沉管兩側鎖定回填對沉降的影響分析

馬宗豪

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

0 引言

港珠澳大橋是世界上最長的跨海大橋工程，其中，沉管隧道在整個工程中起著至關重要的作用，施工質量需要嚴格把控，一旦出現結構嚴重變形或者結構沉降變形量過大，將直接影響整個工程的成敗。沉管隧道變形監測是港珠澳大橋沉管隧道施工期和運營期的一項長期的監測工作，而隧道結構沉降監測又是其必不可少的主要監測項目。

沉管隧道沉降監測的研究[1-2]，是沉管隧道研究的一項重要組成部分。通過對管節的沉降分析可以更好地了解沉管建設期的沉降特征和變化規律，為后期隧道運營提供安全保證依據。

1 監測目的

隧道監測表明，沉管安裝后受基礎上部荷載影響，管節存在明顯的沉降。其中，鎖定回填也是沉管施加荷載的一部分。

通過對已安裝的沉管在鎖定回填[3]施工時的沉降監測，分析研究鎖定回填對沉管沉降的影響，為控制沉管總體沉降提供數據支持。

2 管節沉降監測

2.1 監測方法

沉降監測采用高程水準測量方法。高程測量采用往返測的方式，要滿足國家二等水準測量精度要求，測量閉合線路如圖1所示。

圖1 沉降監測閉合線路示意圖Fig.1 Schematic diagram of closed circuit for settlement monitoring

往返測高差不符值、環閉合差和監測高差之差的限差應不超過表1的規定。

表1 限差要求Table 1 Restriction requirements

2.2 測點的布置

按照點位觀測方便、各點之間通視條件良好和各個觀測點穩定可靠的控制點布設原則，沉降觀測點位于沉管管節中管廊的側墻上，每個節段布置4個測點。其中一個管節的測點布設見圖2。

圖2 管節沉降觀測點布置示意圖Fig.2 Layout of settlement observation point of pipe joint

2.3 監測儀器及測試精度

測量儀器需通過國家法定計量單位檢定合格，平差計算軟件符合相關規定。相關規定可參照GB/T 12897—2006《國家一、二等水準測量規范》[4]，在外業觀測前需對使用的儀器進行檢校。

沉降監測儀器選用電子水準儀（Leica DNA03），測量精度±0.3×10-6D（±0.3ppm），配套銦鋼尺及尺墊，自備竹竿。標尺的條碼作為參考信號存在儀器內，線譯碼器捕獲儀器視線場內的標尺影像作為測量信號，然后與儀器的參考信號進行比較。

2.4 監測頻率及周期

根據鎖定回填對沉管沉降影響計算要求，監測周期需在回填施工開始至回填施工完成后3 d內完成。沉管沉降的觀測頻率為施工期和回填施工完成后3 d內各完成1次沉降監測，每次觀測1 d、3 d后按照沉管監測正常頻率（1次/周）執行。

2.5 測量具體要求

1）水準網的觀測必須按照國家二等水準進行實施，采用單路線往返測量，每次觀測必須形成閉合檢驗條件。

2）對于往返測高差不符合值、環閉合差和檢測高差較差的限差，應參照國家測量規范的限差要求進行控制。

3）電子水準儀器[5]及配套設施應在有效合格檢定期內，水準儀和水準尺在使用前及使用過程中要經常規檢查合格，水準儀視準軸與水準管軸之間的夾角均不應超過15″。儀器各種設置正確，其中有限差要求的項目按照規范要求在儀器中進行設置，并在數據采集時自動控制，不滿足要求的在現場進行提示并進行重測。

4）外業測量一條路線的往返測使用同一類儀器和轉點尺墊，沿同一路線進行。觀測結果的重測和取舍按照國家二等水準規范的有關規定執行。

5）觀測時，視距長度≤50 m，前后視距差≤1.5 m，前后視距累積差≤6.0 m，視線高度≥0.5 m；測站限差：2次讀數差≤0.4 mm，2次所測高差之差≤0.6 mm，檢測間歇點高差之差≤1.0 mm；觀測讀數和記錄讀數的數字取位：使用數字水準儀讀記至0.01 mm。

6） 觀測時，一般按照“后-前-前-后”的順序進行，對于有變換奇偶站功能的電子水準儀可按以下順序進行：①往測：奇數站為“后-前-前-后”，偶數站為“前-后-后-前”；②返測：奇數站為“前-后-后-前”，偶數站為“后-前-前-后”。

7）每一測站段均為偶數測站，扶尺時借助尺撐，使標尺上的氣泡居中，標尺垂直。

8）觀測前30 min，將儀器置于露天陰涼處，使儀器與外界溫度趨于一致；對于數字水準儀，進行不少于20次單次測量，達到儀器預熱的目的。測量中避免望遠鏡直接對著太陽；避免視線被遮擋，遮擋不超過標尺在望遠鏡中截長的20%。

9）自動安平水準儀的圓水準器應嚴格置平。在連續各測站上安置水準儀時，中兩腳螺旋與水準路線方向平行，第三腳螺旋輪置于路線方向的左側或右側。除路線拐角處外，每一測站上儀器與前后標尺的3個位置，一般為近似一條直線。

10）觀測過程中為保證水準尺的穩定性，選用2.5 kg以上的尺墊，水準觀測路線必須路面硬實，觀測過程中尺墊踩實以避免尺墊下沉。

11）觀測過程中避免儀器安置在容易振動的地方，如果有臨時振動，確認振動源造成的振動消失后，再激發測量鍵。水準尺均要借助尺撐整平扶直，確保水準尺垂直。

12）當相鄰觀測周期的沉降量超過限差或出現反彈時，應重測并分析工作基點的穩定性，必要時聯測基點進行檢測。

13）數據處理時，閉合差、中誤差等均滿足要求后進行平差計算，水準路線要進行嚴密平差，選用經鑒定合格的軟件進行。

2.6 監測步驟

1）在沉管鎖定回填前，利用水準儀對沉管沉降觀測點高程進行復核，作為后期沉降觀測的初始值。

2）點鎖回填完成后，利用多波束測量船進行掃測，確認點鎖回填的準確位置，并得到點鎖回填的碎石堆形狀，同時管內利用水準儀對沉管沉降觀測點的高程進行測量。

3）鎖定回填采用國內自主研發的供料回填一體船將碎石準確拋填至預定位置。施工完成后利用多波束對回填位置進行二次確認，并得到鎖定回填的碎石堆形狀。

4）鎖定回填全部施工完成后，利用水準儀及時對沉管沉降觀測點高程進行測量。

觀測過程中要特別注意：沉降觀測所有水準觀測路線均要形成閉合和符合水準路線，不得采用水準支線或中視法，沉降觀測水準路線經過的控制點或基準點數量不應少于2個，當發現沉降監測數據出現異常時必須首先自檢。

3 沉降監測數據分析

3.1 沉降成因分析

由于沉管沉降數據量較大，因此以下數據分析，選擇監測結果比較有代表性的管節進行分析。

以E28管節監測數據為例，E28管節安裝當天，進行E28管節沉降測量及點鎖回填，約半月后進行E28鎖定回填，施工時間如表2所示。分別在點鎖回填后及鎖定回填后進行一次多波束掃測，以便及時了解回填料形狀（如圖3和圖4所示），分析沉管側壁負摩阻力對管節沉降的影響。

表2 E28管節鎖定回填施工時間表Table 2 Construction schedule of E28 pipe section locking backfill

圖3 E28管節點鎖回填多波束掃測結果Fig.3 Multi beam scanning results of E28 pipe node lock backfill

由多波束數據成像結果顯示，E28管節點鎖回填位置在管節中部，回填高度未超過管節上部倒角位置，7月15日E28管節沉降監測結果如圖5所示。

圖4 E28管節鎖定一般回填多波束掃測結果Fig.4 E28 tube section locking general backfill multi beam scanning results

圖5 7月15日E28管節沉降監測結果Fig.5 Monitoring results of E28 pipe joint settlement in July 15th

分析該階段管節增加的荷載主要來源于點鎖回填碎石料對管節側壁的負摩阻力，這是造成管節出現沉降的主要原因。

3.2 管節負摩阻力分析

多波束數據顯示，管節在鎖定回填完成后，主要受力可以分為兩部分：一部分是石料對管節的負摩阻力，另一部分是石料對管節的豎向壓力，如圖6所示。

負摩阻力由土壓力、碎石與管節側壁的摩擦系數進行確定，由靜止土壓力公式可知：

圖6 沉管隧道鎖定回填受力情況示意圖Fig.6 Schematic diagram of loading force of locked tunnel backfill in immersed tunnel

式中：ψ為土體有效內摩擦角，碎石取40°；E0為均質土靜止土壓力強度；γ為墻后土體重度；h1為回填料高度；h2為墻高；k0為靜止土壓力系數。取碎石浮重度11 kN/m3，沉管側壁土壓力由計算可知：E0=231.4 kN/m。

根據管節模型與碎石基床的摩擦系數試驗[6]可知：二者之間的摩擦系數約為0.4，根據摩擦力計算公式可知沉管隧道側壁共承受摩擦力為：

管節寬度為37.95 m，則：

沉管隧道底面由負摩阻影響產生的豎向荷載P1約為 4.88 kPa。

管節頂部倒角位置所受的豎向重力為：單位長度斜面上碎石壓力G=72.1 kN，經倒角傳遞后，部分轉化為豎向應力傳至管節底面，因此石料在管節頂部倒角位置對管節的豎向壓力為P2=3.80 kPa。

根據沉降監測數據分析結果（見圖7）可知，7月13—22日E28沉管平均沉降8.4 mm。

負摩阻力引起的沉管底部應力增加以及石料在管節頂部倒角引起的應力增加，應力總和為：P1+P2=8.68 kPa。

圖7 E28管節沉降時間曲線Fig.7 Settlement with time curve of E28 tube section

由碎石墊層物理模型試驗計算得到碎石墊層應產生沉降4.7 mm。

4 結語

通過對港珠澳大橋沉管鎖定回填階段的沉降監測數據分析，可知沉管鎖定回填對管節沉降有一定影響，主要是由回填石料對沉管側壁的負摩阻力引起的。現場監測數據顯示該階段管節平均沉降為毫米級，對管節總體沉降貢獻不大。

參考文獻：

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[6]尚乾坤，王殿文.鋼筋混凝土沉管管節與基床摩擦阻力的試驗研究[J].中國港灣建設，2015，35（7）：46-48.SHANG Qian-kun,WANG Dian-wen.Friction research between immersed reinforced concrete tube elements and foundation bed[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):46-48.