上海外环隧道测量

外环管段浮运沉放测量及定位实时监控报告
1．概述
2．测量方案
2.1 测量方案概况
2.2 准备工作
2.2.1城市坐标系
2.2.2管段坐标系
2.2.3 GPS转换至城市坐标
2.3 两坐标系统之间的换算
2.4 建立观测墩
2.5 浮运沉放时的测量
3．测量难点
4. 浮运、沉放、对接定位测量
5. 浮运沉放监测软件
5.1系统组成
5.2 系统功能
5.3 数据通讯
5.4 系统硬件
5.5系统实现方法
5.6采用和解决的关键技术要点
5.7 Sinktube软件的改进
6. 精度分析
6.1全站仪测量精度
6.2 静态测量精度分析
6.3实际作业时的测量精度情况
7. 结论
外环管段浮运沉放测量及定位实时监控报告
1．概述
外环隧道工程是上海市的重大基础项目，该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，全长700m，由七节管段组成。

自西向东分别为E1、E2、E3、E4、 E5、E6、E7，每节管段长约100m、宽约43m、高约9.5m。

2．测量方案
2.1.测量方案概况
在管段浮运、沉放、对接过程中测量是一个举足轻重的环节。

加上管段沉放、对接均在水下进行，周边环境和外界条件困难，不能简单的使用常规的测量方法。

因此建立一套针对工程条件，行之有效的、快速的、精确的测量系统是十分重要，十分必要的。

沉放测量主要是保证预制管节能够在江中安全、精确对接，符合设计要求。

2.2.准备工作
2.2.1.城市坐标系
外环线隧道是上海市道路网的一个组成部分。

它必须在上海市坐标系统中精确定位。

所以工地的测量控制网必须采用城市统一的测量坐标系统。

上海城市坐标系（x、y、h）,即上海市测量平面坐标系，其中(x,y)(x指向北方、y指向东方)，h是高程，指向上方。

设计的管段位置和测量仪器的点位在此坐标系中坐标是固定的。

2.2.2. 管段坐标系
管段浮运对接时特征点的坐标在城市坐标系中的坐标时刻都在变化，建立管段坐标系，以管段的主轴方向为XX 方向，与主轴垂直定义为YY 方向，向上为hh 方向，如下图所示，此坐标系与管段固连，在此坐标系内，特征点和棱镜的坐标保持不变。

沉管特征点和安装在测量塔上的棱镜位置在此坐标系中的坐标值固定不变。

2.2.3. GPS 转换至城市坐标
假设北京54椭球的中心和坐标轴方向与WGS84椭球相一致，可通过平面转换模型，将GPS 定位得到的大地经纬度和大地高()T
h L B 8484
84，通过以下过程转换成
平面坐标()T
g
g y x ,：
由WGS-84的椭球参数，将GPS 测得的()T
h L B 8484
84
换算至空间直角坐标
()T
Z Y
X。

由北京54椭球的椭球参数，由（2）式将()T
Z Y
X 换算至大地坐标形式
()T
h L B 5454
54。

取中央子午线121.28,进行高斯投影，将()T
L B 5454
投影为Gauss 坐标
()
T
g
g y x
''。

()
T
g
g
y x
''与城市坐标(
)T
g g
y x 之间的关系：
()()⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++⎪⎪
⎭⎫
⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛''001g g g g y x R r y x y x ψ 其中：
()T
y x 00为坐标平移量；
r 为缩放尺度；
()⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛-=)cos()sin()sin()cos(
ψψψψψR 为旋转矩阵，ψ为旋转角。

为求出平移、缩放尺度和旋转参数，先在控制点上进行GPS 测量，求出这些参
数。

对于高程，先在高程控制点上测定GPS 高，与已知的水准高作拟合，求出拟合参数。

浮运沉放时采用以上过程求得天线的城市坐标和高程，后面的计算与全站仪测量相同。

2.3. 两坐标系统之间的换算
两个坐标系之间的关系为：
()()()⎪⎪⎪
⎭
⎫
⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛HH YY XX R R R h y x h y x γβα321000 式中的()00
h y x 为管段坐标系原点在地方空间坐标系中的坐标，()
γβα
为两坐标系之间的旋转角。

式中的旋转矩阵为：
()()()()()⎪⎪
⎪
⎭
⎫ ⎝⎛-=αααααcos sin 0sin cos 0001
1R
()()()()()⎪⎪⎪
⎭
⎫ ⎝⎛-=βββββcos 0sin 010sin 0cos 2R
()()()()()⎪⎪⎪
⎭
⎫ ⎝⎛-=1000cos sin 0sin cos 3γγγγγR
求出()00
h y x 与()γβα
后任一点在两坐标系中的坐标之间可以互相换
算。

2.4. 建立观测墩
在两岸合适（隧道轴线附近、视野开阔、稳固）的地点建立2～3个测站，测站采用强制对中墩形式，事先要通过联测求得每个测站的坐标和高程。

浮运沉放时仪器应全架设于靠近管段沉放位置。

几架仪器可以全架设于同一岸，也可以分别架设于两岸。

以尽量缩短观测视线、减小江面球气差、视线不受阻挡、便于观测，在每次沉放前均需对测站位置进行复测。

2.5.浮运沉放时的测量
2.5.1.在测站的强制对中墩上架设全站仪。

在适当的地方安置主计算机。

全站仪与
主机之间建立通讯（有线的和无线的）；
2.5.2.浮运沉放时仪器的望远镜随时跟踪棱镜。

可以用具有自动照准棱镜的全站仪
进行自动跟踪，也可以用人工跟踪。

由主控计算机发观测指令，几台全站仪同步观测，测得坐标返回主控计算机；
2.5.
3.由软件检查数据是否正常。

如正常则计算管段相对于设计位置和姿态的偏差
值；
2.5.4.以约定的形式向下述各方发送图形和数字信息：
2.5.4.1.卷扬机自动控制系统的计算机；
2.5.4.2.浮运沉放指挥室屏幕；
2.5.4.
3.参观室的大屏幕；
2.5.4.4.其他测站上的计算机。

上图的1、3两个窗口显示管段平面位置和轴线偏差。

即在沉放浮运时待沉管段和已沉管段两个导向装置之间平面位置的偏差，以及管段轴线相对于设计方向的偏差（用管段两端点偏离设计轴线的两个偏差值来表示）。

上图的2、4两个窗口显示管段高程位置和纵横倾斜。

即管段浮运沉放时管段的高程相对于设计高程的差值，以及的纵横倾斜度（用高差来表示）。

3．测量难点
同普通的工程测量不同，沉管测量有以下难点：
（1）水下测量
特征点均在水下，不能直接测量，需要测量水面上的棱镜坐标后反算水下特征点的坐标。

（2）动态测量
管段在浮运沉放中始终是漂浮在水中，因此是动态的，需要全站仪或GPS做到
同步、实时观测和采集数据，存在一定困难。

（3）精度要求高
根据设计要求，管段沉放对接轴线精度要求为相邻管段之间轴线：水平方向的中误差为±25mm，竖直方向的中误差为±30mm。

这对于漂浮在江中的动态管段，要求是很高的。

同时由于对接的最终质量是由管段制作，浮运、沉放控制等多个因素共同影响，因此这个精度要求是相当高的。

（4）数据传输
仪器、指挥、参观等计算机均不在一处，也不能建立有线网络，需要建立无线网络连接，需要顾及无线网络的可靠性，同时需要控制网络延时。

（5）横倾
由于本工程的特殊性，只能安装两个棱镜，横倾不能由全站仪数据计算，顾需要接入倾斜仪数据，考虑到倾斜仪数据可能不可靠，还需考虑接入连通管数据，还需要考虑到横倾数据不能得到的情况。

（6）软件
施工开始后，不能停顿，因此软件需要事先调式得100%可靠。

4. 浮运、沉放、对接定位测量
管段在牵引之前先将管段的设计尺寸进行校核，然后在安装钢架测量塔时，进行连接测量，将棱镜坐标换算至设计位置在城市坐标系中的坐标。

在管段浮运、沉放过程中，随时测量棱镜的坐标与高程，据此计算出管段的三维位置、方向偏差、和倾斜度。

5. 浮运沉放监测软件
5.1系统组成
5.2 系统功能
（1）实时数据采集
通过三台全站仪，连续测量沉管上三个棱镜，每5-8秒为一个数据采集周期（浮运中可适当延长周期）。

由数据处理主控计算机控制，同步测量数据。

（2）测得的数据通过仪器上的数据接口及相应接口软件直接输入主控计算机。

当仪器离主机较远时，通过internet网无线传输至主机中存储，处理。

（3）数据分析处理
先对观测数据进行整理，分类，过滤等整理，然后利用相应测量数据处理程序进行数据的计算、平差、转换最终获得管段在江中的平面、高程、倾斜度等三维定位数据。

（4）显示
根据模型计算，确定管段相对于设计位置的参数（包括平移、旋转、倾斜、下沉等），向指挥和参观人员提供准确、直观的数据和图形。

如：已沉管段钢后壳面与沉放管段前钢壳面之间的距离、管段轴中线的左右偏离值、轴线前后两端点的高程偏离值、鼻托的偏离三维值等。

（5）三维动态图形显示
为参观室的大屏幕提供三维动态图形。

根据计算数据及时加工得三维动态图形，传输到参观室的显示屏。

让参观者可以实时看到沉管动态的三维姿态及局部细节状态（接头）。

还可以进行多视点，多角度切换。

5.3 数据通讯
数据处理计算机通过数据传输线或因特网发布全站仪观测命令，接收全站仪的测量数据，按预定的方案处理数据，然后向指挥发送指挥所需的数字和图形信息、向参观室发送三维图形。

5.4 系统硬件
全站仪2-3台，与数据处理计算机直接连接，或通过无线电与其它计算机连接。

或GPS4台，一台作为基准站，发射差分信号，另外3台安装在棱镜塔上，通过电缆与数据处理计算机连接。

计算机3台，一台为数据处理计算机，一台指挥，一台参观。

无线电3台，分别与3台计算机连接，或无线网卡3张。

倾斜仪1台（备选），连通管1套（备选）。

5.5系统实现方法
软件在Windows9X/Xp/2000系统下开发，主要采用VB6.0编程，考虑到计算速
度，部分求逆等计算较大的部分采用Fortran90语言编写，PowerStation4.0编译，
立体采用软件可控制的CAD2000制作。

5.6采用和解决的关键技术要点
无线电通信接口，采用了广播式的数字传输电台TS400，频率为410M，传输时各数据时加校验码，成功率约90%左右。

为了更方便数据传输，采用TCP/IP协议上网方式进行数据通讯，各台计算机配一张无线网卡，数据可以Internet网传输，这样数据可以到达任意能上网的计算机。

全站仪通信接口，采用Sokkia Set2100全站仪，当其接收到观测命令“Ed”时开始观测，并返回含坐标的Ed回复语句，因此全站仪需要设置好测站坐标、仪器高、棱镜高、后视点等。

在沉放E1、E2、E3时，也采用GPS作为数据采集手段。

不能同时观测到3个棱镜时，不能求解出全部参数，这时需要假定横倾为0或纵坡为设计值。

立体采用CAD2000中的Move、Rotate等命令在软件中自动实现移动。

采用设置为“测站”、“指挥”、“参观”三种模式，来区分软件使用场合，设为“测站”时可弹出测量界面，会显示控制全站仪和全站仪回复数据。

设为“指挥”时，可连接一台全站仪，该全站仪通过无线电被主测站控制。

设为“参观”时只能显示结果，同时可调出立体模型。

0号窗体按比例显示管段的全局分布，1、2、3、4窗体均不按比例，分别显示管段离设计位置的前后距离、横倾、前后点偏离轴线、前后点高度，5、6号图在距设计位置小于2米时才出现，按比例显示鼻托的俯视和前视图。

5.7 Sinktube软件的改进
1）采用GPS作为另一个可以替代全站仪的观测手段。

2）可接收全自动全站仪的数据。

3）可接收倾斜仪数据，获得横倾。

或通过连通管数据，获得横倾，当不能取得横倾数据时，认为横倾为设计值。

4）增加了短消息输入、处理、显示功能，使得不在一处的计算之间能进行信息交流。

5）油压等其他数据过渡功能，有些有用的技术数据，如卷扬机油压等数据，可通过本软件从沉管上实时传到演示室显示，供参观人员分析。

6）为自动沉放系统提供数据输出接口，供自动沉放控制系统使用。

6. 精度分析
6.1全站仪测量精度
采用高精度全站仪时，水平角测量精度1βm =1”，垂直角测量精度2βm =1”，距离测量精度s m =2mm+2ppm
6.2 静态测量精度分析
极坐标法放样平面精度分析：
)cos(βα++=S x x A p
)sin(βα++=S y y A p
2
2222222/*sin cos ρααβm s m m m s xA xp ++=
22222222/*cos sin ρααβm s m m m s yA yp ++=
江面宽400米，若取 s=500m , mm m s 23.2)1000*500*1000000/2(222=+= 取90=α，
2
222222222)42.2(/*sin cos mm m m s m m m xA s xA xp +=++=ρααβ
2222222222)23.2(/*cos sin mm m m s m m m yA s yA yp +=++=ρααβ
222)29.3(mm m m A p +=
若控制点误差mm m A 3=，则，
mm m p 46.4=
取120=α
2
222222222)38.2(/*sin cos mm m m s m m m xA s xA xp +=++=ρααβ
2222222222)28.2(/*cos sin mm m m s m m m yA s yA yp +=++=ρααβ
222)29.3(mm m m A p +=
若控制点误差mm m A 3=
mm m p 46.4=
极坐标法放样高程精度
l i S H H A p -++=αtan
不考虑其它因素的影响，则
l i S H p H m m m S m m m A 2222222222/*cos /1*tan *++++=ρααε
5=α，mm m i 2=，mm m l 5=
222222222)5()2()44.2()44.2(mm mm mm m m m mm m m A A H l i H p H +++=+++= =222222)91.5()5()2()44.2(mm m mm mm mm m A A H H +=+++
当mm m HA 3=
mm m P H 53.6=
由以上分析可知，采用高精度的全站仪进行静态测量放样，如果采取适当的措施和方法，平面精度可以达到5mm , 高程精度可以达到10mm 。

6.3实际作业时的测量精度情况
● 控制网观测精度
由于采取了较恰当的观测措施，角度距离均观测4测回，每节管段沉放前均复测控制网，控制点的点位精度在3mm 以下。

● 坞内特征点测量
观测条件较好，角度距离均观测2测回，管段形态和棱镜的精度在5mm 以下。

● 管段浮运监测
由于在浮运时，管段晃动较大，瞄准精度只能控制在50mm 左右，且三个全站仪观测不能严格同步，浮运时的测量精度约100mm 左右。

● 管段沉放测量
实测采用了Sokkia 全站仪和Leica 全站仪，测角精度优于2”，测距精度优于2mm+2PPm ，极坐标法测定的平面点位精度约8mm ，考虑到江面上垂直折光的影响较大，高程精度约20mm 。

干坞测量时，部分管段的棱镜需要通过过度点来实现，过度点的精度相当于控制网的精度，传递到棱镜，平面误差约5mm ，高程误差约10mm 。

考虑到施工现场观测条件较复杂，存在不可预见误差，管段沉放时的平面定位精度约20mm，高程定位精度约30mm。

7. 结论
根据最终管段的沉放结果，本项目很好地满足了工程的需要，确保全部七节管段的顺利、精确对接。