沉管隧道異形管節(jié)安裝對接監(jiān)控技術研究

孔維達

(廣州打撈局，廣州 510260)

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1.7 km，共有11節(jié)管段，每節(jié)長約156 m，寬約18 m，重約23 000 t，全部在石澳干塢預制，將逐一沉放至維多利亞港海床已挖掘的基槽內，在海中進行對接，構建成為香港第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所示為石澳預制廠內所有的沉管，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，需要對現有的作業(yè)方法及系統進行改進修正。

圖1 石澳預制廠內所有沉管Fig.1 Elements in Shek O Yard

2 沉管定位原理

沉管安裝后的軸線偏差一般為±50 mm，其精度涉及到作業(yè)窗口的合理選取、設備性能、沉放設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換成水上[1-2]。安裝對接定位傳統方法為全站儀的光學測量，而目前使用最多的是RTK測量，可以進行實時連續(xù)測量，配合軟件系統即可實現數字化、信息化的三維立體顯示[3]。

沉管對接定位原理，其數學模型為

Xp=Xgps+△XR(p,r,h)

(1)

(2)

其中：p=-pitch；r=-roll；h=heading。

式中：Xgps=(x,y,z)T為GPS位置，由RTK直接采集；△X=(△x,△y,△z)T為沉管坐標系中任意一點與GPS的相對位置關系，在沉管坐標系統建立后，其為固定值；R(p,r,h)為歐拉旋轉矩陣；Pitch、roll、heading為沉管瞬時姿態(tài)值，由姿態(tài)傳感器測量得出。

結合對應的瞬時GPS位置信息和姿態(tài)信息，推算出沉管任一點位坐標，從而實現沉管定位功能[4-7]。沉放前需要對GPS、姿態(tài)傳感器的初始安裝位置進行精確測量，即安裝校準。

在沙中線沉管隧道定位過程中，我們采用雙備份測量系統，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，用于系統檢測與復核。

圖2 沙中線沉管隧道定位系統設備分布Fig.2 Positioning equipment in NSL immersed tunnel

3 異形沉管定位方法

根據定位原理，滿足定位要求的三個要素分別為特征點相對位置關系、沉管姿態(tài)、GPS位置信息，依次通過建立沉管坐標系統、姿態(tài)監(jiān)測系統、RTK-GPS觀測系統進行相關數據采集，完成校準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系及對GPS、姿態(tài)傳感器的標定校準。

3.1 建立沉管坐標系統

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，定義整個測量坐標系統。

針對沙中線中三條彎曲的異形沉管，采用新的坐標系統定義。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，其整個坐標系統如圖3所示。

圖3 彎曲沉管坐標系統定義Fig.3 Coordinate system definition of the cure tube

沉管坐標系統建立后，根據各沉管控制點在沉放后絕對坐標及沉管兩端中心點設計坐標，可計算出沉管上各個特征點(沉管控制點及沉管端面角點)相對位置關系，即定位原理中△X。

3.2 姿態(tài)監(jiān)測系統建立及校準

姿態(tài)監(jiān)測系統可獲取沉管系統的旋轉矩陣R(p,r,h)。為保證姿態(tài)監(jiān)測系統測量得出結果直接可用作沉管姿態(tài)，通過管內控制點，放樣出坐標系統Y軸平行線，姿態(tài)傳感器Heading方向與坐標系統Y軸平行。在沉管兩端各安裝一套姿態(tài)監(jiān)測系統，一主一備。

姿態(tài)監(jiān)測系統在建立時，其艏向與沉管坐標系Y軸保持一致，其誤差基本可以忽略。因此姿態(tài)系統采集數據與沉管系統在橫搖和縱搖上存在一個安裝偏差，標定主要計算姿態(tài)儀采集數據與沉管坐標系統橫縱搖偏差。

姿態(tài)傳感器的標定均在干塢中完成，分為Roll標定和pitch標定兩部分，均可采用靜態(tài)全站儀測量方法進行標定，如圖4所示。此外，Roll值標定還可以使用管內連通管讀數進行校準。

圖4 全站儀標定姿態(tài)Fig.4 Attitude calibration by total station

對于彎曲型沉管，利用沉管坐標系求出管面控制點2A、3A位于鋼端殼的投影點2#、3#坐標及高程，使用全站儀放樣出位于鋼端殼的2#、3#點位置，并做好標記。全站儀觀測得出1#～4#及2A、3A點三維坐標。利用三角函數關系，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表示兩點設計高差；D表示兩點距離。多選取幾組控制點進行測量計算，取平均得出沉管的實際roll與pitch值。Roll值也可以使用管內預留連通管使用三角函數關系計算得出。

標定得出沉管實際roll和pitch值與姿態(tài)傳感器采集數據差值即為姿態(tài)傳感器改正值，改正后姿態(tài)測量數據可當作沉管系統的roll與pitch值。

Heading一般通過兩測量塔上RTK平面坐標進行計算得出，沙中線測量塔之間距離約為110 m，不同沉管略有不同，按照RTK平面測量精度±15 mm計算，其艏向精度約為0.016°，遠高于姿態(tài)傳感器直接測量0.1°精度。

3.3 RTK GPS校準

RTK GPS天線在測量塔舾裝后才可進行固定安裝，設備安裝結束后，選取沉管上任一控制點架設全站儀，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。觀測值經過縱傾和橫傾的傾斜改正后，計算得到RTK GPS天線、棱鏡的坐標及高程，作為管節(jié)沉放時測量設備的偏移量。多組測量值獨立運算后，取平均值作為最終設備標定結果。

4 監(jiān)控系統

沉管安裝對接監(jiān)控系統采用C#語言和WPF技術編寫，針對沉管沉放安裝過程，融合RTK GPS、姿態(tài)監(jiān)測系統、無線數據通訊等設備，通過穩(wěn)定可靠的數據傳輸、科學高效的數據處理分析、逼真形象的數據展現和完整實用的數據管理，結合沉管的設計位置和水深地形等，實現管節(jié)的實時定位，指導沉管的安裝作業(yè)。

該系統具有典型的面向對象特征，利用面向對象的封裝、繼承和多態(tài)等設計方法將系統中涉及的沉管、設備、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的可維護性，使系統易于擴展。使用C#作為系統的開發(fā)語言，具有開發(fā)效率高、代碼簡潔和結構清晰等突出優(yōu)點。系統使用WPF技術構建了用戶界面，提供了統一的編程模型、語言和框架，做到了分離界面設計人員與開發(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)控系統界面。

圖5 E10管節(jié)安裝對接監(jiān)控系統界面Fig.5 Installation monitoring system interface of E10

5 軸線偏差控制

在通過RTK和姿態(tài)儀等指導管節(jié)安裝對接完成后，還需要對管節(jié)的軸線偏差進行測定。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，需要布設更多的管內控制點，影響工作效率和精度。本工程采用了鉛錘激光儀的方式進行管節(jié)軸線偏差的測定，更加高效準確。

在管節(jié)人孔位置的管內布設控制點，作為鉛錘激光儀的設站點，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生的誤差，需繞豎軸轉動照準部，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，在該點上架設棱鏡，使用岸邊的全站儀就可以直接測定該點坐標，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=29.4 m+8.726 m-1.4 m=36.726 m

向上對中誤差m上=h上×tan(ψ1)=36.726×tan(5″)=0.000 9 m

向下激光量程h下=儀器高=1.4 m

向下對中誤差m下=h下×tan(ψ2)=1.4 m×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≤±2 mm

以上分析的各項誤差彼此獨立，由誤差傳播定律公式得出

(5)

管節(jié)軸線偏差限差50 mm，鉛錘激光儀投點精度完全可以滿足要求。

本工程自2017年5月3日進駐項目現場，經歷一個月設備前期準備階段，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，負表示管節(jié)偏軸線右側。

表1 軸線偏差統計表Tab.1 Statistical of axis deviation mm

從表1中可以看出，監(jiān)控系統得到的管節(jié)軸線偏差與全站儀測得結果差值均小于20 mm，鉛錘激光儀測量結果與全站儀結果接近，以全站儀貫通測量作為最終的驗收結果，這3節(jié)彎曲的異形沉管安裝誤差均小于50 mm的限差，說明此監(jiān)控系統方法可行，結果準確可靠。

7 結論

根據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，采用RTK+姿態(tài)傳感器的方式，結合彎曲管節(jié)模型，實現了大弧度彎曲沉管的安裝對接，同時也指導了常規(guī)的矩形沉管的安裝對接，對現場施工具有重要的指導意義，極大地提高沉管安裝作業(yè)的效率和準確性，有效降低了作業(yè)風險和成本。隨著我國沉管隧道建設的不斷開展，本系統可以推廣借鑒到其他類似沉管隧道工程中。