[发明专利]沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统及测控方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统及测控方法。

背景技术

由于沉管隧道有很多工作是在水下进行的，因此与陆地隧道相比，沉管隧道对测量工作提出了更高的要求。对修建沉管隧道来说，如何对沉管沉放进行测量控制是一个世界性的难题。发达国家对沉管隧道经过了多年的研究和技术积累，对这些难题己经有了比较成熟的解决方案。

由于我国对沉管隧道测量技术的研究起步比较晚，目前国内研究掌握的技术、经验和可供参考的资料相对较少，对跨海沉管隧道涉及的测量控制方法与技术更是几乎没有系统深入的研究。可以说，我国对沉管隧道进行测量控制的方法还处在初级阶段。而随着我国经济的高速发展，在江、河、湖、海中修建高速公路、城市道路、地铁或高速铁路的水下沉管隧道必然越来越多。仅从目前来看，我国对沉管隧道的需求己经特别的大，面对如此急切与大量的需求，无论是从沉管隧道测量控制技术总结方面，还是沉管隧道测量控制技术储备和提高方面，我国都必须加大对建造海底隧道涉及的各方面测量技术进行系统深入的研究，发展出具有我国自主知识产权的海底隧道测量控制技术，尽快最大限度地满足需求。

截止目前，管段对接中首选测量方法是全站仪和GPS测量方法，该方法代表了目前国内外主流沉放监测技术水平，由于目前GPS和全站仪测量技术已发展成熟，因此系统的稳定性较强，一般不会出现测量错误、测量中断等大的故障。该方法的局限性主要有几个方面：(1)控制点测量精度低，不适合长、大结构的管节测量。原因在于，测量方法未考虑管节、测量塔的变形对结果的影响，而在管段结构较大的情况下，变形引起的误差不可忽略；(2)适用于内河测量，在这种情况下，全站仪设站难度较小，且观测距离短，精度高。而外海测量中，站点设置困难，观测距离长，精度低；(3)适合于短距离隧道测量监控，不适合类似港珠澳沉管隧道等长距离隧道的对接测量。因为在沉放对接监控中，不仅需要准确测量待沉放管节的空间坐标，而且需要测量上节已沉放管节的空间坐标(注：注浆托起或重力沉降，空间位置发生了改变)，而已沉放管节的测量只能通过全站仪管内接力测量(注：管节之间只有钢封门是通视的)的方式，在长距离隧道中，精度难以保障；(4)测量方法完全依赖测量塔，在沉放工艺改变，不设置测量塔的情况下即无法实施。

另外，从已有沉管隧道测量资料来看，该方法还有一个比较大的缺陷，就是测量结果的验证和校核问题(从已有查阅资料中未发现类似研究)。这里的验证和校核并不是针对测量点，而是针对接头对接控制点。

在管节沉放对接中，潜水测量是主要辅助方法，即由潜水员对两块块体之间的间隙进行估算从而对沉放结果进行测量。这种传统的测量方法在首块块体沉放的时候会比较费时费力，因为当水下没有任何标志的时候，无法利用潜水员定位而只能依赖设置在首块管体上的长杆来定位，由于深处水流无法准确测定，同时长杆的刚度无法得到保证，因此这种方法所得到的首块块体的定位精度无法得到保证，质量比较低，并且水下未知的环境，对潜水员的生命也存在威胁。

以上这些方法还有一个严重的缺陷，只能用于浅水测量，在这种条件下，GPS和全站仪可以通过测量控制塔传递测量，潜水员也可以较长时间地进行水下工作。但在深水沉管隧道建设中，潜水作业受到很大的限制，而且安全也是一个大问题，GPS等测量方法也因为没有控制塔传递而无法测量。

国外发达国家的沉管隧道建设已经有近80多年的历史，相关的测量技术相对完善和先进。这里对于GPS等常规测量方法不再赘述，只讨论具有一定先进性的非常规测量和监测方法。

目前国外沉管隧道建设中能够代表最高测量技术水平的是水下声呐法。该方法是一种相对定位测量方法，其测量的是待沉管节与已沉管节对接端的相对位置，当管节距离较近时，该方法具有较高的定位精度。目前，该方法的在我国的推广应用有一定的难度，主要原因有：(1)由于国外技术垄断，使用成本极高，通常在数几百万元人民币以上；(2)该方法在国内尚未经过实际应用，其可行性和实际使用效果有待进一步研究。