上海外環(huán)隧道測(cè)量

1、概述.測(cè)量方案2.1測(cè)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(cè)墩2.5浮運(yùn)沉放時(shí)的測(cè)量.測(cè)量難點(diǎn)浮運(yùn)、沉放、對(duì)接定位測(cè)量浮運(yùn)沉放監(jiān)測(cè)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(cè)量精度6.2靜態(tài)測(cè)量精度分析6.3實(shí)際作業(yè)時(shí)的測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)約 100m、寬約 43m、高約 9.5m。測(cè)量方案測(cè)量方案概況在管段浮運(yùn)、沉放、對(duì)接過程中測(cè)量是一個(gè)舉足輕重的環(huán)節(jié)。加上管段沉放、 對(duì)接均在水下進(jìn)行，周邊環(huán)境和外界條件困難，不能簡(jiǎn)單的使用常規(guī)的測(cè)量方法。 因此建立一套針對(duì)工程條件，行之有效的、快速的、精確的測(cè)量系統(tǒng)是十分重要， 十分必要的。沉放測(cè)量主要是保證預(yù)制管節(jié)能夠在江中安全、精確對(duì)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(gè)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(cè)量控制網(wǎng)必須采用城市統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)。上海城市坐標(biāo)系(x、y、h),即上

3、海市測(cè)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(cè)量?jī)x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(duì)接時(shí)特征點(diǎn)的坐標(biāo)在城市坐標(biāo)系中的坐標(biāo)時(shí)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(cè)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(cè)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(cè)量，求出這些參 數(shù)。對(duì)于高程，先在高程控制點(diǎn)上測(cè)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(shí)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(cè) 量相同。兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的換算兩個(gè)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(cè)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(gè)測(cè)站，測(cè)站 采用強(qiáng)制對(duì)中墩形式，事先要通過聯(lián)測(cè)求得每個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)和高程。浮運(yùn)沉放時(shí)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(cè)視線、減小江面球氣差、視線不受阻擋、 便于觀測(cè)，在每次沉放前均需對(duì)測(cè)站位置進(jìn)行復(fù)測(cè)。浮運(yùn)沉放時(shí)的測(cè)量在測(cè)站的強(qiáng)制對(duì)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(shí)儀器的望遠(yuǎn)鏡隨時(shí)跟蹤棱鏡。可以用具有自動(dòng)照準(zhǔn)棱鏡的全站儀 進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，也可以用人工跟蹤。由主控計(jì)算機(jī)發(fā)觀

7、測(cè)指令，幾臺(tái)全站儀 同步觀測(cè)，測(cè)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(duì)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(dòng)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(cè)站上的計(jì)算機(jī)。上圖的1、3兩個(gè)窗口顯示管段平面位置和軸線偏差。即在沉放浮運(yùn)時(shí)待沉管段 和已沉管段兩個(gè)導(dǎo)向裝置之間平面位置的偏差，以及管段軸線相對(duì)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(gè)偏差值來表示)。上圖的2、4兩個(gè)窗口顯示管段高程位置和縱橫傾斜。即管段浮運(yùn)沉放時(shí)管段的 高程相對(duì)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(cè)量難點(diǎn)同普通的工程

8、測(cè)量不同，沉管測(cè)量有以下難點(diǎn)：水下測(cè)量特征點(diǎn)均在水下，不能直接測(cè)量，需要測(cè)量水面上的棱鏡坐標(biāo)后反算水下特征 點(diǎn)的坐標(biāo)。動(dòng)態(tài)測(cè)量管段在浮運(yùn)沉放中始終是漂浮在水中，因此是動(dòng)態(tài)的，需要全站儀或GPS做到 同步、實(shí)時(shí)觀測(cè)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(duì)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(duì)于漂浮在江中的動(dòng)態(tài)管段，要 求是很高的。同時(shí)由于對(duì)接的最終質(zhì)量是由管段制作，浮運(yùn)、沉放控制等多個(gè)因素 共同影響，因此這個(gè)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(shí)需要控制網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。橫傾由于本工程的特殊性，只能安裝兩個(gè)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(duì)接定位測(cè)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(cè)量塔時(shí)，進(jìn) 行連接測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)軟件 5.1系統(tǒng)組成5.2系統(tǒng)功能（1）實(shí)時(shí)數(shù)

10、據(jù)采集通過三臺(tái)全站儀，連續(xù)測(cè)量沉管上三個(gè)棱鏡，每5-8秒為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期（浮 運(yùn)中可適當(dāng)延長(zhǎng)周期）。由數(shù)據(jù)處理主控計(jì)算機(jī)控制，同步測(cè)量數(shù)據(jù)。（2）測(cè)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(shí)，通過internet網(wǎng)無線傳輸全主機(jī)中存儲(chǔ)，處理。（3）數(shù)據(jù)分析處理先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分類，過濾等整理，然后利用相應(yīng)測(cè)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(duì)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(dòng)態(tài)圖形顯示為參觀室的大屏幕提供三維動(dòng)態(tài)圖形。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)及時(shí)加工得三維動(dòng)態(tài)圖形, 傳輸?shù)絽⒂^室的顯示屏。讓參觀者可以實(shí)時(shí)看到沉管動(dòng)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(cè)命令，接收全站儀的 測(cè)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(tái)，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(tái)，

12、一臺(tái)作為基準(zhǔn)站，發(fā)射差分信號(hào)，另外3臺(tái)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(tái)，一臺(tái)為數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，一臺(tái)指揮，一臺(tái)參觀。無線電3臺(tái)，分別與3臺(tái)計(jì)算機(jī)連接，或無線網(wǎng)卡3張。傾斜儀1臺(tái)（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(tái)TS400，頻率為410M，傳輸時(shí) 各數(shù)據(jù)時(shí)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(tái)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(cè)命令“Ed”時(shí) 開始觀測(cè)，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(cè)站坐標(biāo)、儀器高、 棱鏡高、后視點(diǎn)等。在沉放E1、E2、E3時(shí)，也采用GPS作為數(shù)據(jù)采集手段。不能同時(shí)觀測(cè)到3個(gè)棱鏡時(shí)，不能求解出全部參數(shù)，這時(shí)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(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。采用設(shè)置為“測(cè)站”、“

14、指揮”、“參觀”三種模式，來區(qū)分軟件使用場(chǎng)合，設(shè)為 “測(cè)站”時(shí)可彈出測(cè)量界面，會(huì)顯示控制全站儀和全站儀回復(fù)數(shù)據(jù)。設(shè)為“指揮” 時(shí)，可連接一臺(tái)全站儀，該全站儀通過無線電被主測(cè)站控制。設(shè)為“參觀”時(shí)只能 顯示結(jié)果，同時(shí)可調(diào)出立體模型。0號(hào)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(hào)圖在距 設(shè)計(jì)位置小于2米時(shí)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(gè)可以替代全站儀的觀測(cè)手段。2）可接收全自動(dòng)全站儀的數(shù)據(jù)。3）可接收傾斜儀數(shù)據(jù)，獲得橫傾。或通過連通管數(shù)據(jù)，

15、獲得橫傾，當(dāng)不能取得 橫傾數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)傳到演示室顯示，供參觀人員分析。6）為自動(dòng)沉放系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)輸出接口，供自動(dòng)沉放控制系統(tǒng)使用。精度分析6.1全站儀測(cè)量精度采用高精度全站儀時(shí)，水平角測(cè)量精度m =1,垂直角測(cè)量精度m =1”，距離P1p2測(cè)量精度m =2mm+2ppm6.2靜態(tài)測(cè)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(cè)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(shí)的測(cè)量精度情況控制網(wǎng)觀測(cè)精度由于采取了較恰當(dāng)?shù)挠^測(cè)措施，角度距離均觀測(cè)4測(cè)回，每節(jié)管段沉放前均復(fù) 測(cè)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(cè)量觀測(cè)條件較好，角度距離均觀測(cè)2測(cè)回，管段形態(tài)和棱鏡的精度在5mm以下。管段浮運(yùn)監(jiān)測(cè)由于在浮運(yùn)時(shí)，管段晃動(dòng)較大，瞄準(zhǔn)精度只能控制在50mm左右，且三個(gè)全站儀 觀測(cè)不能嚴(yán)格