沉管法隧道管段三维姿态实时监测探讨

【摘 要】沉管管段三维姿态实时监测作为一项新的沉管辅助技术，提高了沉管管段的在浮运、沉放期间的安全性、准确性。为工程指挥人员提供了高效、直观的决策依据。本文结合工程实例，就沉管管段三维姿态实时监测的积极意义及具体应用进行了介绍、探讨。

【关键词】沉管法隧道；三维姿态；实时监测

1、引言

1894年，世界上第一条沉管法隧道——美国波士顿的雪莉排水管隧洞成功完成施工，至今，世界上已经修建了一百多座沉管隧道，沉管法隧道也有百年多的历史了。沉管法作为一种先进的隧道施工方法发展至今，已有了其成熟的施工工艺。近年来，沉管法隧道在珠三角地区更是有了广泛的应用和长足的发展。随着科技的飞速发展，沉管法隧道技术也是与时俱进，管段三维姿态实时监测也是近年来新兴的一项沉管法辅助技术，作为管段拖运及沉放安装过程中重要的辅助措施，其实施的好坏也直接关系到整个过程的安全。本文以广州市洲头咀隧道为例，介绍沉管法隧道管段三维姿态监测的意义、主要内容及方法。

2、工程简介

广州市洲头咀隧道工程是连接海珠区与荔湾区芳村之间的一条重要通道。隧道全长3253.034m，其中江中沉管段起点里程K1+426.000，终点里程K1+766.000，全长共340m。沉管分四节管段，管段采用轴线干坞法进行预制，干坞设于西端岸上段靠河侧，呈纵向长条形布置。管段安装采用水力压接法，最终接头采用水下接头，管段间采用柔性接头，接头间采用钢索连接。

3、沉管管段实时监测的意义

沉管管段一般采用干坞作为预制场地，预制完成后引水入坞，将管段浮起，然后通过牵引，将管段浮运至指定位置。沉管管段的体积、质量都非常巨大（如洲头咀E1沉管重量约为25500吨），需要事先设计并开挖好沉管浮运航道，整个浮运过程必须进行监控，确保管段按照既定航道运动，保证管段的安全。

3.1 传统监测方法基本原理

传统监测主要采用全站仪进行，在管段轴线上设置两个测量塔，以此测定管段的轴线。然后与设定的航道轴线或基槽轴线进行对比，达到监测目的。传统监测一般只能监测管段平面的偏移情况，监测数据是间断、非连续的。

3.2 实时监测方法基本原理

实时监测采用全自动仪器系统，包括GPS系统（测定管段平面参数），数字型倾角传感器（测量管段倾斜角度），压力传感器（采集管段干舷高度数据），最后运用计算机辅助技术将各项数据进行整理分析，完成空间建模，实时地监测管段的位置、姿态。

3.3 实时监测的意义

传统监测方法其实质是一种静态测量，由于管段的体积非常庞大，移动非常缓慢，整个过程轨迹被简化为一个个间断点，代表性不好。例如，在某一时刻，测量人员对测量塔进行了观测，根据数据计算得出观测时刻的管段轴线位置，然后与设定轴线进行对比，得出偏差数据，最后报告给指挥人员进行控制。指挥人员得到数据的时刻，管段早已经移到新的位置，指挥人员的决策数据总是滞后数据，无法有效的预测管段的移动趋势，做出及时有效的预防措施。如果管段浮运航道存在曲线，管段需要进行转弯或者掉头，那传统的监测方法很难保证及时有效的提供监测数据。

实时监测方法通过全自动仪器密集采集数据，能更加真实的描述管段的运动状态。采集的数据经过计算机处理，可以形成三维管段模型，再将管段浮运航道扫测得出的水下地形的三维模型图叠加入系统（必须为统一坐标系），这样就可以非常直观的监测到管段在浮运航道内的实时姿态情况。指挥人员可以非常直观的通过数据模型预测管段的运动趋势，同时系统也可以设置各项预警值（例如浮运航道的边缘、浮运航道的浅点位置），帮助指挥人员做出决策。管段在水中浮运，流速、涌浪对管段的影响都非常大，相比传统方法只能监测平面位置的情况，实时监测能够全面的反映管段的三维姿态，便于对管段的安全状态做出全方位的评估。特别是浮运航道情况复杂（非直线航道）或者管段需要长距离的浮运，那么实时监测系统更能体现出它的优越性。这正是实时监测的意义所在。

4、实时监测系统在施工中的实现

下面以洲头咀隧道E1管段浮运过程阐释一下实时监测系统在工程中的具体应用。

4.1 工序指标简述

E1管段为异型管段，长85m，头部（放射端）宽39.36m，尾部宽31.40m，高9.68m。在干坞内起浮后，拉移至安装准备位置，浮运航道基本为直线，航道宽度50m，浮运距离356m。

在浮运期间，对沉管构件平面移动轨迹安全监测，沉管干舷高度安全监测、沉管构件自身姿态安全监测，目的是检查沉管构件的平面运动状态、干舷高度是否符合精度要求。

4.2 监测仪器的选用

1）多功能测量型GPS接收机

系统由一套双频RTK基准站和一套双频RTK流动站和一套静态机组成，静态机精度±（5mm+1ppm），RTK水平精度±（1cm+1.5ppm），垂直精度±（3cm+1.5ppm）。

2）双轴数字型倾角传感器

数字型倾角传感器分辨率达0.001°。内置高精度16bit A/D差分转换器，通过5阶滤波滤波算法，最终输出倾角值。内置高精度数字温感器，输出角度在工作温度范围内得到再次修正，输出速度可达20次/秒。

3）压力传感器

压力传感器精度0.005%，满量程0～5psi（0～3.5m），数字化智能芯片，全温度线性温度补偿；全不锈钢激光焊接结构；多种过程连接方式；齐平膜设计适合多种粘稠介质压力测量。

4.3 监测方法介绍

1）监测点布置（以E1管段为例）

图-1 E1管段仪器布置图

在岸边架设GPS基站，于E1管面轴线上分别布设COM1及COM9的GPS移动站，通过无线MOXA模块实时发送至电脑数据存储、轨迹跟踪及超限预警。COM1和COM9的选取位置也可以与测量塔的定位点重合，方便与传统监测方式进行校验。同样在管轴线布设双向倾斜仪（图中所示A）测量纵向及横向倾角，实现数据记录、存储、预警；由于管段是刚性体，双向倾斜仪可在管段上任意位置布设。沿管段两侧分别布置四个干舷高度测量仪（图中1#-4#所示位置），实现干舷数据记录、存储、预警；通过实时计算沉管前后端的地形剖面线，并与管段底边线进行对比，进而分析并判断沉管水下部分的安全状况。

2）沉管构件平面移动轨迹安全监测

作业前，将GPS基准站置于岸上，GPS移动站固定于管段上合适位置，将设计及施工组织设计确定的沉管拖运线路范围与GPS系统坐标进行转换，并输入计算机自动测量导航系统，建立GPS定位导航迹线模型。拖运过程中同时测得来自GPS系统定位坐标值，动态在计算机上显示出管段的平面移动轨迹，实时可检查是否超出预定范围，若沉管超出预定航道边界则进行预警；检测时间步距为5分钟/10分钟，最小检测时间步距可达1秒，并自动输入计算机进行数据存储，以备后期数据分析处理之用。

3）沉管干舷高度安全监测

测量时设置4点位量测，分别布置于管段的四个管脚，通过压力传感器的压力变化换算得出水深，由此测出沉管的干舷高度是否满足要求。将干舷高度数据信息实时记录入库，同时对超出范围的数据进行实时报警，以确保管段的安全。

4）沉管构件自身姿态安全监测

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