成益品，孫陽(yáng)陽(yáng)，高應(yīng)東

0 引言

在現(xiàn)代隧道施工控制測(cè)量中，縱向和高程貫通測(cè)量都容易滿足隧道施工要求，而橫向貫通測(cè)量受洞內(nèi)外測(cè)量條件因素制約，而且存在測(cè)量誤差隨隧道長(zhǎng)度不斷積累的影響，如果測(cè)量誤差超過(guò)一定的范圍，就會(huì)引起隧道中線幾何形狀的改變，給工程造成損失，可見(jiàn)隧道橫向貫通測(cè)量的精度好壞對(duì)整個(gè)隧道工程的意義十分重大。

和陸地隧道相比，海上沉管隧道是由預(yù)制管節(jié)水下對(duì)接而成，受環(huán)境條件的限制，隧道口控制點(diǎn)布設(shè)更困難，觀測(cè)條件更差。兩端施工的陸地隧道，從兩個(gè)隧道口相對(duì)連續(xù)開(kāi)挖掘進(jìn)，貫通測(cè)量只涉及貫通面處的軸線偏差要求，而兩端施工的沉管隧道除了最終正確貫通，還要確保待安管節(jié)和已安管節(jié)的正確對(duì)接。沉管隧道對(duì)貫通測(cè)控有著更高的要求。

港珠澳大橋沉管隧道長(zhǎng)5 664 m，由33個(gè)大型預(yù)制管節(jié)對(duì)接安裝而成，是世界上唯一的深埋沉管隧道。隧道進(jìn)、出口兩端均由人工島組成，隧道東端1 313.362m位于半徑5 500m的圓曲線上，其余部分均為直線。隧道最終接頭的貫通面位于E29—E30之間，距西人工島隧道外測(cè)量控制點(diǎn)約5.8 km、距東人工島隧道外測(cè)量控制點(diǎn)約1.3 km。港珠澳大橋沉管隧道平面如圖1所示。

圖1 港珠澳大橋沉管隧道平面示意圖Fig.1 Plane schematic diagram of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tube tunnel

港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)沉放控制的精度要求很高，非最終接頭的管節(jié)沉放對(duì)接軸線偏差允許值為依70 mm，最終接頭貫通面的軸線允許偏差控制要求小于依50 mm，這一貫通偏差控制要求遠(yuǎn)高于現(xiàn)有隧道工程規(guī)范中規(guī)定的4~8 km隧道橫向貫通中誤差依150mm的規(guī)定[1]，這不僅在國(guó)內(nèi)是第一次，在國(guó)際上也是第一次。并且受人工島地形條件的制約，進(jìn)洞口測(cè)站定向邊偏短，潮汐、風(fēng)浪、人工島體沉降位移導(dǎo)致測(cè)量控制點(diǎn)不穩(wěn)定等因素，給貫通測(cè)量的精度控制帶來(lái)了非常大的技術(shù)難度。因此，針對(duì)外海超長(zhǎng)沉管隧道施工特點(diǎn)，開(kāi)展平面精密貫通測(cè)量技術(shù)與方法的研究是十分必要的。

1 隧道內(nèi)控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 貫通誤差分配

港珠澳大橋沉管隧道橫向貫通限差按70 mm進(jìn)行控制，限差為2倍中誤差，則橫向中誤差為35 mm，以此作為貫通測(cè)量精度設(shè)計(jì)的依據(jù)。港珠澳大橋沉管隧道只有一個(gè)貫通面，從東、西兩個(gè)人工島端相向施工，沒(méi)有斜井或豎井影響測(cè)量誤差，隧道內(nèi)施工測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)，所以橫向貫通誤差由隧道外控制測(cè)量和隧道內(nèi)控制測(cè)量引起[2-4]。

設(shè)隧道外控制測(cè)量引起的橫向貫通誤差為mS，西、東兩端隧道內(nèi)控制測(cè)量引起的橫向貫通誤差分別為mW、mE，則有式中m是沉管隧道橫向貫通中誤差。按照等影響原則，即則隧道外控制網(wǎng)和西、東端隧道內(nèi)控制網(wǎng)引起的橫向貫通誤差分別為20.21 mm?？紤]到隧道外控制采用GPS網(wǎng)，隧道內(nèi)為狹長(zhǎng)導(dǎo)線網(wǎng)，測(cè)量誤差影響值可以分配大一些，則地面GPS網(wǎng)和隧道內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量引起的橫向貫通誤差分別為12.50mm、23.12mm和23.12mm。

港珠澳大橋沉管隧道由33個(gè)管節(jié)組成，自西向東分別是E1—E33，由于貫通面位于從西端起E29和E30管節(jié)之間，如圖1所示，東西人工島到貫通面的距離并不相等，西端大于5 km，東端小于1 km，根據(jù)西端和東端隧道內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)的長(zhǎng)度，把西島端和東島端的測(cè)量誤差比例關(guān)系定為10頤1，則西、東兩端隧道內(nèi)控制測(cè)量引起的橫向貫通誤差mW、mE分別為31.17 mm和9.86mm。

故最終確定地面控制測(cè)量和隧道內(nèi)西、東島端導(dǎo)線測(cè)量引起的橫向貫通誤差分別是12.50 mm、31.17 mm和9.86mm。

1.2 洞外定向邊設(shè)計(jì)

在東、西人工島隧道洞口線路中線上布設(shè)洞口測(cè)站點(diǎn)（JX、JD），在JX、JD點(diǎn)區(qū)域再各布設(shè)3個(gè)定向點(diǎn)（XD01、XD02、XD03）和（DD01、DD02、DD03），洞口測(cè)站點(diǎn)與相應(yīng)定向點(diǎn)邊長(zhǎng)控制在500~800m，為減小垂線偏差的影響，高差不要相差太大。三點(diǎn)定向平面控制網(wǎng)布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 三點(diǎn)定向平面控制網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig.2 Layoutdiagram of three-pointdirectionalplane controlnetwork

西島端洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為：

式中：Sy為測(cè)站點(diǎn)到貫通面的距離；Ma為定向邊的方位角誤差；籽=206 265；Mx為測(cè)站點(diǎn)橫向點(diǎn)位誤差；M為測(cè)站點(diǎn)點(diǎn)位誤差和定向邊方位角誤差引起的橫向貫通誤差。同理，東島端洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為1.69 mm。所以，東西人工島分別布設(shè)3條定向邊時(shí)，洞外定向邊引起的隧道橫向貫通誤差為10.06 mm。

1.3 洞內(nèi)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

港珠澳大橋沉管隧道采用兩孔一管廊結(jié)構(gòu)，即左、右側(cè)為主行車孔，中管廊從上至下分別為排煙通道、安全通道、電纜通道，從改善導(dǎo)線網(wǎng)網(wǎng)型、增強(qiáng)圖形結(jié)構(gòu)、增加多余觀測(cè)方面著手，充分利用隧道內(nèi)部空間，在左、右行車道各布設(shè)1個(gè)導(dǎo)線網(wǎng)并相互聯(lián)接，形成雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)，長(zhǎng)邊720 m左右，同車道一對(duì)點(diǎn)間距11 m左右，點(diǎn)間視線均距洞壁1.5 m以上，兩車道外側(cè)墻點(diǎn)間距30 m左右[5-6]。沉管隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)優(yōu)化網(wǎng)形如圖3所示。

圖3 沉管隧道洞內(nèi)控制網(wǎng)優(yōu)化網(wǎng)形Fig.3 Optim ization network shape of controlnetwork in immersed tube tunnel

1.4 貫通誤差估計(jì)

測(cè)角中誤差取1.0義，測(cè)邊誤差取所使用儀器LeicaTS30的標(biāo)稱測(cè)距精度0.6mm+10-6D（0.6mm+1 ppm），對(duì)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)進(jìn)行貫通誤差估算。

1）近似估算

西島端導(dǎo)線網(wǎng)近似為2個(gè)邊長(zhǎng)720m支導(dǎo)線的平均值，引起的橫向貫通誤差為：

35.81mm

東島端導(dǎo)線近似為2個(gè)邊長(zhǎng)180 m的支導(dǎo)線，引起的橫向貫通誤差為5.21mm。

2）模擬估算

利用科傻軟件，按照設(shè)計(jì)的網(wǎng)型和測(cè)角、量邊精度，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到西島端導(dǎo)線網(wǎng)引起的橫向貫通誤差為30.17 mm，東島端導(dǎo)線網(wǎng)引起的橫向貫通誤差為4.57mm。

從兩種估算方法得到的結(jié)果可以看出，由于模擬估算是完全按照設(shè)計(jì)網(wǎng)型，估算結(jié)果更接近真實(shí)情況，比近似估算結(jié)果略小。

綜合隧道外定向邊和隧道內(nèi)控制網(wǎng)引起的橫向貫通誤差，總的貫通測(cè)量誤差為：

由上述分析可見(jiàn)，結(jié)果滿足港珠澳大橋沉管隧道貫通誤差分配的要求。

2 提高測(cè)量精度的技術(shù)措施

1）洞內(nèi)外所有測(cè)站點(diǎn)均埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，洞外起算點(diǎn)受沉降位移影響采用“即測(cè)即用”的原則。

2）外業(yè)觀測(cè)采用高精度測(cè)角全站儀配備專業(yè)軟件的模式，實(shí)現(xiàn)儀器自動(dòng)照準(zhǔn)觀測(cè)和記錄功能，消除人為照準(zhǔn)誤差的影響，提高工作效率。

3）觀測(cè)過(guò)程中對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，停止隧道內(nèi)施工作業(yè)，確保隧道內(nèi)氣流穩(wěn)定，無(wú)施工干擾。

4）進(jìn)洞口觀測(cè)選擇早晚氣流比較穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行，必要時(shí)選擇夜間不同的觀測(cè)時(shí)段進(jìn)行。

5）洞內(nèi)外溫度、濕度相差很大，儀器應(yīng)與外界溫度充分一致，測(cè)量過(guò)程中各測(cè)站進(jìn)行干濕溫度、氣壓的改正。

3 應(yīng)用效果

3.1 技術(shù)參數(shù)

洞外定向邊點(diǎn)遵照公路二等GPS靜態(tài)測(cè)量規(guī)范觀測(cè)，洞內(nèi)布設(shè)遵守二等光電測(cè)距導(dǎo)線的各項(xiàng)要求和精度指標(biāo)，采用LeicaTS30全站儀配合多測(cè)回測(cè)角程序進(jìn)行觀測(cè)，全站儀標(biāo)稱精度：測(cè)角0.5義，測(cè)距 1mm+10-6D（1mm+1 ppm），測(cè)距邊的斜距進(jìn)行氣象和儀器常數(shù)改正。測(cè)量技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)測(cè)量技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of double-line joint lock network measurement

表2 水平角觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of horizontalangle observation

3.2 網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)

沉管隧道洞內(nèi)外所有測(cè)站點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。洞外采用三點(diǎn)定向，洞內(nèi)500耀800 m左右布設(shè)一對(duì)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)點(diǎn)，相同車道一對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)間距11m左右，點(diǎn)間視線都距洞壁1.5m以上，兩車道外側(cè)墻導(dǎo)線點(diǎn)間距30 m左右。測(cè)量網(wǎng)形如圖4所示。

3.3 貫通測(cè)量

港珠澳大橋沉管隧道施工現(xiàn)場(chǎng)按照雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)的形式進(jìn)行了多次測(cè)量，點(diǎn)位坐標(biāo)變化較小，對(duì)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)點(diǎn)多次測(cè)量成果的X坐標(biāo)進(jìn)行分析得到點(diǎn)位橫向誤差，與理論誤差進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。圖中折線表示實(shí)測(cè)誤差占理論誤差的百分比，可以看到，實(shí)測(cè)精度高于理論分析精度，實(shí)測(cè)橫向誤差小于理論值的70%。

圖4 沉管隧道洞內(nèi)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)形Fig.4 Double linear joint lock netshape in imm ersed tube tunnel

圖5 雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)理論和實(shí)測(cè)橫向誤差比較Fig.5 Comparison of two-w ire joint lock net theory andmeasured transverse error

3.4 精度評(píng)定

港珠澳大橋沉管貫通面西側(cè)端雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)長(zhǎng)度約5 800 m，共形成了30個(gè)閉合環(huán)，平差后的后驗(yàn)單位權(quán)中誤差為依0.44義，靠近貫通面的導(dǎo)線點(diǎn)點(diǎn)位中誤差13.1 mm；貫通面東側(cè)雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)長(zhǎng)度約1 400m，共形成了6個(gè)閉合環(huán)，平差后的后驗(yàn)單位權(quán)中誤差依0.57義，靠近貫通面的導(dǎo)線點(diǎn)點(diǎn)位中誤差1.6 mm。由上述數(shù)據(jù)可以說(shuō)明控制網(wǎng)觀測(cè)精度較高，均未超過(guò)設(shè)計(jì)的依1.0義限差要求，達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的精度。

沉管隧道最終接頭安裝成功后，通過(guò)貫通測(cè)量確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)了6.7 km沉管隧道橫向12mm的貫通精度，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)50 mm的橫向貫通要求。

4 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的外海超長(zhǎng)沉管隧道精密貫通測(cè)控方法成功應(yīng)用于港珠澳大橋工程，并取得了良好的貫通測(cè)控精度，保障了沉管隧道的精準(zhǔn)貫通。通過(guò)港珠澳大橋沉管隧道貫通測(cè)量實(shí)踐，總結(jié)摸索出了一套完整可靠的適用于沉管隧道高精度貫通測(cè)量的方法和作業(yè)程序，填補(bǔ)了該項(xiàng)目空白，對(duì)高精度貫通測(cè)控技術(shù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

：

[1] 張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.ZHANG Zheng-lu.Engineering surveying[M].Wuhan:Wuhan University Press,2005.

[2] 孔祥元，郭際明.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.KONG Xiang-yuan,GUO Ji-ming.Control surveying[M].Wuhan:Wuhan University Press,2006.

[3] 李冠青，黃聲享.港珠澳大橋沉管隧道導(dǎo)線布設(shè)方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015（S0）：111-113.LI Guan-qing,HUANG Sheng-xiang.Research on the method of setting up the cabled tunnel cable in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2015(S0):111-113.

[4]李冠青，黃聲享.港珠澳大橋沉管隧道貫通誤差預(yù)計(jì)[J].測(cè)繪科學(xué)，2016（12）：10-13.LI Guan-qing,HUANG Sheng-xiang.The tunnel penetration error of HongKong-Zhuhai-Macao Bridge is estimated[J].Science of Surveying and Mapping,2016(12):10-13.

[5] 陳韶章.沉管隧道設(shè)計(jì)與施工[M].北京：科學(xué)出版社，2002.CHEN Shao-zhang.Design and construction of immersed tunnel[M].Beijing:Science Press,2002.

[6]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋施工及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality inspection standards for the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[S].2013.