沉管隧道安裝對接監(jiān)控技術(shù)探究

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摘要:沉管隧道具有埋深淺、斷面大等優(yōu)勢。香港沙中線隧道橫跨維多利亞灣，連接九龍和香港島，由11節(jié)沉管組成。文章針對沙中線隧道建設(shè)中遇到的異形沉管的安裝難題，在研究異形管節(jié)坐標(biāo)系建立、姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建立校準(zhǔn)、RTKGPS校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套沉管安裝對接監(jiān)控系統(tǒng)，指導(dǎo)了異形沉管E1、E10和E11的安裝對接。此外，給出了沉管安裝后軸線偏差快速測量方法———鉛錘激光儀投點法。與傳統(tǒng)的全站儀貫通測量法相比，此安裝對接監(jiān)控系統(tǒng)完全可以滿足精度要求，具有明顯優(yōu)勢，可廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:沉管隧道;異形沉管;安裝對接;監(jiān)控系統(tǒng);軸線偏差;WPF界面引擎技術(shù)

香港沙田至中環(huán)線(沙中線)項目將鐵路由九龍延伸至香港島，接駁至灣仔北的新車站，再到達(dá)金鐘總站。新過海鐵路隧道將采用沉管隧道方式興建，過海鐵路隧道全長約1．7km，共有11節(jié)管段，每節(jié)長約156m，寬約18m，重約23000t，全部在石澳干塢預(yù)制，將逐一沉放至維多利亞港海床已挖掘的基槽內(nèi)，在海中進(jìn)行對接，構(gòu)建成為香港第4條過海鐵路隧道。

1概述

沙中線隧道中彎曲的異形沉管共3節(jié)，分別為E1、E10和E11，圖1所示為石澳預(yù)制廠內(nèi)所有的沉管，可以看出沉管彎曲弧度較大，這樣會給沉管的對接監(jiān)測帶來諸多影響，需要對現(xiàn)有的作業(yè)方法及系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)修正。

2沉管定位原理

沉管安裝后的軸線偏差一般為±50mm，其精度涉及到作業(yè)窗口的合理選取、設(shè)備性能、沉放設(shè)備的操控能力和管節(jié)沉放過程中的動態(tài)測量水平，通常采用測量塔將沉管的定位由水下轉(zhuǎn)換成水上［1－2］。安裝對接定位傳統(tǒng)方法為全站儀的光學(xué)測量，而目前使用最多的是RTK測量，可以進(jìn)行實時連續(xù)測量，配合軟件系統(tǒng)即可實現(xiàn)數(shù)字化、信息化的三維立體顯示［3］。沉管對接定位原理，其數(shù)學(xué)模型為式中:Xgps=(x，y，z)T為GPS位置，由RTK直接采集;△X=(△x，△y，△z)T為沉管坐標(biāo)系中任意一點與GPS的相對位置關(guān)系，在沉管坐標(biāo)系統(tǒng)建立后，其為固定值;R(p，r，h)為歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣;Pitch、roll、heading為沉管瞬時姿態(tài)值，由姿態(tài)傳感器測量得出。結(jié)合對應(yīng)的瞬時GPS位置信息和姿態(tài)信息，推算出沉管任一點位坐標(biāo)，從而實現(xiàn)沉管定位功能［4－7］。沉放前需要對GPS、姿態(tài)傳感器的初始安裝位置進(jìn)行精確測量，即安裝校準(zhǔn)。在沙中線沉管隧道定位過程中，我們采用雙備份測量系統(tǒng)，包括兩套RTK測量位置信息，兩套姿態(tài)傳感器測量沉管姿態(tài)，兩套全站儀棱鏡系統(tǒng)，用于系統(tǒng)檢測與復(fù)核。

3異形沉管定位方法

根據(jù)定位原理，滿足定位要求的三個要素分別為特征點相對位置關(guān)系、沉管姿態(tài)、GPS位置信息，依次通過建立沉管坐標(biāo)系統(tǒng)、姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、RTK-GPS觀測系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，完成校準(zhǔn)及檢核后即可用于沉管的監(jiān)測工作［8］。異形沉管的不同之處在于如何建立沉管坐標(biāo)系及對GPS、姿態(tài)傳感器的標(biāo)定校準(zhǔn)。

3．1建立沉管坐標(biāo)系統(tǒng)

為方便后期測量及控制，將沉管兩個斷面分別命名為對接端和自由端，其中對接端直接與已沉放沉管或者岸埋端相連接，另一端為自由端。選取對接端頂部鋼端殼中點為坐標(biāo)原點O，以垂直于管節(jié)向上方向為Z軸正方向，以對接端頂部鋼端殼中點指向自由端頂部鋼端殼中點為Y軸正方向，定義整個測量坐標(biāo)系統(tǒng)。圖3彎曲沉管坐標(biāo)系統(tǒng)定義Fig．3Coordinatesystemdefinitionofthecuretube針對沙中線中三條彎曲的異形沉管，采用新的坐標(biāo)系統(tǒng)定義。原點及Z軸定義不變，定義沿對接端頂部中點向右鋼端殼方向為X軸正方向，其整個坐標(biāo)系統(tǒng)如圖3所示。沉管坐標(biāo)系統(tǒng)建立后，根據(jù)各沉管控制點在沉放后絕對坐標(biāo)及沉管兩端中心點設(shè)計坐標(biāo)，可計算出沉管上各個特征點(沉管控制點及沉管端面角點)相對位置關(guān)系，即定位原理中△X。

3．2姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建立及校準(zhǔn)

姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可獲取沉管系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R(p，r，h)。為保證姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測量得出結(jié)果直接可用作沉管姿態(tài)，通過管內(nèi)控制點，放樣出坐標(biāo)系統(tǒng)Y軸平行線，姿態(tài)傳感器Heading方向與坐標(biāo)系統(tǒng)Y軸平行。在沉管兩端各安裝一套姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，一主一備。姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在建立時，其艏向與沉管坐標(biāo)系Y軸保持一致，其誤差基本可以忽略。因此姿態(tài)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與沉管系統(tǒng)在橫搖和縱搖上存在一個安裝偏差，標(biāo)定主要計算姿態(tài)儀采集數(shù)據(jù)與沉管坐標(biāo)系統(tǒng)橫縱搖偏差。姿態(tài)傳感器的標(biāo)定均在干塢中完成，分為Roll標(biāo)定和pitch標(biāo)定兩部分，均可采用靜態(tài)全站儀測量方法進(jìn)行標(biāo)定，如圖4所示。此外，Roll值標(biāo)定還可以使用管內(nèi)連通管讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。對于彎曲型沉管，利用沉管坐標(biāo)系求出管面控制點2A、3A位于鋼端殼的投影點2#、3#坐標(biāo)及高程，使用全站儀放樣出位于鋼端殼的2#、3#點位置，并做好標(biāo)記。全站儀觀測得出1#～4#及2A、3A點三維坐標(biāo)。利用三角函數(shù)關(guān)系，求出沉管的實際roll、pitch值。roll=tan－1(△h14/D14)(3)pitch=tan－1［(△h2a2－△H2a2)/D2a2］(4)式中:△h表示兩點實測高差;△H表示兩點設(shè)計高差;D表示兩點距離。多選取幾組控制點進(jìn)行測量計算，取平均得出沉管的實際roll與pitch值。Roll值也可以使用管內(nèi)預(yù)留連通管使用三角函數(shù)關(guān)系計算得出。標(biāo)定得出沉管實際roll和pitch值與姿態(tài)傳感器采集數(shù)據(jù)差值即為姿態(tài)傳感器改正值，改正后姿態(tài)測量數(shù)據(jù)可當(dāng)作沉管系統(tǒng)的roll與pitch值。Heading一般通過兩測量塔上RTK平面坐標(biāo)進(jìn)行計算得出，沙中線測量塔之間距離約為110m，不同沉管略有不同，按照RTK平面測量精度±15mm計算，其艏向精度約為0．016°，遠(yuǎn)高于姿態(tài)傳感器直接測量0．1°精度。

3．3RTKGPS校準(zhǔn)

RTKGPS天線在測量塔舾裝后才可進(jìn)行固定安裝，設(shè)備安裝結(jié)束后，選取沉管上任一控制點架設(shè)全站儀，使用另外一個或者多個控制點作為后視，觀測管面其他控制點及測量塔頂部棱鏡位置，同時記錄全站儀觀測期間沉管的Roll和Pitch值。觀測值經(jīng)過縱傾和橫傾的傾斜改正后，計算得到RTKGPS天線、棱鏡的坐標(biāo)及高程，作為管節(jié)沉放時測量設(shè)備的偏移量。多組測量值獨立運算后，取平均值作為最終設(shè)備標(biāo)定結(jié)果。

4監(jiān)控系統(tǒng)

沉管安裝對接監(jiān)控系統(tǒng)采用C#語言和WPF技術(shù)編寫，針對沉管沉放安裝過程，融合RTKGPS、姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通訊等設(shè)備，通過穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、科學(xué)高效的數(shù)據(jù)處理分析、逼真形象的數(shù)據(jù)展現(xiàn)和完整實用的數(shù)據(jù)管理，結(jié)合沉管的設(shè)計位置和水深地形等，實現(xiàn)管節(jié)的實時定位，指導(dǎo)沉管的安裝作業(yè)。該系統(tǒng)具有典型的面向?qū)ο筇卣?，利用面向?qū)ο蟮姆庋b、繼承和多態(tài)等設(shè)計方法將系統(tǒng)中涉及的沉管、設(shè)備、地形等抽象為具有屬性、方法的類，提高了代碼的可讀性和系統(tǒng)的可維護(hù)性，使系統(tǒng)易于擴展。使用C#作為系統(tǒng)的開發(fā)語言，具有開發(fā)效率高、代碼簡潔和結(jié)構(gòu)清晰等突出優(yōu)點。系統(tǒng)使用WPF技術(shù)構(gòu)建了用戶界面，提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，做到了分離界面設(shè)計人員與開發(fā)人員的工作，同時還提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面［9－11］。圖5所示為E10節(jié)彎曲的異形沉管安裝對接時的監(jiān)控系統(tǒng)界面。

5軸線偏差控制

在通過RTK和姿態(tài)儀等指導(dǎo)管節(jié)安裝對接完成后，還需要對管節(jié)的軸線偏差進(jìn)行測定。通常情況下采用貫通測量的方法。這種方法耗時長效率低，對于彎曲的異型管，需要布設(shè)更多的管內(nèi)控制點，影響工作效率和精度。本工程采用了鉛錘激光儀的方式進(jìn)行管節(jié)軸線偏差的測定，更加高效準(zhǔn)確。在管節(jié)人孔位置的管內(nèi)布設(shè)控制點，作為鉛錘激光儀的設(shè)站點，對中整平后打開鉛錘激光儀，激光束即可向上投射。在測量塔頂部放一塊玻璃板，就可以觀察到投射上來的紅色激光束。為了消除豎軸不垂直水平軸產(chǎn)生的誤差，需繞豎軸轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部，讓水平度盤分別在0°、90°、180°、270°四個位置上，觀察光斑變動位置，并作標(biāo)記。若有變動，其變動的位置成十字的對稱型，對稱連線的交點即為精確的鉛垂儀正中點，在該點上架設(shè)棱鏡，使用岸邊的全站儀就可以直接測定該點坐標(biāo)，從而得到管節(jié)軸線偏差。下面對激光鉛錘儀投點引起的誤差進(jìn)行精度分析:向上激光量程h上=測量塔高+管節(jié)高－儀器高=29．4m+8．726m－1．4m=36．726m向上對中誤差m上=h上×tan(ψ1)=36．726×tan(5″)=0．0009m向下激光量程h下=儀器高=1．4m向下對中誤差m下=h下×tan(ψ2)=1．4m×tan(1″)=6．78×10－6m測量塔頂部三腳架棱鏡對中誤差最大值取m0≤±2mm以上分析的各項誤差彼此獨立，由誤差傳播定律公式得出mT=m02+m上2+m下槡2≤2．189204mm(5)管節(jié)軸線偏差限差50mm，鉛錘激光儀投點精度完全可以滿足要求。

6安裝對接結(jié)果

本工程自2017年5月3日進(jìn)駐項目現(xiàn)場，經(jīng)歷一個月設(shè)備前期準(zhǔn)備階段，于2017年6月10日完成第一節(jié)沉管的安裝對接，至2018年4月12日最后一節(jié)沉管沉放到位，歷時近一年完成11節(jié)沉管的安裝對接監(jiān)控作業(yè)。表1所示為三節(jié)異形沉管的軸線偏差情況，正表示管節(jié)偏軸線左側(cè)，負(fù)表示管節(jié)偏軸線右側(cè)。從表1中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)得到的管節(jié)軸線偏差與全站儀測得結(jié)果差值均小于20mm，鉛錘激光儀測量結(jié)果與全站儀結(jié)果接近，以全站儀貫通測量作為最終的驗收結(jié)果，這3節(jié)彎曲的異形沉管安裝誤差均小于50mm的限差，說明此監(jiān)控系統(tǒng)方法可行，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

7結(jié)論

根據(jù)沙中線沉管隧道的實際工程需求，開發(fā)了異形沉管安裝對接監(jiān)控系統(tǒng)，采用RTK+姿態(tài)傳感器的方式，結(jié)合彎曲管節(jié)模型，實現(xiàn)了大弧度彎曲沉管的安裝對接，同時也指導(dǎo)了常規(guī)的矩形沉管的安裝對接，對現(xiàn)場施工具有重要的指導(dǎo)意義，極大地提高沉管安裝作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性，有效降低了作業(yè)風(fēng)險和成本。隨著我國沉管隧道建設(shè)的不斷開展，本系統(tǒng)可以推廣借鑒到其他類似沉管隧道工程中。

作者:孔維達(dá) 單位:廣州打撈局