阔，能够满足g p s 测量条件时，为 兼顾测量工作的效率与控制网的精度，应优先考虑采用g p s 静态相对定位的方法进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 干坞平面控制网的建立；根据对沉管各特征点和塔标测量点高程测量的精度要求，应 采用二等水准测量的方法进行干坞高程控制网的建立。同时，因为沉管隧道沉放控制 测量是一个三维的和动态的测量过程，为便于能直接测量出沉管特征点和塔标点的三 维坐标，需将干坞平面控制网和高程控制网合二为一，即将干坞控制网布设成三维控 制网。为使干坞控制网与沉放控制网坐标和高程系统一致，减少因两坐标系统不同而 产生的转换误差，干坞控制网与管段沉放控制网应整体统筹规划，合理布设，以实现 比较理想的控制效果。 干坞测量控制网的具体布设方案为：在干坞周边符合g p s 观测条件的地方建造至少 三个强制观测墩( 强制观测墩的数量根据干坞的规模大小决定，具体数量以能更好的满 足干坞测量工作的需要为原则) ，要求各观测墩相距最远不超过5 0 0 m ，以便于利用全站 仪通过极坐标法测量沉管各管节上的所有特征点及塔标点坐标。对于干坞高程控制网， 可采用数字水准仪以二等水准测量的方式进行测量，高程基准可从整个工程的首级高 程控制网联测得到，联测的精度也应满足二等水准测量的要求。 2 2 管段和端面特征点、塔标控制点的布设与测量 管段预制的施工测量、管段特征点和塔标控制点的布设与测量简称为干坞测量。 干坞测量主要包括以下三个方面的内容：一是沉管预制的施工放样和施工测量；二是 沉管管节预制质量的检测；三是沉管各管节上的特征点与塔标点的坐标测量，建立管 段特征点与塔标点的几何关系。其中，沉管预制的施工放样和施工测量与常见的工程 放样和施工测量并无差异，故在此不再详述。本文将重点讲述后面两方面的测量工作 方法与原理。 2 2 1 沉管管段特征点的布设 沉管管段特征点应该包括端面特征点、内部特征点和塔标控制点( 为叙述方便， 后文所称管段特征点有时仅指端面特征点，请根据具体语境进行辨别) 。 管段端面特征点是指布设在沉管前端面( 即与上一管段进行端接的端面，又称对 接端) 和后端面( 又称沉放端) 两端面上的点。端面特征点有两个作用：一、用于检 测管段制作质量；二、用于建立塔标点与管段之间的空间关系。管段端面特征点布设 的个数与管段的端面大小有关，当端面较大时，应增加端面特征点数量；当端面较小 时，可减少端面特征点数量。但应注意个端面的特征点不应少于四个，且数量应为 偶数。本文以在管段前后端面各布设8 个特征点的管段为例进行介绍乜3 1 ，由于管段前 后端面的特征点布设类似，本文仅以前端面为例进行讲述，管段端面特征点的布设如 图2 - 2 所示。在端面的上、下边缘各布设3 个特征点1 、2 、3 和6 、7 、8 ，上、下边缘 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 特征点离端面上下边线的距离应固定，而左右位置可以略差；在端面的左、右边缘各 布设2 个特征点4 、5 和9 、1 0 ，左、右边缘特征点离端面左右边线的距离必须固定， 而上下位置可以略差。 图2 - 2 沉管端面特征点布设示意图口2 1 管段内部特征点是指布设在管段内部的用于反应管段轴线、倾斜等状态的点。为 能反应管段的三维空间姿态，管段内部特征点应至少布设4 个。本文以布设4 个管段 内部特征点为例进行讲述，管段内部特征点的布设如下图2 3 所示。管内四个特征点 分别设在对应的管段水密门中线上，其中a 与b 在水密门的一条中线上，c 与d 在水 密门的另一条中线上。布设时，其位置以方便其三维坐标的测量为宜，并应注意使a 、 b 、c 、d 点尽量往管段的两端布设，以便更准确的反应整个管段的轴线及倾斜等信息。 图2 - 3 管段内部特征点布设示意图 由于管段沉放到水下以后，管段上的所有特征点都将被水淹没，因此无法通过测 量布设在管段上的特征点以实现对管段的实时监测，这时就需要在管段上增设铁塔， 使管段完全沉到水下后，铁塔仍能露在水面外，从而借助铁塔实现对管段三维姿态的 监测。塔标控制点即是布设在铁塔上的点。由于铁塔的高度必须超过水深，而通常情 况下，水域都较深，因此铁塔一般情况下都很高大。为节约成本和减少拆除铁塔的工 作量，沉管管段上布设的铁塔一般为两个，而塔标测量点的数量至少应保证有三个。 为在两个铁塔上布设三个点，通常是在对接端的铁塔上布设两个塔标测量点，而在沉 放端的铁塔上只布设一个塔标测量点。塔标测量点的布设如下图2 4 所示。在沉管管 段的一端布设二个塔标测量点t l 、t 2 ，在沉管管段的另一端布设一个塔标测量点t 3 。 要求铁塔高度以海水深度为依据，必须保证在沉管沉放到设计位置后，铁塔仍露出水 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ：, e ! ：i i i_i i 曼曼曼蔓曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼量曼皇皇量皇曼曼曼曼曼曼! 皇 面一定高度，另外也必须保证铁塔和沉管之间能够构成刚体，即保证任一管段上的塔 标测量点与此管段上的特征点的相对位置一经确定，不会再发生任何变化。 丁1 端 图2 4 管段塔标控制点布设示意图 2 2 2 沉管特征点测量的必要精度 沉管隧道是一项高投入的工程，同时也是整个工程的控制性工程。沉管隧道的施 工是高难度的，其要求的测量工作是高精度的。而沉管管段预制又是沉管隧道工程的 一个主体工程和重难点工程之一。从管段的浮运和沉放方面来看，沉管管段预制的几 何尺寸误差将直接引起管段重量变化，干舷也随之变化，同时还会引起管段起浮和浮 运时中心变化，影响浮运时的稳定性；从沉管管段的对接和施工精度方面来看，管段 预制的几何尺寸中的端面误差，将导致管段安装位置的误差而影响隧道线路平、纵剖 面线型，同时也影响管段的对接质量及接头的水密性。更为严重的是，若存在较大误 差的管段已经对接完成，则会影响后面管段的继续施工，这不但影响了沉放质量和沉 放进度，还有可能会带来安全隐患。因此可以说管段制作的工期和质量不仅直接影响 沉管的浮运和沉放，而且关系到隧道运营的成败，所以在沉放之前，对沉管预制件几 何尺寸的检测是非常必要的，并且这种检测必须是严密的和高精度的3 。 管段几何尺寸控制措施，主要包括精确测量控制、模板体系控制、钢端壳控制， 钢端壳采用二次安装消除安装误差等m ， 在每一个具体的沉管隧道施工过程中，对管节的几何尺寸都有明确而严格的规定。 管节预制时几何尺寸精度应符合以下规定： 内孔净宽误差区间为= o 一1 0 姗；内孔净高误差区间为= o _ - + 1 0 砌；壁厚误差 区间为= 0 1 0 r a m ；管节宽度误差区间为= + 5 2 0 咖；管节高度误差区间为a = + 5 2 0 哪：管节长度误差区间为a - - - 3 0 - _ + 3 0 r a m 。 管段两端面的精度应满足：表面不平整度小于3 m m ，每延米内不平整度小于i m m ， 横向垂直度( 左、右两点之差) 3 咖；竖向倾斜度( 上、下两点之差) 3 咖。 管段导向装置在相对于制作轴线的横向偏差不得大于1 0 r a m ，在竖直方向偏差不 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 得大于l o m m 。管段上两导向装置相对高差误差不得超过设计值的3 姗；管段的钢端 壳平整度误差不得大于5 姗；管段的制作长度误差不得超过l o m m 。 由于导向装置的测量精度是管段准确对接的关键，故取导向装置的设计限差为管 段特征点的测量限差，并取点位中误差为限差的二分之一，则管段特征点测量的三维 坐标中误差应5 m m 。 不平整度和导向装置相对高差的测量精度要求更高，所以对不平整度及导向装置 相对高差的测量应采用精密水准仪以水准测量的方式单独进行。 2 2 3 沉管预制质量的检测 沉管管段预制件的检测内容主要有：管段的长度、宽度和高度，前后端面的形状、 平整度；对接端端面中心点坐标的确定：对接端、沉放端端面与管段中心轴线的夹角。 其中对接端和沉放端端面与管段中心轴线的夹角检测，是影响对接轴线走向的关键数 据。 因为干坞测量控制网中各控制点距沉管预制件都较近，所以可通过高精度的测量 机器人( 如t c a 2 0 0 3 、t r i m b l es 8 等) 以极坐标的形式直接测定出各特征点的高精度 的三维坐标( 平面和高程) ，然后通过各特征点的三维坐标计算出上述可反映沉管预制 件质量的各项参数，进而达到检测沉管管段预制质量的目的。 根据测量得到的三维坐标，计算管段的长、宽、高、形状、平整度等各项参数， 待这些参数都符合要求以后，可以进一步根据需要计算出管段两端面的法方向，以及 两端面各中心点的坐标，进而可以计算得到所需的轴线方向。具体计算方法如下。 1 、管段端面中心点的计算方法瞳 由于管段预制件模板放样的误差、混凝土浇注引起的模板变形和测量过程的观测 误差的影响，导致原本应在同一端面上的特征点并不完全处于同一平面内。 设端面的平面方程为： a x + b y + c 2 r + d = 0 ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，a 、b 、c 、d 为平面方程的系数，其中( a ，b ，c ) 是该拟合平面法线的单 位矢量( 即有名2 + b 2 + c 2 = 1 ) ，d 是坐标原点至该拟合平面的垂直距离。则端面特征 点至端面拟合平面( 即式2 1 ) 的垂直距离为： 欲j + 砂，+ q j + d f 9 一夕、 把各特征点的三维坐标看做是等精度且相互独立的观测量，则对各特征点可开列 出误差方程： 形= 血，+ 毋，+ c - z ，+ d ( 2 3 ) 对式( 2 3 ) 按矿7 矿= m l n ，即可求出平面方程的待定系数a 、b 、c 、d 。由这4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 _ _r i il i i 皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼寰 个系数确定的平面，即为端面的拟合平面。在求得拟合平面后，进一步即可求出各端 面特征点至各端面拟合平面的垂足点坐标，然后在拟合平面内，由这些垂足点的坐标 即可求出前后端面中心点f o 、0 以及前端面测点r 的坐标( o 、f o 、r 三点如图2 5 所示) 。 图2 5 特征点0 、f o 、r 示意图 2 、沉管管节前后两个端面与管节中心轴线的夹角 根据拟合出的端面平面，以及求出的端面中心点的坐标，即可获得管节前后两个 端面的位置几何参数，分别记为：x l ，k ，z t ，厶，e ，a ，以及x z ，砭，z 2 ，l 2 ，b 2 ，彳2 。其中x 、 y 、z 为端面中心坐标，l 、b 、a 为法线方向。再进一步便可计算管节中心长度及端 面与管节中心轴线的夹角。 其中管节中心长度s 的计算公式为： s = ( x 2 一x 1 ) 2 + ( 墨一誓) 2 + ( z 2 一z 1 ) 2 ( 2 4 ) 管节中心轴线的水平方向角l 与竖直角b 的计算公式分别为： y y l = a r c t a i l _ 二上三l ( 2 - 5 ) 爿2 一叉l 77 b = a r c s i n 竺l 三1 ( 2 - 6 ) s 通过式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 和( 2 - 6 ) 即能够计算出端面与管节中心轴线的夹角。这 里要特别注意：端面与管节中心轴线的夹角是影响对接轴线走向的关键数据，特别是 先行沉放的管节，要严格与设计相符。检测数据最后用于施工中的隧道轴线系统纠偏， 使管节轴线横向误差最小。 2 2 4 沉管管段各特征点与塔标点的联系测量 沉管管段各特征点与塔标点联系测量的目的，是确定各特征点与塔标点的位置相 对关系。因为沉管在沉放过程中，管节上的端面特征点都将处在水面以下，只有塔标 点始终露在水面外，因此只有在沉放前确定出各特征点与塔标点的位置相对关系后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 才能在沉放过程中根据水面以上的塔标点坐标，计算出水下沉管的空间位置与姿态， 进而指导沉管沉放到正确位置。因此沉管管段各特征点与塔标点的联系测量十分关键。 沉管管段各特征点与塔标点联系测量的具体方法为： 1 、先在沉管各管段两端面附近设立至少两个铁塔，铁塔高度以海水深度为依据， 必须保证在沉管沉放到设计位置后，铁塔仍露出水面一定高度，另外也必须保证铁塔 和沉管之间构成刚体，即保证其与沉管特征点的相对位置一经确定，在沉管管段沉放 时不会发生任何变化； 2 、在干坞测量控制网中，通过测量机器人高精度的测出沉管管段各特征点与各塔 标点的三维坐标； 3 、由于管段前后端面中心点f o 、o 以及前端面测点r 三个特征点都具有两套坐 标：一、在干坞测量中，由端面特征点间接求出的f o 、o 和r 三个特征点在干坞控制 网中的三维坐标；二、在管段沉放到设计位置后，已知的f o 、o 和r 三个特征点的设 计三维坐标。由这些特征点两套坐标所确定的管段在干坞与沉放到设计位置之间关系， 是整个沉放模型的核心。因为根据特征点f o 、o 和r 的这两套坐标可以求出其在干坞 测量控制网与施工测量控制网之间的转换参数，然后再利用这些转换参数，即可求出 塔标点在沉管沉放到设计位置时所处的空间位置( 该空间位置相当于管段沉放到设计 位置时，塔标点的“设计坐标) 。同样的道理，根据沉放过程实测的塔标点坐标与求 出的塔标点“设计坐标 确定的空间转换参数，进一步即可求出管段f o 、o 和r 三个 特征点的实时坐标，进而确定出管段在沉放过程的实时姿态和位置。 通过上面的联系测量，相当于确定出了塔标点与各特征点之间的内在空间关系， 从而可以以塔标点的实测坐标来推算水下沉管的三维姿态，进而为沉管沉放控制过程 服务。 2 3 沉管管段沉放施工现场控制网的建立 施工现场控制网是直接为施工服务的。施工控制网应与整个工程的首级控制网发 生联系，其精度应能满足沉管沉放的设计要求，沉管隧道工程的控制网建网理论与跨 海大桥并无太大区别，但在实际建网过程中要充分考虑工程个体的差异。当沉管隧道 长度较短，可以借用已比较成熟的通过多台全站仪实现对管段沉放的控制，但当管段 长度较长，超过了全站仪的有效测程，例如针对港珠澳大桥工程沉管隧道长度接近 6 k m ，常规的通过全站仪实现对管段沉放的测量控制己不再可行，此时应考虑使用g p s 的方法。为有效地使用g p sr t k 技术对沉管沉放进行实时测量，并为确保g p sr t k 流动站的测量精度，必须保证流动站至基准站的距离不能太远。 以港珠澳大桥为例，来说明建立长度较长的沉管隧道的沉放施工现场控制网的方 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼鼍皇曼鼍舅舅曼ii i i i i _ i _ 一i i ! 法。 由于港珠澳分界处各地区的通讯信号可能互相干扰导致网络g p s 的可靠性差，以 及目前电台的无线传输距离一般不能超过8 k m ，因此建议在东、西人工岛上靠近沉管 隧道侧至少各建立一个g p