外海超长沉管隧道精密贯通测量设计与实践

成益品，孙阳阳，高应东

0 引言

在现代隧道施工控制测量中，纵向和高程贯通测量都容易满足隧道施工要求，而横向贯通测量受洞内外测量条件因素制约，而且存在测量误差随隧道长度不断积累的影响，如果测量误差超过一定的范围，就会引起隧道中线几何形状的改变，给工程造成损失，可见隧道横向贯通测量的精度好坏对整个隧道工程的意义十分重大。

和陆地隧道相比，海上沉管隧道是由预制管节水下对接而成，受环境条件的限制，隧道口控制点布设更困难，观测条件更差。两端施工的陆地隧道，从两个隧道口相对连续开挖掘进，贯通测量只涉及贯通面处的轴线偏差要求，而两端施工的沉管隧道除了最终正确贯通，还要确保待安管节和已安管节的正确对接。沉管隧道对贯通测控有着更高的要求。

港珠澳大桥沉管隧道长5 664 m，由33个大型预制管节对接安装而成，是世界上唯一的深埋沉管隧道。隧道进、出口两端均由人工岛组成，隧道东端1 313.362m位于半径5 500m的圆曲线上，其余部分均为直线。隧道最终接头的贯通面位于E29—E30之间，距西人工岛隧道外测量控制点约5.8 km、距东人工岛隧道外测量控制点约1.3 km。港珠澳大桥沉管隧道平面如图1所示。

图1 港珠澳大桥沉管隧道平面示意图Fig.1 Plane schematic diagram of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tube tunnel

港珠澳大桥沉管隧道管节沉放控制的精度要求很高，非最终接头的管节沉放对接轴线偏差允许值为依70 mm，最终接头贯通面的轴线允许偏差控制要求小于依50 mm，这一贯通偏差控制要求远高于现有隧道工程规范中规定的4~8 km隧道横向贯通中误差依150mm的规定[1]，这不仅在国内是第一次，在国际上也是第一次。并且受人工岛地形条件的制约，进洞口测站定向边偏短，潮汐、风浪、人工岛体沉降位移导致测量控制点不稳定等因素，给贯通测量的精度控制带来了非常大的技术难度。因此，针对外海超长沉管隧道施工特点，开展平面精密贯通测量技术与方法的研究是十分必要的。

1 隧道内控制网优化设计

1.1 贯通误差分配

港珠澳大桥沉管隧道横向贯通限差按70 mm进行控制，限差为2倍中误差，则横向中误差为35 mm，以此作为贯通测量精度设计的依据。港珠澳大桥沉管隧道只有一个贯通面，从东、西两个人工岛端相向施工，没有斜井或竖井影响测量误差，隧道内施工测量误差可以忽略不计，所以横向贯通误差由隧道外控制测量和隧道内控制测量引起[2-4]。

设隧道外控制测量引起的横向贯通误差为mS，西、东两端隧道内控制测量引起的横向贯通误差分别为mW、mE，则有式中m是沉管隧道横向贯通中误差。按照等影响原则，即则隧道外控制网和西、东端隧道内控制网引起的横向贯通误差分别为20.21 mm。考虑到隧道外控制采用GPS网，隧道内为狭长导线网，测量误差影响值可以分配大一些，则地面GPS网和隧道内导线网测量引起的横向贯通误差分别为12.50mm、23.12mm和23.12mm。

港珠澳大桥沉管隧道由33个管节组成，自西向东分别是E1—E33，由于贯通面位于从西端起E29和E30管节之间，如图1所示，东西人工岛到贯通面的距离并不相等，西端大于5 km，东端小于1 km，根据西端和东端隧道内导线网的长度，把西岛端和东岛端的测量误差比例关系定为10颐1，则西、东两端隧道内控制测量引起的横向贯通误差mW、mE分别为31.17 mm和9.86mm。

故最终确定地面控制测量和隧道内西、东岛端导线测量引起的横向贯通误差分别是12.50 mm、31.17 mm和9.86mm。

1.2 洞外定向边设计

在东、西人工岛隧道洞口线路中线上布设洞口测站点（JX、JD），在JX、JD点区域再各布设3个定向点（XD01、XD02、XD03）和（DD01、DD02、DD03），洞口测站点与相应定向点边长控制在500~800m，为减小垂线偏差的影响，高差不要相差太大。三点定向平面控制网布设示意图如图2所示。

图2 三点定向平面控制网布设示意图Fig.2 Layoutdiagram of three-pointdirectionalplane controlnetwork

西岛端洞外定向边引起的隧道横向贯通误差为：

式中：Sy为测站点到贯通面的距离；Ma为定向边的方位角误差；籽=206 265；Mx为测站点横向点位误差；M为测站点点位误差和定向边方位角误差引起的横向贯通误差。同理，东岛端洞外定向边引起的隧道横向贯通误差为1.69 mm。所以，东西人工岛分别布设3条定向边时，洞外定向边引起的隧道横向贯通误差为10.06 mm。

1.3 洞内控制网设计

港珠澳大桥沉管隧道采用两孔一管廊结构，即左、右侧为主行车孔，中管廊从上至下分别为排烟通道、安全通道、电缆通道，从改善导线网网型、增强图形结构、增加多余观测方面着手，充分利用隧道内部空间，在左、右行车道各布设1个导线网并相互联接，形成双线形联合锁网，长边720 m左右，同车道一对点间距11 m左右，点间视线均距洞壁1.5 m以上，两车道外侧墙点间距30 m左右[5-6]。沉管隧道洞内控制网优化网形如图3所示。

图3 沉管隧道洞内控制网优化网形Fig.3 Optim ization network shape of controlnetwork in immersed tube tunnel

1.4 贯通误差估计

测角中误差取1.0义，测边误差取所使用仪器LeicaTS30的标称测距精度0.6mm+10-6D（0.6mm+1 ppm），对双线形联合锁网进行贯通误差估算。

1）近似估算

西岛端导线网近似为2个边长720m支导线的平均值，引起的横向贯通误差为：

35.81mm

东岛端导线近似为2个边长180 m的支导线，引起的横向贯通误差为5.21mm。

2）模拟估算

利用科傻软件，按照设计的网型和测角、量边精度，进行模拟计算，得到西岛端导线网引起的横向贯通误差为30.17 mm，东岛端导线网引起的横向贯通误差为4.57mm。

从两种估算方法得到的结果可以看出，由于模拟估算是完全按照设计网型，估算结果更接近真实情况，比近似估算结果略小。

综合隧道外定向边和隧道内控制网引起的横向贯通误差，总的贯通测量误差为：

由上述分析可见，结果满足港珠澳大桥沉管隧道贯通误差分配的要求。

2 提高测量精度的技术措施

1）洞内外所有测站点均埋设强制对中观测墩，洞外起算点受沉降位移影响采用“即测即用”的原则。

2）外业观测采用高精度测角全站仪配备专业软件的模式，实现仪器自动照准观测和记录功能，消除人为照准误差的影响，提高工作效率。

3）观测过程中对隧道内进行通风，停止隧道内施工作业，确保隧道内气流稳定，无施工干扰。

4）进洞口观测选择早晚气流比较稳定的时段进行，必要时选择夜间不同的观测时段进行。

5）洞内外温度、湿度相差很大，仪器应与外界温度充分一致，测量过程中各测站进行干湿温度、气压的改正。

3 应用效果

3.1 技术参数

洞外定向边点遵照公路二等GPS静态测量规范观测，洞内布设遵守二等光电测距导线的各项要求和精度指标，采用LeicaTS30全站仪配合多测回测角程序进行观测，全站仪标称精度：测角0.5义，测距 1mm+10-6D（1mm+1 ppm），测距边的斜距进行气象和仪器常数改正。测量技术指标如表1、表2所示。

表1 双线形联合锁网测量技术指标Table 1 Technical index of double-line joint lock network measurement

表2 水平角观测技术指标Table 2 Technical index of horizontalangle observation

3.2 网点布设

沉管隧道洞内外所有测站点均采用强制对中观测墩。洞外采用三点定向，洞内500耀800 m左右布设一对双线形联合锁网点，相同车道一对导线点间距11m左右，点间视线都距洞壁1.5m以上，两车道外侧墙导线点间距30 m左右。测量网形如图4所示。

3.3 贯通测量

港珠澳大桥沉管隧道施工现场按照双线形联合锁网的形式进行了多次测量，点位坐标变化较小，对双线形联合锁网点多次测量成果的X坐标进行分析得到点位横向误差，与理论误差进行比较，结果如图5所示。图中折线表示实测误差占理论误差的百分比，可以看到，实测精度高于理论分析精度，实测横向误差小于理论值的70%。

图4 沉管隧道洞内双线形联合锁网形Fig.4 Double linear joint lock netshape in imm ersed tube tunnel

图5 双线形联合锁网理论和实测横向误差比较Fig.5 Comparison of two-w ire joint lock net theory andmeasured transverse error

3.4 精度评定

港珠澳大桥沉管贯通面西侧端双线形联合锁网长度约5 800 m，共形成了30个闭合环，平差后的后验单位权中误差为依0.44义，靠近贯通面的导线点点位中误差13.1 mm；贯通面东侧双线形联合锁网长度约1 400m，共形成了6个闭合环，平差后的后验单位权中误差依0.57义，靠近贯通面的导线点点位中误差1.6 mm。由上述数据可以说明控制网观测精度较高，均未超过设计的依1.0义限差要求，达到了预先设计的精度。

沉管隧道最终接头安装成功后，通过贯通测量确认，实现了6.7 km沉管隧道横向12mm的贯通精度，远低于设计50 mm的横向贯通要求。

4 结语

工程实践表明，设计的外海超长沉管隧道精密贯通测控方法成功应用于港珠澳大桥工程，并取得了良好的贯通测控精度，保障了沉管隧道的精准贯通。通过港珠澳大桥沉管隧道贯通测量实践，总结摸索出了一套完整可靠的适用于沉管隧道高精度贯通测量的方法和作业程序，填补了该项目空白，对高精度贯通测控技术发展具有重要指导意义。

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[1] 张正禄.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2005.ZHANG Zheng-lu.Engineering surveying[M].Wuhan:Wuhan University Press,2005.

[2] 孔祥元，郭际明.控制测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2006.KONG Xiang-yuan,GUO Ji-ming.Control surveying[M].Wuhan:Wuhan University Press,2006.

[3] 李冠青，黄声享.港珠澳大桥沉管隧道导线布设方法研究[J].测绘通报，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，黄声享.港珠澳大桥沉管隧道贯通误差预计[J].测绘科学，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] 陈韶章.沉管隧道设计与施工[M].北京：科学出版社，2002.CHEN Shao-zhang.Design and construction of immersed tunnel[M].Beijing:Science Press,2002.

[6]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥施工及质量验收标准[S].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality inspection standards for the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[S].2013.