港珠澳大橋沉管隧道施工監測系統

李哈汀，胥新偉，高潮，劉馨

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道沉管段長5 664 m，由33個管節組成（由西向東編號E1~E33），沉管標準管節長180 m，由8個22.5 m長的節段組成（由西向東編號S1~S8），節段通過預應力連接并設置豎向及水平剪力鍵，管節間設置GINA止水帶，并在管節沉降穩定后安裝豎向及水平剪力鍵。港珠澳大橋沉管隧道施工工序復雜[1]，為確保施工安全，及時準確地提供沉管變化信息，為施工參數確定提供依據，有必要建立一套可靠的施工監測系統。

目前世界上已建、在建的沉管隧道已達120余座，我國在上世紀80年代就開始了沉管隧道的研究[2]。李偉平等人對運營期的寧波甬江沉管隧道進行了檢測，同時對GINA止水帶進行了評估[3]。龔昊等人針對廣州洲頭咀隧道沉管建立了健康監測模型，并對傳感器布置方案進行了探索[4]。劉正根等人以寧波甬江沉管隧道為背景，建立了由多種傳感器組成的沉管隧道實時健康監測系統[5]。徐峰等人對沉管隧道健康監測傳感器布置進行了優化[6]。目前對沉管隧道的設計和運營期健康監測的研究較多[5-6]，對沉管隧道施工期監測的研究較少。施工期沉管隧道在荷載、環境（潮汐、季節等）多種因素交叉作用下，沉降、接頭差異變形、節段張合量等變化更為顯著：壓載水排空、壓艙混凝土澆筑、外部回填等施工會對沉管的沉降及線形帶來較大影響；溫度、潮汐會影響節段及管節接頭張合量。由于港珠澳大橋沉管隧道基礎施工采用先鋪法，需要沉降及位移監測數據為后續管節基礎施工提供重要依據，這些重要參數能否及時準確反映，直接關系到沉管隧道的施工安全和貫通后的整體線形。

本文介紹了港珠澳大橋沉管隧道施工期監測系統的建立及運行情況，主要包括沉管隧道沉降、差異變形、節段張合量、環境溫度等方面監測內容。港珠澳大橋沉管隧道的設計和施工采用了許多新技術和新方法，這也對施工監測提出了新的挑戰，國內如此大規模沉管隧道的施工監測尚屬首次，本文所介紹的施工監測系統有望對今后類似的沉管隧道施工監測提供經驗和有益幫助。

1 監測內容概況

1.1 沉降監測

隧道沉降是判斷沉管結構和基礎穩定性的重要參數[6]，同時沉降也是影響施工期沉管安全性的直接因素。隧道沉降對荷載的變化較為敏感，沉管隧道施工期荷載主要來自自重、壓載水、壓倉混凝土、鎖定回填、頂部覆蓋回填，特別是在回填期間，管底荷載在短時間內變化較大。

港珠澳大橋沉管隧道沉降監測采用水準測量方法，測量精度滿足國家二等水準要求。由于壓載水箱影響，臨時沉降監測點布置在中廊道內，待水箱拆除后將測點移至左右行車廊道內，如圖1所示。在每個節段布置4個沉降測點，用于監測管節的不均勻沉降及節段、管節接頭處的差異沉降。變載期，監測頻次為每天1次，恒載期將監測頻次調整為1次/（2～3）d。

圖1 沉降監測點平面布置圖Fig.1 Plan arrangement chart of the settlement monitoring points

1.2 接頭差異變形監測

管節接頭差異變形監測包括接頭張合量、接頭差異沉降、接頭水平變形監測，相鄰管節間斷面的差異變形可以直接反映出管節的鎖定質量，對判斷GINA止水帶的止水效果具有重要意義。接頭差異沉降和沉降監測可以互相校核，提高監測數據的可靠性，為管節接頭后續剪力鍵安裝等施工提供依據。

影響管節接頭差異變形的因素復雜，環境（如潮汐、季節等）、管節沉降、線形均會對管節間差異變形造成影響。管節接頭差異變形通過在管節接頭處布置位移傳感器進行監測，測點位置如圖2所示，1、2、3號傳感器監測管節接頭張合量，4號傳感器監測管節接頭水平位移，5、6號傳感器監測管節接頭差異沉降，管節間差異變形監測數據通過采集儀自動采集存儲。變載期的監測頻次為1次/h，恒載期監測頻次為4次/d。

圖2 管節接頭差異變形監測測點布置示意圖Fig.2 Arrangement of measured points which monitor the deformation of tunnel joint

1.3 節段張合量監測

節段接頭處設置了豎向剪力鍵，因此節段張合量是判斷節段鎖定質量的主要指標。節段水平向通過預應力連接，張合量變化主要受管節線形及環境因素影響。管節受荷載作用可能產生縱向線形變化，因此監測點布置在管節頂板及底板的節段接縫位置處，從而準確反映節段間的鎖定質量。監測儀器采用與管節接頭差異變形相同的位移傳感器，監測數據實現自動采集存儲。變載期監測頻次1次/（1~2）d，恒載期監測頻次1次/周。

1.4 管節位移監測

管節位移監測可以直接反映管節方位，判斷管節水平面上線形情況，并為后續管節安裝提供測量依據。管內位移監測通過在管節首尾兩端布設測點進行測量，采用國家二等三角測量的技術要求進行精密測量。變載期監測頻次1次/d，恒載期監測頻次1次/周。

1.5 管內環境溫度監測

管內環境溫度受季節變化影響明顯，溫度變化會對管節接頭張合量產生影響，溫度監測儀器采用高精度溫度傳感器，監測頻次1~2次/周。

2 監測系統建立

2.1 監測系統的內容

建立一套成熟的監測體系，有利于施工單位及時準確地獲得監測數據，從而判斷沉管隧道的安全性，以及對后續施工進行調整。港珠澳大橋沉管隧道施工監測系統包括監測內容及監測流程，監測內容包括施工信息、測量監測數據、儀器監測數據、管內巡視四大方面，如圖3所示。

圖3 港珠澳大橋沉管隧道施工監測內容Fig.3 Construction monitoring contentsof immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

管節安裝完成后的變載期，每日提供監測數據并做出判斷，發現安全隱患及時上報。按周進行階段分析，總結監測數據變化規律，對施工情況進行評價，指導后續施工。

2.2 測點布置注意事項

圖4 E5管節尾端平均沉降Fig.4 The average settlement of the end of E5 tunnel

監測點布置效果的好壞會直接影響到監測結果的好壞，甚至直接影響到整個監測系統的準確性。在沉管隧道施工監測中需要注意以下環節：1）測點的損壞：測點布置應考慮到施工交叉的影響，并做好警示標志及保護措施；2）線纜布置：線纜的布置應注意盡量避免施工的影響，然后考慮布設方便；3）定期維護：施工期隧道內部環境惡劣，更應頻繁進行儀器的檢修和維護，對有問題的儀器進行測試和更換。

3 監測系統運行情況

以具有代表性的監測數據為例，說明監測系統運行情況。E5管節沉降監測數據如圖4所示，沉降監測結果和接頭差異變形監測結果的比較如圖5所示。通過監測結果可以發現，沉管安裝完成初期沉降量較大，沉降隨著管節兩側回填、頂部回填、壓倉混凝土澆筑等施工步驟的推進逐漸發生。對比E5、E6管節沉降監測數據和接頭差異變形數據可以看出，管節整體差異沉降較小，兩套不同的監測方法結果吻合較好，驗證了監測系統穩定可靠。

管節接頭張合量監測結果見圖6及圖7。

圖5 E5、E6差異沉降結果對比Fig.5 The settlement resultscontrast of E5 and E6

從圖6可以看出，在回填完成前，接頭張合量受到潮汐影響。圖7所示，隨著后續施工進行，接頭張合量的變化主要受季節變化影響，冬季溫度降低，混凝土降溫收縮，張合量呈張開趨勢；夏季溫度升高，混凝土升溫膨脹，張合量呈壓縮趨勢。

4 結語

本文介紹了港珠澳大橋沉管隧道施工監測系統的建立，詳細分析了大型沉管隧道施工監測過程中應注意的問題，通過不同監測手段的對比驗證了監測系統的可靠性和準確性。本文所介紹的監測系統可為今后類似施工監測提供借鑒。