徐良，孙阳阳，杨伟光，葛萌
（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）
摘要：针对大连湾海底隧道项目因施工区域环境复杂，GPS信号偶见中断的问题，现将北斗定位系统投入沉管浮运安装测控系统中进行定位使用。通过多期模拟使用及精度比对，E1管节浮运安装过程中将北斗定位系统作为主要定位系统。根据沉管浮运安装过程中稳定性表现及沉管安装结果，北斗定位系统满足大连湾海底隧道项目沉管浮运安装测控要求。
关键词：海底隧道；北斗定位系统；沉管安装；浮运安装定位
1概况
大连湾海底隧道建设工程北起梭鱼湾20号路，南至人民路，道路等级为城市快速路，双向六车道规模，主线设计速度为60km/h。主线包括南北两岸接线段及沉管隧道段，全长5098.227m，其中沉管隧道长3035m（由1节135m直线管节，12节180m直线段管节和5节148m曲线段管节组成）。北侧暗埋段长380m，敞开段长50m，南岸暗埋段长1192m，敞开段长200m，最终接头位于E18和南岸暗埋段之间，采用“顶进节段”法实现整个隧道的贯通。
2定位准备
2.1基站架设
在首级控制点DLB2处架设单北斗基站，主要设备包括：北斗接收机、电台及扼流线圈。基站架设完成后将GPS和北斗流动站架设在已知点，分别连接GPS基站与单北斗基站进行快速静态测量，将坐标进行比对，比对结果见表2.1-1。
表2.1-1 连接两基站测量坐标对比
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对比结果显示，北斗基站运行稳定，定位精度与GNSS基站相近，皆满足施工要求。
2.2沉管标定
2.2.1沉管一次标定
为建立管节坐标系，测得特征点相对位置关系以及对二次标定及浮运安装测控系统提供测量基准，进行管节一次标定，主要标定内容有管节线性测量、顶面特征点标定、端面特征点标定、管内特征点标定。
标定测量完成后建立管节坐标系，将首端端面特征点投影到端面顶部，投影点相加取中，即为管节坐标系原点，并以指向GINA 端的方向为x 轴正方向，使用左手法则建立y坐标轴， 过原点o做垂直于xoy平面的线为z轴，并以向上方向为z轴正方向。取管节顶面设计高程为管节坐标系的高程基准，管节坐标系示意图见图2.2-1。
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图2.2-1 管节坐标系示意图
管节坐标系建立完成后需将测量特征点坐标转换为管节坐标系坐标，为沉管二次标定提供测量基准。
2.2.2沉管二次标定
为确定测量塔顶GNSS天线及棱镜中心点与管节各特征点之间的关系，对沉管浮运安装测控系统提供安装参数以及调整导向系统至设计位置，进行沉管二次标定。使用全站仪标定出测量塔GPS及北斗天线盘在管节坐标系中坐标，结合沉管一次标定中计算出的端面特征点坐标，得到定位设备与沉管8个角点的相对位置关系，从而能够根据定位系统测量坐标推出沉管8个角点的施工坐标。
沉管浮运安装测控系统通过对测量塔顶GNSS天线/棱镜位置的实时定位数据和安装在沉管上的倾斜仪实时姿态数据，结合GNSS天线/棱镜及倾斜仪的标定数据，通过软件实时计算管节各外形特征点的施工坐标及管节姿态，指导管节的沉放对接施工。
2.3沉管安装测控系统陆地模拟试验
沉管一次标定后得到沉管布设特征点的相对位置关系，在特征点架设北斗定位设备，通过沉管安装测控系统模拟出设计位置，可以得出沉管安装测控系统及北斗定位导航的精度。汇总软件解算成果与全站仪测量成果比对差值，坐标偏差成果见表2.3-1。
表2.3-1 软件解算与标定差值
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经对比计算，沉管安装测控系统与北斗定位导航系统满足施工精度要求。
2.4沉管浮运演练
E1管节安装前进行了浮运演练，采用2艘安装船组合连接的方式模拟演练E1和E18管节的浮运，进行空载演练。
沉管浮运安装测控系统同时用北斗定位系统和GPS定位系统进行安装船定位。演练过程中部分船体中心偏航数据见图2.4-1，其中若信号不稳定则会突然出现峰值。图中可以看出GPS定位出现信号不稳定的现象，而北斗定位系统接收信号稳定，无信号干扰等现象。
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图2.4-1 中心偏航数据比对图
2.5精度比对
沉管二次标定完成后将沉管参数导入沉管浮运安装测控系统，在标定出的已知点上架设GPS和360°棱镜，通过全站仪测量、GPS实时定位与沉管浮运安装测控系统定位比对，可以得到系统计算精度与北斗定位精度，经比对精度符合施工要求。对比成果见表2.5-1、表2.5-2。
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3北斗定位在沉管浮运过程中应用
E1管节浮运航道全长约1.4公里，航道复杂狭窄且需要乘潮作业，对浮运导航定位精度要求高。浮运过程中使用GPS与北斗同时进行沉管浮运导航定位，确保数据的稳定性与准确性。浮运前需对沉管浮运安装导航系统进行精度比对，在沉管已知点上架设RTK，将测量坐标与沉管浮运安装导航系统计算坐标进行比对以验证定位系统准确性。经测量数据比对，数据坐标差值在2cm以内，北斗定位系统满足浮运导航定位要求。
4北斗定位在沉管安装过程中应用
沉管沉放对接需要对其进行精确定位，现采用GPS与北斗同时进行定位以确保定位精度满足施工要求，沉管沉放前需对定位系统进行精度比对，分别用全站仪和GPS-RTK实测坐标与系统解算坐标进行比对，比对结果见表4-1、表4-2。
表4-1 GPS-RTK与北斗测控系统对比
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备注：G5为E1管节一次标定管顶特征点，S2为首测量塔上特征点。
沉管沉放对接完成后GPS定位与北斗定位分别显示出安装偏差，现将两偏差与贯通测量成果进行比对，可以分别得出GPS与北斗定位精度，对比成果见表4-3。
表4-3 沉管安装偏差对比表
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对比结果显示，北斗与GPS定位精度相近，皆满足施工精度要求。
5小结
北斗定位系统在大连湾海底隧道项目E1管节浮运安装过程中起到了重要作用，不仅与GPS定位系统相互比对保障了数据的精确性，还作为备用定位系统保障了沉管浮运安装测控系统数据的稳定性，根据北斗定位系统在E1管节浮运安装中的应用，现做如下总结：
1)北斗定位系统接收单北斗基站信号及卫星数据稳定可靠，未出现信号干扰情况；
2)北斗定位系统定位精度优于GPS定位系；
参考文献：
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[2] 徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用[M].武汉.武汉大学出版社，2001
[3] 严勇,姚亮亮,李朝辉.北斗卫星导航系统现状及测量中的应用[J].经纬天地,2018(05):29-32.