测量塔定位系统在港珠澳大桥沉管安装中的应用

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

在传统的大型桥梁、隧道工程控制测量过程中，多通过GPS定位系统、经纬仪、全站仪、水准仪等测量设备进行。港珠澳大桥隧道工程在最大水深44 m的条件下，建设长达5 664 m、共计33节管节的沉管隧道在全世界尚属首次。沉管沉放对接控制标准要求水平向与设计轴线间的偏差：直线段50 mm，曲线段40 mm。由于传统的控制测量方法受作业时间长、气候、环境、误差积累等条件影响显著[1]，难以满足设计精度要求，为此，研究开发了专用的测量塔定位系统。

1 测量塔法工作原理与特点

测量塔定位系统是将光学测量、GPS测量[2]与水下测量定位技术相结合的一种测量方法，主要由GPS定位、全站仪检核、倾斜仪改正、数据处理系统、贯通测量复核等组成。

管节预制完成后，在预制厂干坞内对管节顶面、端面及内部特征点进行标定测量，二次舾装后管节出坞前完成对管节测量塔顶GPS天线、棱镜与管节顶面特征点的关系测量，结合在干坞内的标定结果，确定测量塔顶GPS天线、棱镜与管节各特征点之间的关系，从而达到对测量塔顶GPS天线、棱镜的标定。管节浮运至现场开始沉放，通过架设在测量平台上的全站仪同步观测测量塔顶棱镜，同时通过测量塔顶GPS实时同步采集坐标数据，管节内倾斜仪也同步采集到实时数据，通过专业软件实时处理全站仪、GPS和倾斜仪数据，解算出管节的空间位置及姿态，指导管节的沉放对接施工。测量塔法定位原理示意图如图1所示。

图1 测量塔法定位原理图Fig.1 Positioning principleof measuring tower method

2 测量塔系统标定

管节特征点的正确标定是计算管节沉放位置的重要环节。通过建立管节上的各特征点与测量塔顶GPS天线、棱镜位置关系，指导沉管沉放到正确位置。

2.1 特征点一次标定

管节预制完成后，在干坞内按常规测量方法对管节顶面、端面及内部特征点进行标定测量，主要是对各部位特征点相对于管节轴线及基准点的三维坐标与几何尺寸的精确测定。管节端面特征点布设在管节S1、S8节段的端面，顶面特征点布设在管顶，P1~P4平面特征点布置见图2。

图2 管节顶面特征点布置图Fig.2 Plan of the feature pointsat the top of tube

内部特征点布设在管节中管廊内的首、中、尾端，主要用于贯通复核测量，见图3。

2.2 特征点二次标定

图3 管节内特征点布设Fig.3 Layout of the feature pointsin tube

二次舾装后管节出坞前完成对测量塔顶GPS天线、棱镜与管节顶面特征点的关系测量，结合在干坞内的标定结果，确定测量塔顶GPS天线、棱镜与管节各特征点之间的关系，从而计算出测量塔上特征点的管节坐标。在管节顶部有P1、P2、P3、P4四个平面位置点，在测量塔上有CLT1、CLT2、CLT3三个同轴点，见图4。

图4 测量塔及管节特征点分布Fig.4 Distribution of featurepointsin measuring tower and tube

管内倾斜仪标定：在管节中部架设水准仪，在沉管稳定的状态下观察沉管4个角点的高程，根据测量数据计算出此时沉管的横倾与纵倾值，与软件中显示的倾斜仪读数进行比对，然后进行改正。管节出坞前根据现场情况需进行两次以上的倾斜仪标定，确保数据准确无误。

GPS天线盘位置标定：为了保证标定测量的精度，在管节调至接近水平并且基本保持稳定的状态下，在管顶架设全站仪，利用管顶特征点测量测量塔上3个同轴支架棱镜（CLT1、CLT2、CLT3）的管节坐标。

3 港珠澳大桥岛隧工程应用实例

港珠澳大桥岛隧工程沉管沉放最深管节为E12，作业水深43.923 m，采用尾端测量塔定位方法进行管节的沉放控制安装，其中，尾端测量塔高38.2 m，水中下沉35.263 m。

4 效果分析

测量塔法的测量定位效果是测量塔所要考虑的核心问题，其主要包含精度、可靠度两个方面。表1给出了E12管节特征点测量塔GPS-RTK测量和全站仪测量的检核比对结果，表2给出了E12管节尾端定位采用测量塔GPS-RTK测量和贯通测量的比对结果。从表1到表2中的数据可以明显看出，测量塔定位结果和贯通测量结果相差不大，也就证明了该方法的正确性，并且从表1的数据结果可以分析得出，全站仪代替GPS进行管节尾端绝对定位的精度可以满足定位要求[3]。

表1 E12管节全站仪检核比对Table1 Comparison of total station check of E12 tube

表2 E12管节尾端定位结果比对Table 2 Comparison of positioning resultsat the end of E12 tube

5 结语

通过对测量塔法在施工区复杂的水文气象条件下指导管节沉放定位的探讨，分析其适用条件和能够达到的精度，结合测量塔定位系统在港珠澳大桥岛隧工程浅水区向深水区沉管安装的成功应用，可以看出测量塔法在水下大型构件的安装控制测量中具有很大的发展前景。

1）测量塔法发挥各种测量方法的优势，有着较高的精度和可靠性，其作业不受环境和距离限制，适合于地形条件复杂地区、重点工程地区等，对水下大型构件安装施工测量具有实用参考价值。特别是在当前特大型海底沉管隧道发展的形势下，由于这些地区水域条件的限制，实施常规测量存在较大困难，测量塔法作业无疑是一种有效的解决手段。

2）测量塔法作业可以大大提高工作效率及成果质量。其不受人为因素的影响，整个作业过程全部由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算，极大地降低了劳动作业强度，提高了作业效率。

3）总结测量塔法在浅水与深水区历次安装沉管的经验，在测量塔结构本身刚性符合设计要求、测量塔与沉管间的相对关系标定精确、测量塔系统的倾斜仪运行正常的条件下，测量塔法完全满足深水区的测量定位要求。