影響超長沉管隧道變形監(jiān)測(cè)精度的因素及解決對(duì)策

成益品，董理科，韓戰(zhàn)偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

近年來，由于工程的特殊要求，變形監(jiān)測(cè)時(shí)效性要求也越來越強(qiáng)，為了保證施工安全，變形監(jiān)測(cè)常常要求隨著施工同步進(jìn)行。在沉管隧道施工建設(shè)期，通過對(duì)沉管隧道進(jìn)行沉降位移監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)施工期間沉管的差異沉降、沉降發(fā)展、線形變化等關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)分析、預(yù)測(cè)及評(píng)估，不僅為沉管隧道施工過程的安全狀態(tài)提供技術(shù)支撐，為必要的施工措施決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為與后續(xù)沉管對(duì)接、沉管段隧道后續(xù)結(jié)構(gòu)澆筑及施工預(yù)抬量的調(diào)整提供可靠依據(jù)[1-3]。

沉管隧道管內(nèi)施工周期長，監(jiān)測(cè)精度及頻次要求高，管內(nèi)各工序施工交叉轉(zhuǎn)換快，環(huán)境復(fù)雜多變，監(jiān)測(cè)作業(yè)條件空間受限，在利用水準(zhǔn)儀和全站儀監(jiān)測(cè)管節(jié)沉降位移中發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性保障比較困難，給現(xiàn)場(chǎng)施工決策帶來較大困擾，有必要對(duì)該監(jiān)測(cè)方法的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析總結(jié)。李哈汀等[4]（2015）在港珠澳大橋沉管隧道施工期間研發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從隧道沉降、接頭差異變形、節(jié)段張合量、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)等方面，介紹了港珠澳大橋沉管隧道施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立及運(yùn)行，并對(duì)差異變形及沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。許光明等[5]（2018）對(duì)港珠澳大橋沉管隧道施工期管節(jié)沉降位移監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析進(jìn)行介紹，通過對(duì)各類變形量的分析，了解沉管變形趨勢(shì)。

目前文獻(xiàn)主要介紹沉管隧道沉降位移變形監(jiān)測(cè)方法，而對(duì)于采用水準(zhǔn)儀和全站儀進(jìn)行沉降位移變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精度保障研究較少。本文通過對(duì)超長沉管隧道施工各階段沉降位移變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理與分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)了變形監(jiān)測(cè)誤差規(guī)律及主要影響因素，并依次提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 沉管隧道監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

沉管隧道管節(jié)安裝后施工監(jiān)測(cè)技術(shù)等級(jí)及頻次要求較高，隧道施工經(jīng)歷變載期和恒載期，施工期間要對(duì)管節(jié)的穩(wěn)定安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其在沉管管頂覆蓋回填、管內(nèi)壓載水箱拆除、管內(nèi)壓艙混凝土澆筑等重大的施工環(huán)節(jié)中，以及臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣過境后，均需要采用必要的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段對(duì)沉管結(jié)構(gòu)各部位沉降和位移變化情況進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。

1.1 沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)隧道洞口穩(wěn)定區(qū)域，定期對(duì)高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)檢。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在每個(gè)管節(jié)首中尾底板上，如圖1所示。沉降監(jiān)測(cè)使用電子水準(zhǔn)儀（每km往返高差中數(shù)的中誤差為0.3 mm），采用國家二等水準(zhǔn)測(cè)量方法施測(cè)[6]。監(jiān)測(cè)頻次為：變載期間1次/d；恒載期間1次/周。

圖1 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Fig.1 Location of settlement monitoring points

1.2 位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)采用GNSS靜態(tài)觀測(cè)方法在隧道洞口建立。每個(gè)管節(jié)工作基點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中裝置形式布設(shè)在相鄰已安管節(jié)尾端。位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在每個(gè)管節(jié)首中尾側(cè)墻上，如圖2所示。位移監(jiān)測(cè)使用全站儀（測(cè)角0.5″、測(cè)距精度為1.0 mm+1×10-6×D，D為測(cè)量的距離，單位km），采用國家二等三角測(cè)量方法施測(cè)[7]。監(jiān)測(cè)頻次為：變載期間1次/d；恒載期間1次/周。

圖2 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Fig.2 Location of displacement monitoring points

2 隧道監(jiān)測(cè)施工環(huán)境影響分析

沉管隧道施工期沉降位移變形監(jiān)測(cè)從管節(jié)安裝初始姿態(tài)貫通測(cè)量開始，在隧道竣工驗(yàn)收完成后結(jié)束，期間管內(nèi)沉降位移監(jiān)測(cè)要經(jīng)歷管節(jié)覆蓋回填、壓載水箱拆除、鋼封門及舾裝件切割、壓艙混凝土澆筑、附屬設(shè)施及路面鋪設(shè)等多道施工工序，監(jiān)測(cè)過程所處的施工環(huán)境不盡相同，如溫度、氣壓、濕度、風(fēng)力、光照、大氣折光及煙霧等因素會(huì)給監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響。尤其對(duì)于超長沉管隧道，壓載水箱存儲(chǔ)水引起的濕度影響、鋼封門及舾裝件切割產(chǎn)生的濃煙影響、壓艙混凝土澆筑帶來的粉塵影響等，多種不利環(huán)境影響因素長期并存且隨著工序交叉波動(dòng)變化大，由于隧道內(nèi)空氣流通差，濃煙夾雜著水霧在隧道內(nèi)彌漫，產(chǎn)生了復(fù)雜的折光影響，使得監(jiān)測(cè)誤差增大。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，采用水準(zhǔn)儀和全站儀在上述施工環(huán)境中進(jìn)行沉降位移變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)值中增加了含有粗差和系統(tǒng)誤差的可能性。在空氣流通差的管段進(jìn)行水平位移變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量在±5 mm范圍內(nèi)變動(dòng)，呈現(xiàn)全站儀距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，跳動(dòng)幅度越大，已遠(yuǎn)超出儀器的觀測(cè)誤差。處于恒載期穩(wěn)定的管節(jié)，在煙霧彌漫條件下進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度不穩(wěn)定，呈現(xiàn)幅度約為±3 mm的無規(guī)律變化。

3 影響監(jiān)測(cè)精度關(guān)鍵因素及應(yīng)對(duì)研究

3.1 管節(jié)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果變動(dòng)幅度大問題

管節(jié)沉放對(duì)接完成后，在相鄰已安管節(jié)內(nèi)的導(dǎo)線點(diǎn)上設(shè)站及后視，通過中廊道狹窄貫通人孔門監(jiān)測(cè)新沉放管節(jié)位移情況。在鋼封門拆除前，相鄰管節(jié)之間空氣只能通過貫通人孔門流通，空氣流通性差會(huì)直接影響管節(jié)位移監(jiān)測(cè)精度。

特別是在管節(jié)管頂回填施工及惡劣天氣過境期間，由于空氣流通性差導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠與否給現(xiàn)場(chǎng)施工安全管控帶來了很大的壓力。研究應(yīng)對(duì)措施為：

1）加強(qiáng)空氣流通。管節(jié)位移初始值是監(jiān)測(cè)分析研判管節(jié)穩(wěn)定性的基準(zhǔn)，必須要保證初始值采集成果準(zhǔn)確與可靠。新沉管節(jié)沉放對(duì)接完成后，首先應(yīng)及時(shí)向新沉管節(jié)送風(fēng)，徹底使新沉管節(jié)與已安管節(jié)空氣流通后方可進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)初始值采集，這樣不僅可以保證位移監(jiān)測(cè)初始值的準(zhǔn)確與可靠，而且可以有效穩(wěn)定管節(jié)歷次位移監(jiān)測(cè)精度。日常位移監(jiān)測(cè)工作要注意避開煙霧大的時(shí)間段。

2）預(yù)防管內(nèi)施工干擾。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)要防止墻體旁折光對(duì)測(cè)量精度的影響，應(yīng)將位移監(jiān)測(cè)標(biāo)距離墻體25 cm以上布設(shè)，如圖3所示。為防止監(jiān)測(cè)標(biāo)脫落導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不連續(xù)，混凝土墻體宜采用鉆孔埋設(shè)，鋼殼墻體宜采用焊接布設(shè)。每個(gè)管節(jié)監(jiān)測(cè)前先進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位穩(wěn)定性與可靠性檢查。

圖3 位移觀測(cè)標(biāo)斷面布置圖Fig.3 Section layout of displacement observation mark

3）選擇適用的監(jiān)測(cè)方法。選擇以管節(jié)中心線為坐標(biāo)系原點(diǎn)，采用基準(zhǔn)線法建立與管節(jié)中心線重合的監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系，X軸與管節(jié)中心線重合[8]，不僅便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常問題，而且避免因管節(jié)之間張合量變化引起的管節(jié)軸線變化，提高監(jiān)測(cè)工作效率。考慮監(jiān)測(cè)本身誤差因素的影響，對(duì)滿足測(cè)回間互差≤2 mm的多個(gè)測(cè)回結(jié)果取平均值作為最終結(jié)果，提升監(jiān)測(cè)成果的可靠性。

4）加強(qiáng)儀器設(shè)備維檢。沉管隧道內(nèi)濕度大，空氣中的水分子多，全站儀在濕度大的環(huán)境內(nèi)使用，會(huì)對(duì)全站儀長距離測(cè)距的數(shù)值產(chǎn)生影響，測(cè)量誤差會(huì)增大。平日應(yīng)加強(qiáng)儀器設(shè)備的維檢，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常首先進(jìn)行全站儀軸系檢校。在管節(jié)位移監(jiān)測(cè)初始數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)全站儀軸系進(jìn)行檢查。

3.2 管節(jié)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常回彈問題

在管節(jié)頂部回填與管內(nèi)壓載水箱拆除施工工序轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)具體指令實(shí)施管節(jié)壓載水箱拆除工作，在水箱拆除過程中監(jiān)測(cè)管節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)小幅度回彈現(xiàn)象，很多時(shí)候超出了設(shè)計(jì)要求的回彈穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的管節(jié)在雨后易出現(xiàn)小幅度回彈現(xiàn)象。

當(dāng)管節(jié)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)變形量很小時(shí)，甚至與監(jiān)測(cè)精度處在同一量級(jí)，要從含有誤差的監(jiān)測(cè)值中分離出變形信息工作尤為困難。研究應(yīng)對(duì)措施為：

1）建立穩(wěn)定可靠的測(cè)量基準(zhǔn)。由于人工島體長期處于沉降位移不穩(wěn)定狀態(tài)，在暗埋段結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工時(shí)，可以單獨(dú)打設(shè)PHC嵌巖布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)。另外人工島上一般會(huì)專門規(guī)劃設(shè)計(jì)工程運(yùn)營永久健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以通過設(shè)計(jì)服務(wù)函形式提前建設(shè)，利用該平臺(tái)布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)。工作基點(diǎn)要布設(shè)在基礎(chǔ)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)物上，做到能夠長期保存和利用。當(dāng)采用金屬標(biāo)志布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)時(shí)，嚴(yán)禁在太陽下暴曬，防止基準(zhǔn)點(diǎn)熱脹冷縮本身發(fā)生形變誤差對(duì)沉降監(jiān)測(cè)精度產(chǎn)生影響。

2）固定監(jiān)測(cè)線路。水準(zhǔn)環(huán)線要分段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖4所示。結(jié)合管節(jié)沉降監(jiān)測(cè)效率與經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)管節(jié)長度按照180 m計(jì)算，宜每5個(gè)管節(jié)劃分一個(gè)測(cè)段，測(cè)段與測(cè)段連接點(diǎn)應(yīng)選擇在長周期監(jiān)測(cè)沉降穩(wěn)定的管節(jié)。同時(shí)每測(cè)段及相鄰測(cè)段的監(jiān)測(cè)要有連續(xù)性，且要保證在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成，防止監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降或環(huán)境變化對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響。在不同周期的重復(fù)監(jiān)測(cè)中，儀器應(yīng)架設(shè)在同一位置上，以削弱系統(tǒng)誤差的影響。

圖4 沉降監(jiān)測(cè)線路圖Fig.4 Settlement Monitoring routing diagram

3）穩(wěn)定監(jiān)測(cè)時(shí)間段。除遇見不可抗拒因素干擾時(shí)，不同周期的重復(fù)監(jiān)測(cè)應(yīng)控制在相同的監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)完成，且監(jiān)測(cè)時(shí)間不宜過長。監(jiān)測(cè)工作開展前先進(jìn)行隧道內(nèi)通風(fēng)，盡量選擇在施工干擾較小的夜間或凌晨外界條件相近時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最大限度地降低外界條件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

4）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性檢核。沉管隧道沉降變形監(jiān)測(cè)工作的精度保障要結(jié)合外界條件影響，在數(shù)據(jù)處理之前要進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)篩選，以保證結(jié)果的正確性。當(dāng)管節(jié)水箱拆除和下雨天監(jiān)測(cè)管節(jié)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象時(shí)，一方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)復(fù)核檢查和增加外業(yè)監(jiān)測(cè)頻次的復(fù)測(cè)，排除測(cè)量粗差影響，另一方面可以通過跟蹤監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)海水密度變化，作為評(píng)估監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性的輔助手段。

4 結(jié)語

針對(duì)超長沉管隧道沉降位移監(jiān)測(cè)復(fù)雜施工環(huán)境影響，本文結(jié)合沉管隧道施工特點(diǎn)，通過優(yōu)化監(jiān)測(cè)線路、管內(nèi)通風(fēng)降塵、合理選取監(jiān)測(cè)時(shí)段等應(yīng)對(duì)措施，有效地降低特殊施工環(huán)境下沉降位移監(jiān)測(cè)的誤差影響，沉降監(jiān)測(cè)誤差控制在1 mm之內(nèi)，位移監(jiān)測(cè)誤差控制在2 mm之內(nèi)，穩(wěn)定了沉管隧道施工期間的沉降和位移監(jiān)測(cè)精度，表明相關(guān)措施有效可靠。