吳旭東，王曉進(jìn)，王崇明

(1.保利長大工程有限公司，廣州 510620；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪 技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

深中通道沉管采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)形式，鋼殼制作完成后內(nèi)部澆筑高流態(tài)自密實(shí)混凝土。端鋼殼位于沉管管節(jié)兩個(gè)端面，呈“口”字型環(huán)狀布置，是管節(jié)兩端的端頭，由焊接工字型鋼、面板和加筋板組成，與管節(jié)混凝土澆筑為整體。端鋼殼是由鋼板、型鋼焊接而形成的強(qiáng)度、剛度均較大的鋼構(gòu)件，其端部安裝GINA止水帶，分為A型端鋼殼和B型端鋼殼，A型端鋼殼面板安裝GINA止水帶，B型端鋼殼面板與下一節(jié)沉管的A型端鋼殼面板對(duì)接[1-5]，安裝示意如圖1所示。

圖1 端鋼殼GINA止水帶安裝示意圖Fig.1 Installstion of GINA waterstop on end steel shell

表1 深中通道沉管澆筑后端鋼殼精度要求[6]Tab.1 Accuracy requirements of immersed tube end steel shell after pouringin Shenzhen-Zhongshan Link project

端鋼殼在安裝、焊接、澆筑等工序完成之后，GINA止水帶安裝之前，需要進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)工作，以確定其主要幾何參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)限差的要求。主要包括端鋼殼面板不平整度、橫向垂直度和豎向垂直度3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其精度要求如表1所示。

每節(jié)沉管在施工過程中都會(huì)建立一個(gè)管節(jié)坐標(biāo)系，通常以非GINA端管底中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)與GINA端管底中點(diǎn)連線為Y軸，X軸垂直于Y軸，Z軸向上。

為了實(shí)現(xiàn)隧道的彎曲變向和坡度調(diào)整，管節(jié)在設(shè)計(jì)建造中，存在橫向偏角和豎向偏角，如圖2-a、圖2-b所示。實(shí)際測(cè)量作業(yè)中，為便于數(shù)據(jù)比較，通常將橫向垂直度和豎向垂直度轉(zhuǎn)換成橫向偏角和豎向偏角的概念。橫向偏角是端鋼殼面板俯視投影與管節(jié)軸線的夾角(實(shí)現(xiàn)管節(jié)彎曲變向)，豎向偏角是端鋼殼面板側(cè)視投影與管節(jié)軸線的夾角(實(shí)現(xiàn)管節(jié)坡度調(diào)整)。

端鋼殼是管節(jié)預(yù)制過程中的關(guān)鍵性控制工程，常規(guī)的檢測(cè)方法是采用全站儀對(duì)端面板上粘貼的反射片進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，這種測(cè)量方法需要提前準(zhǔn)確粘貼大量反射片，且只是多個(gè)單點(diǎn)的檢測(cè)，無法形成整個(gè)面板的全覆蓋檢測(cè)。本文以全站掃描儀為端鋼殼數(shù)據(jù)采集的技術(shù)手段，并與常規(guī)的全站儀方法進(jìn)行比對(duì)分析，為端鋼殼的檢測(cè)提供了一種新的思路。

1 全站儀法

圖3 端鋼殼特征點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.3 Layout of feature points on end steel shell

1.1 端鋼殼檢測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

管節(jié)端鋼殼特征點(diǎn)，布設(shè)在管節(jié)兩端邊沿。主要用于標(biāo)定管節(jié)軸線位置和定義管節(jié)坐標(biāo)系。將反射片邊中心線與管節(jié)外邊沿對(duì)齊，從頂端按2.65 m間隔，依次往下貼，特征點(diǎn)分布如圖3所示。其中S代表A端(GINA端)，W代表B端(非GINA端)，管節(jié)每個(gè)端面10個(gè)特征點(diǎn)。

圖4 端面板檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.4 Layout of survey points on end steel shell panel

端面板檢測(cè)點(diǎn)，布設(shè)在沉管兩個(gè)端鋼殼面板GINA止水帶理論壓接中心線上。主要用于檢測(cè)端面板平整度、橫向偏角和豎向偏角。在端面板四周，按照1 m間隔，粘貼反射片作為端面板檢測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

1.2 全站儀外業(yè)測(cè)量

圖5 預(yù)制控制網(wǎng)Fig.5 Prefabricated control network

預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)建立的控制網(wǎng)如圖5所示。全站儀采用某品牌 TM50型號(hào)，外業(yè)觀測(cè)時(shí)在T1設(shè)站，T2作為后視，Y3作為檢核點(diǎn)，通過極坐標(biāo)法和三角高程測(cè)量，采集沉管A端端鋼殼面板上各反射片的三維坐標(biāo)。通過3次測(cè)量，計(jì)算平均值作為特征點(diǎn)坐標(biāo)。同樣的觀測(cè)方法在T2設(shè)站，觀測(cè)沉管B端面板上的反射片三維坐標(biāo)。

1.3 內(nèi)業(yè)處理

根據(jù)沉管兩個(gè)端鋼殼上的10個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)，通過求取平均值的方法得到端鋼殼中心點(diǎn)坐標(biāo)，然后投影到管底，兩個(gè)端面投影點(diǎn)的連線為Y軸，即沉管的軸線。

端面板的平面方程表達(dá)式為

則有：z=a0×x+a1×y+a2

按照最小二乘算法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平面擬合，即使下式最小

將測(cè)量數(shù)據(jù)代入上式解算得到a0、a1、a2，即完成了平面方程的求解。將測(cè)量數(shù)據(jù)再次代入上式，計(jì)算得到每一點(diǎn)距離擬合平面的距離，即為端面板的不平整度。

端面板擬合平面的法線向量在XOY平面進(jìn)行投影，與Y軸夾角即為該端的橫向偏角。法線向量在YOZ平面進(jìn)行投影，與Z軸夾角即為該端的豎向偏角。

2 全站掃描儀法

全站掃描儀集成了全站儀和三維激光掃描儀的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，是近年來一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新。相對(duì)于傳統(tǒng)掃描儀，雖然它采集點(diǎn)云的頻率較低，但擁有更高的精度。由于綜合了全站儀的測(cè)量模式，具有設(shè)站定向的功能，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方面更高效，精度更高，具有廣泛的應(yīng)用空間。

影響全站掃描儀測(cè)量精度的主要因素有儀器誤差和被測(cè)物體的表面特性兩方面，端鋼殼形狀規(guī)則、表面光滑，完全可以用全站掃描儀進(jìn)行外輪廓和表面測(cè)量。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的全站掃描儀有3種，分別為Leica MS60、Trimble SX10和Topcon GTL-1000，50 m范圍內(nèi)掃描測(cè)量的點(diǎn)位誤差在1 mm以內(nèi)，完全可以滿足端鋼殼測(cè)量的要求[7-8]。

針對(duì)端鋼殼檢測(cè)精度要求比較高，采用MS60全站掃描儀進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)。綜合考慮精度和效率等問題，選擇1 kHz的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即每s采集1 000個(gè)測(cè)點(diǎn)。

全站掃描儀的設(shè)站方法同全站儀相同，分別在T1和T2設(shè)站觀測(cè)兩個(gè)端鋼殼。后視定向后設(shè)定掃描角度為-45°～﹢45°，每一站掃描時(shí)間約為3 min。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，采用隨機(jī)商業(yè)軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，主要包括噪點(diǎn)去除、點(diǎn)云拼接等[9]。

2.1 輪廓線提取

由于沉管橫向偏角和豎向偏角都是端面板與Y軸的夾角，必須根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)來得到沉管兩端管底中心的坐標(biāo)，采用軟件Cyclone來實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成處理之后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，會(huì)顯示出自動(dòng)平面特征提取與自動(dòng)提取面交接特征線兩種特征提取方式，此處用到的是特征線的提取。選擇該功能后，在兩個(gè)面上點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以自動(dòng)生成交界面的特征線。將端面板內(nèi)外兩側(cè)輪廓線提取出來，取兩個(gè)外側(cè)輪廓線的中心線，垂直投影到管底面，即可得到沉管Y軸的坐標(biāo)點(diǎn)[10]。按照該方法在B端得到的點(diǎn)為沉管管節(jié)原點(diǎn)，在A端得到的為Y軸方向點(diǎn)，輪廓線提取如圖6所示。

2.2 端面板平面擬合

根據(jù)端面板的內(nèi)外輪廓線，刪除外部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)刪除內(nèi)部GINA止水帶安裝螺栓區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣就提取出了GINA止水帶壓接區(qū)域的端面板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的端面板平面擬合方法同樣采用最小二乘法，此處不再贅述。

3 數(shù)據(jù)比對(duì)分析

以深中通道某節(jié)沉管的B端為例進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)說明。

3.1 端面板不平整度

將全站掃描儀和全站儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)點(diǎn)到端面板擬合面的垂距，進(jìn)行繪圖展示，如圖7所示。

從圖7中可以看出，全站掃描儀和全站儀兩者測(cè)得的不平整度趨勢(shì)相同，前者可以全覆蓋式的反映端面板不平整度，而后者只能是通過離散點(diǎn)反映端面板局部的不平整度。對(duì)兩者測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示。全站掃描儀測(cè)量的端面板合格率98.3%，全站儀的結(jié)果是100%，兩者測(cè)得的平均差值均為0 mm，全站掃描儀中誤差為2.1 mm，全站儀中誤差為1.9 mm，測(cè)量中誤差基本一致，證明兩種設(shè)備的測(cè)量精度相當(dāng)，但全站掃描儀的測(cè)量效率更勝一籌。由于全站掃描儀的全覆蓋測(cè)量，可以檢測(cè)出面板超限的地方，便于后期處理。

3.2 偏角

將全站掃描儀和全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到的橫向偏角和豎向偏角結(jié)果如表3所示。偏角限差根據(jù)沉管實(shí)際寬度和高度計(jì)算得到，分別為0.016°和0.003 7°。從表中可以看出，兩者測(cè)量的結(jié)果差值很小，將兩者分別同設(shè)計(jì)值做差，均未超限，證明全站掃描儀的方法可以進(jìn)行橫向偏角和豎向偏角的測(cè)量。

表2 不平整度測(cè)量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical of unevenness survey

表3 偏角測(cè)量結(jié)果Tab.3 Result of deflection angle survey

4 結(jié)論

全站掃描儀是一種先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，將其應(yīng)用到深中通道沉管的端鋼殼檢測(cè)中，通過與全站儀方法進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，證明其精度與全站儀相當(dāng)，數(shù)據(jù)采集效率更高，在端面板不平整度檢測(cè)方面可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋的面式掃描，具有明顯優(yōu)勢(shì)。但在數(shù)據(jù)處理方面，還未有成熟的針對(duì)沉管端鋼殼檢測(cè)需求的商業(yè)軟件，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理只能采用幾種商業(yè)軟件組合以及自編程序的計(jì)算和繪圖，這是今后需要努力的方向?？傮w而言，全站掃描儀在沉管隧道工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。