上海外環(huán)隧道測量

1、概述.測量方案2.1測量方案概況2.2準(zhǔn)備工作2.2.1城市坐標(biāo)系2.2.2管段坐標(biāo)系2.2.3 GPS轉(zhuǎn)換至城市坐標(biāo)2.3兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的換算2.4建立觀測墩2.5浮運(yùn)沉放時的測量.測量難點(diǎn)浮運(yùn)、沉放、對接定位測量浮運(yùn)沉放監(jiān)測軟件5.1系統(tǒng)組成5.2系統(tǒng)功能5.3數(shù)據(jù)通訊5.4系統(tǒng)硬件5.5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法5.6采用和解決的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)5.7 Sinktube軟件的改進(jìn)精度分析6.1全站儀測量精度6.2靜態(tài)測量精度分析6.3實(shí)際作業(yè)時的測量精度情況結(jié)論1.概述外環(huán)隧道工程是上海市的重大基礎(chǔ)項(xiàng)目，該工程越江部分采用沉管法施工。江 中沉管段是隧道的穿越江部分，全長700m，由七節(jié)管段組成。自西向東分

2、別為E1、 E2、E3、E4、E5、E6、E7,每節(jié)管段長約 100m、寬約 43m、高約 9.5m。測量方案測量方案概況在管段浮運(yùn)、沉放、對接過程中測量是一個舉足輕重的環(huán)節(jié)。加上管段沉放、 對接均在水下進(jìn)行，周邊環(huán)境和外界條件困難，不能簡單的使用常規(guī)的測量方法。 因此建立一套針對工程條件，行之有效的、快速的、精確的測量系統(tǒng)是十分重要， 十分必要的。沉放測量主要是保證預(yù)制管節(jié)能夠在江中安全、精確對接，符合設(shè)計(jì) 要求。準(zhǔn)備工作城市坐標(biāo)系外環(huán)線隧道是上海市道路網(wǎng)的一個組成部分。它必須在上海市坐標(biāo)系統(tǒng)中精確 定位。所以工地的測量控制網(wǎng)必須采用城市統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系統(tǒng)。上海城市坐標(biāo)系(x、y、h),即上

3、海市測量平面坐標(biāo)系，其中(x,y)(x指向北方、 y指向東方)，h是高程，指向上方。設(shè)計(jì)的管段位置和測量儀器的點(diǎn)位在此坐標(biāo)系 中坐標(biāo)是固定的。管段坐標(biāo)系管段浮運(yùn)對接時特征點(diǎn)的坐標(biāo)在城市坐標(biāo)系中的坐標(biāo)時刻都在變化，建立管段 坐標(biāo)系，以管段的主軸方向?yàn)閄X方向，與主軸垂直定義為YY方向，向上為hh方向， 如下圖所示，此坐標(biāo)系與管段固連，在此坐標(biāo)系內(nèi)，特征點(diǎn)和棱鏡的坐標(biāo)保持不變。由北京54橢球的橢球參數(shù)，由（2）式將（X YZ換算至大地坐標(biāo)形式沉管特征點(diǎn)和安裝在測量塔上的棱鏡位置在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值固定不變。GPS轉(zhuǎn)換至城市坐標(biāo)假設(shè)北京54橢球的中心和坐標(biāo)軸方向與WGS84橢球相一致，可通過平面轉(zhuǎn)換

4、模 型，將GPS定位得到的大地經(jīng)緯度和大地高 B L84、，通過以下過程轉(zhuǎn)換成 平面坐標(biāo)（，y ）:h換算至空間直角坐標(biāo)84由WGS-84的橢球參數(shù)，將GPS測得的虬 L84代4L54h54L54）T投影為Gauss坐標(biāo)取中央子午線121.28,進(jìn)行高斯投影，將（B54）七片。L七）與城市坐標(biāo)& 之）之間的關(guān)系:r x)r x)g=0+y JI y J 0其中:+,）MxjIG。為坐標(biāo)平移量;r為縮放尺度;而)=cos(w) sm(w)為旋轉(zhuǎn)矩陣，w為旋轉(zhuǎn)角。sin(w) cos(w)為求出平移、縮放尺度和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，先在控制點(diǎn)上進(jìn)行GPS測量，求出這些參 數(shù)。對于高程，先在高程控制點(diǎn)上測定GP

5、S高，與已知的水準(zhǔn)高作擬合，求出擬合 參數(shù)。浮運(yùn)沉放時采用以上過程求得天線的城市坐標(biāo)和高程，后面的計(jì)算與全站儀測 量相同。兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的換算兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系為:(yh頃0)式中的J。y0 h為管段坐標(biāo)系原點(diǎn)在地方空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(a p y)3(cosG)sin (y )為兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角。式中的旋轉(zhuǎn)矩陣為:(100 )R(a)=0 cos(a)sin (a)1y 0 sin (a)cos(a)(cos(p )0sin (p)%(P)=0102y sin (p )0cos(p)-sin(y) 0、cos(y) 001 /求出G0 y0七)與(a p y)后任一點(diǎn)在兩坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

6、之間可以互相換算。建立觀測墩在兩岸合適（隧道軸線附近、視野開闊、穩(wěn)固）的地點(diǎn)建立23個測站，測站 采用強(qiáng)制對中墩形式，事先要通過聯(lián)測求得每個測站的坐標(biāo)和高程。浮運(yùn)沉放時儀器應(yīng)全架設(shè)于靠近管段沉放位置。幾架儀器可以全架設(shè)于同一岸， 也可以分別架設(shè)于兩岸。以盡量縮短觀測視線、減小江面球氣差、視線不受阻擋、 便于觀測，在每次沉放前均需對測站位置進(jìn)行復(fù)測。浮運(yùn)沉放時的測量在測站的強(qiáng)制對中墩上架設(shè)全站儀。在適當(dāng)?shù)牡胤桨仓弥饔?jì)算機(jī)。全站儀與 主機(jī)之間建立通訊（有線的和無線的）；2.5.2 .浮運(yùn)沉放時儀器的望遠(yuǎn)鏡隨時跟蹤棱鏡?？梢杂镁哂凶詣诱諟?zhǔn)棱鏡的全站儀 進(jìn)行自動跟蹤，也可以用人工跟蹤。由主控計(jì)算機(jī)發(fā)觀

7、測指令，幾臺全站儀 同步觀測，測得坐標(biāo)返回主控計(jì)算機(jī)；由軟件檢查數(shù)據(jù)是否正常。如正常則計(jì)算管段相對于設(shè)計(jì)位置和姿態(tài)的偏差 值；以約定的形式向下述各方發(fā)送圖形和數(shù)字信息：卷揚(yáng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)；浮運(yùn)沉放指揮室屏幕；參觀室的大屏幕；其他測站上的計(jì)算機(jī)。上圖的1、3兩個窗口顯示管段平面位置和軸線偏差。即在沉放浮運(yùn)時待沉管段 和已沉管段兩個導(dǎo)向裝置之間平面位置的偏差，以及管段軸線相對于設(shè)計(jì)方向的偏 差(用管段兩端點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)軸線的兩個偏差值來表示)。上圖的2、4兩個窗口顯示管段高程位置和縱橫傾斜。即管段浮運(yùn)沉放時管段的 高程相對于設(shè)計(jì)高程的差值，以及的縱橫傾斜度(用高差來表示)。測量難點(diǎn)同普通的工程

8、測量不同，沉管測量有以下難點(diǎn)：水下測量特征點(diǎn)均在水下，不能直接測量，需要測量水面上的棱鏡坐標(biāo)后反算水下特征 點(diǎn)的坐標(biāo)。動態(tài)測量管段在浮運(yùn)沉放中始終是漂浮在水中，因此是動態(tài)的，需要全站儀或GPS做到 同步、實(shí)時觀測和采集數(shù)據(jù)，存在一定困難。精度要求高根據(jù)設(shè)計(jì)要求，管段沉放對接軸線精度要求為相鄰管段之間軸線：水平方向的 中誤差為土 25mm，豎直方向的中誤差為土 30mm。這對于漂浮在江中的動態(tài)管段，要 求是很高的。同時由于對接的最終質(zhì)量是由管段制作，浮運(yùn)、沉放控制等多個因素 共同影響，因此這個精度要求是相當(dāng)高的。數(shù)據(jù)傳輸儀器、指揮、參觀等計(jì)算機(jī)均不在一處，也不能建立有線網(wǎng)絡(luò)，需要建立無線網(wǎng)絡(luò)連接

9、，需要顧及無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時需要控制網(wǎng)絡(luò)延時。橫傾由于本工程的特殊性，只能安裝兩個棱鏡，橫傾不能由全站儀數(shù)據(jù)計(jì)算，顧需要接入傾斜儀數(shù)據(jù)，考慮到傾斜儀數(shù)據(jù)可能不可靠，還需考慮接入連通管數(shù)據(jù)，還需要考慮到橫傾數(shù)據(jù)不能得到的情況。軟件施工開始后，不能停頓，因此軟件需要事先調(diào)式得100%可靠。浮運(yùn)、沉放、對接定位測量管段在牽引之前先將管段的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行校核，然后在安裝鋼架測量塔時，進(jìn) 行連接測量，將棱鏡坐標(biāo)換算至設(shè)計(jì)位置在城市坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。在管段浮運(yùn)、沉 放過程中，隨時測量棱鏡的坐標(biāo)與高程，據(jù)此計(jì)算出管段的三維位置、方向偏差、 和傾斜度。浮運(yùn)沉放監(jiān)測軟件 5.1系統(tǒng)組成5.2系統(tǒng)功能（1）實(shí)時數(shù)

10、據(jù)采集通過三臺全站儀，連續(xù)測量沉管上三個棱鏡，每5-8秒為一個數(shù)據(jù)采集周期（浮 運(yùn)中可適當(dāng)延長周期）。由數(shù)據(jù)處理主控計(jì)算機(jī)控制，同步測量數(shù)據(jù)。（2）測得的數(shù)據(jù)通過儀器上的數(shù)據(jù)接口及相應(yīng)接口軟件直接輸入主控計(jì)算機(jī)。當(dāng)儀器離主機(jī)較遠(yuǎn)時，通過internet網(wǎng)無線傳輸全主機(jī)中存儲，處理。（3）數(shù)據(jù)分析處理先對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分類，過濾等整理，然后利用相應(yīng)測量數(shù)據(jù)處理程序 進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、平差、轉(zhuǎn)換最終獲得管段在江中的平面、高程、傾斜度等三維定 位數(shù)據(jù)。（4）顯示根據(jù)模型計(jì)算，確定管段相對于設(shè)計(jì)位置的參數(shù)（包括平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜、下 沉等），向指揮和參觀人員提供準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)和圖形。如：已沉管段鋼后

11、殼面與沉放管段前鋼殼面之間的距離、管段軸中線的左右偏 離值、軸線前后兩端點(diǎn)的高程偏離值、鼻托的偏離三維值等。（5）三維動態(tài)圖形顯示為參觀室的大屏幕提供三維動態(tài)圖形。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)及時加工得三維動態(tài)圖形, 傳輸?shù)絽⒂^室的顯示屏。讓參觀者可以實(shí)時看到沉管動態(tài)的三維姿態(tài)及局部細(xì)節(jié)狀 態(tài)（接頭）。還可以進(jìn)行多視點(diǎn)，多角度切換。5.3數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸線或因特網(wǎng)發(fā)布全站儀觀測命令，接收全站儀的 測量數(shù)據(jù)，按預(yù)定的方案處理數(shù)據(jù)，然后向指揮發(fā)送指揮所需的數(shù)字和圖形信息、 向參觀室發(fā)送三維圖形。5.4系統(tǒng)硬件全站儀2-3臺，與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)直接連接，或通過無線電與其它計(jì)算機(jī)連接。 或GPS4臺，

12、一臺作為基準(zhǔn)站，發(fā)射差分信號，另外3臺安裝在棱鏡塔上，通過電纜 與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接。計(jì)算機(jī)3臺，一臺為數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，一臺指揮，一臺參觀。無線電3臺，分別與3臺計(jì)算機(jī)連接，或無線網(wǎng)卡3張。傾斜儀1臺（備選），連通管1套（備選）。5.5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法軟件在Windows9X/Xp/2000系統(tǒng)下開發(fā)，主要采用VB6.0編程，考慮到計(jì)算速 度，部分求逆等計(jì)算較大的部分采用Fortran90語言編寫，PowerStation4.0編譯，立體采用軟件可控制的CAD2000制作。5.6采用和解決的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)無線電通信接口，采用了廣播式的數(shù)字傳輸電臺TS400，頻率為410M，傳輸時 各數(shù)據(jù)時加校驗(yàn)碼，

13、成功率約90%左右。為了更方便數(shù)據(jù)傳輸，采用TCP/IP協(xié)議上 網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，各臺計(jì)算機(jī)配一張無線網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)可以Internet網(wǎng)傳輸，這 樣數(shù)據(jù)可以到達(dá)任意能上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)。全站儀通信接口，采用Sokkia Set2100全站儀，當(dāng)其接收到觀測命令“Ed”時 開始觀測，并返回含坐標(biāo)的Ed回復(fù)語句，因此全站儀需要設(shè)置好測站坐標(biāo)、儀器高、 棱鏡高、后視點(diǎn)等。在沉放E1、E2、E3時，也采用GPS作為數(shù)據(jù)采集手段。不能同時觀測到3個棱鏡時，不能求解出全部參數(shù)，這時需要假定橫傾為0或 縱坡為設(shè)計(jì)值。立體采用CAD2000中的Move、Rotate等命令在軟件中自動實(shí)現(xiàn)移動。采用設(shè)置為“測站”、“

14、指揮”、“參觀”三種模式，來區(qū)分軟件使用場合，設(shè)為 “測站”時可彈出測量界面，會顯示控制全站儀和全站儀回復(fù)數(shù)據(jù)。設(shè)為“指揮” 時，可連接一臺全站儀，該全站儀通過無線電被主測站控制。設(shè)為“參觀”時只能 顯示結(jié)果，同時可調(diào)出立體模型。0號窗體按比例顯示管段的全局分布，1、2、3、4窗體均不按比例，分別顯示 管段離設(shè)計(jì)位置的前后距離、橫傾、前后點(diǎn)偏離軸線、前后點(diǎn)高度，5、6號圖在距 設(shè)計(jì)位置小于2米時才出現(xiàn)，按比例顯示鼻托的俯視和前視圖。5.7 Sinktube軟件的改進(jìn)1）采用GPS作為另一個可以替代全站儀的觀測手段。2）可接收全自動全站儀的數(shù)據(jù)。3）可接收傾斜儀數(shù)據(jù)，獲得橫傾?；蛲ㄟ^連通管數(shù)據(jù)，

15、獲得橫傾，當(dāng)不能取得 橫傾數(shù)據(jù)時，認(rèn)為橫傾為設(shè)計(jì)值。4）增加了短消息輸入、處理、顯示功能，使得不在一處的計(jì)算之間能進(jìn)行信息 交流。5）油壓等其他數(shù)據(jù)過渡功能，有些有用的技術(shù)數(shù)據(jù)，如卷揚(yáng)機(jī)油壓等數(shù)據(jù)，可 通過本軟件從沉管上實(shí)時傳到演示室顯示，供參觀人員分析。6）為自動沉放系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)輸出接口，供自動沉放控制系統(tǒng)使用。精度分析6.1全站儀測量精度采用高精度全站儀時，水平角測量精度m =1,垂直角測量精度m =1”，距離P1p2測量精度m =2mm+2ppm6.2靜態(tài)測量精度分析極坐標(biāo)法放樣平面精度分析：x = x + S cos(a + p)y = y + S sin(a + p)m2xp = m

16、2xA + m2 cos2 a + s2 sin2 a * mp / p2m2 yp = m2yA + m2 sin2 a + s2 cos2 a * m2 / p 2江面寬400米，若取 s=500m , m =*必 + (2/1000000*500*1000)2 = 2.23mm取 a = 90 ,m2p = m2xA + m2 cos2 a + s2 sin2 a * m2 / p2 = m2xA + (2.42mm)2 m2yp = m2yA + m2 sin2 a + s2 cos2 a * m2 / p 2 = m2yA + (2.23mm)2 m 2 p = m 2 A + (3

17、.29mm)2若控制點(diǎn)誤差m = 3mm，則，Am = 4.46mmp取 a = 120m2p = m2xA + m2 cos2 a + s2 sin2 a * m2 / p 2 = m2xA + (2.38mm)2 m2yp = m2yA + m2 sin2 a + s2 cos2 a * m2 / p 2 = m2yA + (2.28mm)2 m 2 p = m 2 A + (3.29mm)2若控制點(diǎn)誤差m = 3mmAm = 4.46mmp極坐標(biāo)法放樣高程精度H =七 + S tana + i -1不考慮其它因素的影響，則m2H - m2H + m2S *tan2 a + S2*1/co

18、s2 a *m2 /P2 + m2i + m2a - 5 m = 2mmm = 5 mm+ (2.44mm)2 + (2mm)2 + (5mm)2+ (5.91mm)2m2HP - m2H +(2.44mm)2+ m2i + m21 - m2H=m 2 h + (2.44mm) 2 + (2mm) 2 + (5mm) 2 = m 2 hm = 6.53mmhp由以上分析可知，采用高精度的全站儀進(jìn)行靜態(tài)測量放樣，如果采取適當(dāng)?shù)拇?施和方法，平面精度可以達(dá)到5mm ,高程精度可以達(dá)到10mm。6.3實(shí)際作業(yè)時的測量精度情況控制網(wǎng)觀測精度由于采取了較恰當(dāng)?shù)挠^測措施，角度距離均觀測4測回，每節(jié)管段沉放前均復(fù) 測控制網(wǎng)，控制點(diǎn)的點(diǎn)位精度在3mm以下。塢內(nèi)特征點(diǎn)測量觀測條件較好，角度距離均觀測2測回，管段形態(tài)和棱鏡的精度在5mm以下。管段浮運(yùn)監(jiān)測由于在浮運(yùn)時，管段晃動較大，瞄準(zhǔn)精度只能控制在50mm左右，且三個全站儀 觀測不能嚴(yán)格