大型跨海沉管隧道施工監測新技術

胥新偉 ，張乃受 ，劉思國

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.天津市水下隧道建設與運維技術企業重點實驗室，天津 300461；3.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

伴隨港珠澳大橋項目竣工，我國沉管隧道施工技術躋身世界前列，成為少數具有自行建設跨海大型沉管隧道的國家之一，同時也迎來了跨海沉管隧道的快速發展期，目前已經開工的深中通道、大連灣海底隧道均采用了該方式。伴隨國家海洋經濟的發展，將會涌現新的跨海通道，會面臨更大水深、更大長度、建設環境更惡劣、建造標準更苛刻的項目[1]。

沉管隧道與傳統水運工程相比，施工環境復雜，自然環境相對惡劣，施工風險高，安全責任大，因此沉管隧道施工過程中的監測技術尤為重要。同時我國大型跨海沉管隧道的建設能力雖然依托港珠澳大橋工程取得了極大的提升，但是仍然缺少足夠的工程經驗與現場實測數據，需要獲取大量實測數據來豐富、驗證設計理論[1-2]。

沉管隧道以預制安裝為主，施工效率高，施工階段沉管荷載變化快。沉管安裝過程中在幾個小時內從漂浮狀態轉換為承受幾十米水壓的承壓狀態，對端封門的可靠性要求高，同時沉管鎖定回填、一般回填、管頂覆蓋回填，隧道內壓載水箱排空、拆除，隧道內壓艙混凝土施工等過程施工效率高，沉管所承受的荷載變化大、變化快，因此要求施工監測要數據準確、反饋快速，能夠及時發現風險[2]。

1 沉管隧道施工監測系統特點

沉管隧道施工監測的特點主要體現為自動化監測程度高、監測區域覆蓋廣、監測環境惡劣、監測項目多及監測技術要求高等方面[3-4]。

1）監測精度高、穩定性要求高

沉管結構允許位移與變形值小，管節間相對位移或變形測量精度要求達到0.1 mm。沉管水下對接期間為超低頻振動，振動周期在100 s 以上，要求振動測試系統要有極好的低頻響應性能。

大型跨海沉管隧道管節數量多，施工周期一般為2～3 a，且過程中要受到惡劣作業環境及各施工作業的干擾。隧道除施工荷載不斷變化外，還受到潮汐、水位等變化影響，傳感器采樣頻率高。因此監測系統在高頻率、長周期的條件下要保證系統的穩定性。

2）數據量大、時效性強

沉管隧道在施工過程中周邊環境變化快、荷載變化快，為及時發現潛在風險，諸多監測項目要做到實時監測實時反饋。

3）監測環境惡劣

沉管隧道施工環境惡劣，不同監測項目需要滿足不同的環境使用需求，涉及水下環境、潮濕高鹽環境，且作業空間狹小，施工干擾大。

2 施工監測新技術

2.1 超低頻振動沉管姿態監測技術

1）測試原理

沉管沉放對接過程中，隨著沉放深度的增加，在絞移、沉放操作以及水流的影響下會發生管節的超低頻振動。這種狀態的出現對于管節的對接是十分不利的，因此需要進行管節姿態監測，確認管節所處狀態。

沉管簡化為擺，其固有頻率和吊索等效長度、沉管的重力、浮力相關，其周期為：

式中：T 為沉管振動周期，s；l 為吊索等效長度，m；g′為沉管等效重力加速度，m/s2。管節振動模型原理如圖1 所示。

圖1 沉管超低頻振動理論模型Fig.1 Theoretical model of immersed tube's ultra-low frequency vibration

以港珠澳大橋沉管隧道為例，沉管在40 m 水深時，吊索等效長度l=42 m，吊索拉力8 000 kN，沉管總質量8 萬t，等效重力加速度g′=1/100g，則振動周期為130 s，在外界環境及錨纜限制等因素影響下，振動周期會有略微變化。

目前低頻特性好的傳感器鳳毛麟角，特別是在0.1 Hz 以下幾乎無從選擇。同時監測所配備的電纜、解調儀的噪聲、帶寬等均需要滿足要求。為此經過層層比選，最終選定航天系統使用的超低頻效果良好的伺服式加速度傳感器及32 位高精度微振采集儀。

2）測點布置

沉管姿態監測系統由3 套獨立的監測系統組成，3 套獨立測量系統之間通過光纖連接，并通過采集設備實現各系統的同步采集。其中沉管首、尾兩端各布置一套姿態監測系統，首端布置1 套冗余姿態監測系統作為備用。每套監測系統由3只加速度傳感器、1 只傾角傳感器、1 只角速度傳感器及對應電源與放大器組成。測點布置見圖2[5-6]。

圖2 姿態監測系統傳感器及測點布置Fig.2 Layout of sensor and measuring points of attitude monitoring system

3）測試成果

沉管沉放期間屬于超低頻振動，系統采集頻率控制為4 Hz。

數據處理流程為：

①獲取不同下放階段的管節振動信號。

②截取振動時間256 s 以上的數據進行頻譜分析，獲得振動期間的振動主頻、峰值加速度平均值以及角度平均值。

③通過角度平均值對峰值加速度平均值進行修正。

④利用三角函數公式分別計算得到不同方向上的最大振幅。

通過對采集到的信號進行處理后，得到沉管的振幅及傾角變化。

在沉管內部不能直接測量沉管的絕對位移，加速度、速度和位移的關系如下：

式中：s 為沉管絕對位移，m；V0為振動初始速度，m/s；t 為沉管振動時間，s；a 為振動加速度，m/s2。

可以通過速度對時間的一次積分或加速度對時間的二次積分得到位移：

如將沉管的振動簡化為簡諧振動，則沉管的位移計算公式可簡化為：

式中：f 為沉管振動頻率，Hz。

沉管超低頻振動過程中，俯仰和橫滾角度可直接測量，水平扭擺角度只能通過角速度對時間的一次積分獲得。

圖3 為測試信號的頻譜分析圖。

圖3 監測數據頻譜圖Fig.3 Spectrum of monitoring data

2.2 沉管起浮姿態監測技術

港珠澳大橋沉管采用工廠法預制，沉管在淺塢進行起浮時，由于沉管內壓載水箱水位不平衡以及管內舾裝件重量分布不均衡等原因，易造成沉管起浮不同步，產生沉管支座損壞的情況，因此需要在起浮過程中對管節的起浮姿態進行控制，做到平穩起浮。沉管起浮需要對沉管不同位置處的高程差、水箱內水位以及沉管底部支座反力變化進行監測，綜合判斷沉管起浮前的狀態，做出適當調整，保證起浮瞬間的平穩狀態[7]。

1）水箱水位監測

由于沉管內壓載水系統排水口與各水箱距離不同，起浮排水過程中各水箱排水速率不同，導致沉管各部位重力不同，因此在排水過程中要時刻關注水箱內水位變化，通過水箱排水閥調節排水速率一致。排水過程中監測各水箱水位，及時修正調整。水位傳感器種類很多，不論選取哪類傳感器，需要將水位監測系統與其他監測數據一起建立成套的監測平臺，便于綜合判斷與控制。壓載水箱布置示意圖見圖4。

圖4 壓載水箱布置示意圖Fig.4 Layout of ballast water tank

2）管節支座處反力監測

管節支座反力監測是反映沉管起浮狀態最直接的指標，管節支座反力隨著排水量的增加而逐漸降低，當支座反力出現明顯差異時，會導致起浮不平穩，因此通過監測支座反力的變化可以判斷管節的狀態。

管節支座反力監測需采用測試精度較高的應變傳感器固定在不同支座位置處或直接采用反力傳感器對支座反力進行測試。但無論采用哪種傳感器，均需滿足水密性要求。

3）管節不同部位高程差監測

管節不同部位的高程差監測不能直接反映沉管起浮前的受力狀態，但是可以反映起浮過程中管節的姿態變化情況，通過對比管節起浮姿態與起浮前水箱水位、支座反力情況，不斷總結沉管起浮規律，積累控制經驗。

2.3 隧道沉降實時監測技術

沉管管節在沉放對接完成后需要經過回填、拆除壓載水系統、壓艙混凝土施工等多個工序，每個施工工序荷載變化快，對管節沉降及差異沉降有較大影響。同時隧道內施工作業環境狹小、復雜，采用傳統沉降測量方式較難及時反饋沉管沉降變形信息，無法及時對施工起到指導作用，因此需要采用自動化監測技術[8]。

靜力水準儀作為沉管隧道沉降自動化監測有著很強的優勢，可及時反映沉管線形變化。除了測量管節沉降外，對于管節間差異沉降也是比較好的測量方法。靜力水準沉降測量沉降較為常規，但為解決沉管隧道縱坡相對較大，儀器量程無法滿足隧道全長需求以及解決管節間差異沉降的需求，需要對靜力水準儀的平面布置進行特別設計，在較大縱坡位置設置多段采集系統，在管節接頭兩側均布置沉降測點，且測量線路之間要閉合，同時靜力水準儀間要做到多通道連接，保障液體的快速流通[9-10]。沉管隧道靜力水準儀布置示意圖見圖5。

圖5 沉降測點布置示意圖Fig.5 Layout of settlement monitoring points

2.4 端封門變形及應力評價分析

端封門施工質量是關系到沉管安全的重大風險源，端封門的失效會導致不可估計的嚴重后果，因此確保端封門的施工質量是所有大型沉管隧道施工中事關安全的關鍵環節。港珠澳大橋沉管端封門采用鋼結構面板及支撐鋼梁，且為重復使用，通過端封門的應力、位移、變形監測，積累端封門變形及受力規律，及時發現端封門的質量問題，消除隱患。

1）端封門監測測點布置

端封門監測可以反映結構隨水壓變化而產生的位移、應力變化。同時也可以間接反映工程質量，可以較早發現工程中的質量問題。

端封門測點應以支座處位移監測為主，輔以主要受力構件的應變變化監測；端封門位移測點以受荷最大的主梁為主要監測對象，盡可能覆蓋所有端封門主要受力構件。同時輔以端封門底部面板最大變形點的測量及個別主梁最大撓度位置處的位移；端封門應力測點應以受力主梁在最大水壓作用下的最大應力處為布置點[10]。港珠澳大橋端封門測點布置見圖6。

圖6 港珠澳大橋沉管端封門監測測點布置Fig.6 Layout of bulkhead monitoring points of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tube

2）端封門監測階段選擇

端封門應力變形監測應在端封門安裝完成后及時采集初始值，在進行沉管灌水起浮過程中即開始進行實時監測，沉管漂浮寄存期間可根據寄存條件定期進行數據采集及采集系統維護，在進行沉管安裝前，會在二次舾裝區進行模擬沉放試驗，此時是監測的關鍵階段，要獲取端封門隨水深變化而產生的位移及應力，特別是端封門受力主梁的殘余變形，直接反映端封門主梁的安裝質量，當發現殘余變形較大的位置時，應及時進行檢查。

沉管浮運及沉放過程中需要對端封門的應力及變形進行實時監測，端封門應力及變形會隨著沉管沉放深度的增加呈線性變化，當監測數據發生異常時，應及時結合現場視頻監控進行檢查，必要時暫停沉管下放，檢查確認無風險后方可繼續安裝施工。

3）數據處理及分析

端封門的變形及應力是具有較強規律性的監測項目，其變形及應力值應較接近理論計算結果，每個沉管沉放后應及時對端封門在施工各個階段的變形應力情況進行統計分析，通過多個管節沉放時的監測數據，可以獲得端封門位移變形的經驗值及變化規律，實現對下一個沉管端封門變形及應力的預測。當監測過程中發現實測數據與預測值發生較大偏離時，應及時進行檢查，一方面檢查監測數據的可靠性，確認監測數據未受到其他因素的影響；另一方面檢查端封門各連接部位的可靠性，檢查是否出現了螺栓松動等情況。港珠澳大橋沉管隧道E2～E22 管節端封門應力及變形統計見圖7。圖中出現個別沉管端封門支座位置處位移較大的情況，均在現場檢查中發現了螺栓松動的現象。

2.5 數據處理及分析平臺建設

港珠澳大橋沉管隧道除第3 節的監測項目外，還進行了沉管管節接頭差異位移，管節接頭與節段接頭張合量，管節底部灌漿，Ω 止水帶滲漏水等多項監測內容[2]。大型跨海沉管隧道施工監測覆蓋區域廣、監測項目多、傳感器數量多、監測頻次高、數據量大，因此采用數字化的監測平臺是十分必要的。由于對監測的時效性要求不同，在具備遠程監測平臺的同時，還需要具備獨立的實時監測系統，如沉管姿態監測系統、沉管起浮監測系統等。

港珠澳大橋沉管隧道施工監測項目是在施工過程中不斷進行補充完善，但最終并未建成完善的監測平臺，僅針對需要實時提供監測數據的項目建立了相應的數據處理系統，及時反饋監測數據。港珠澳大橋監測數據除實時監測外，定時監測的監測頻次也較高，各項目監測頻次在1～6 h測量1 次之間，數據量較大。每個監測項目若采用人工數據處理，工作量很大，因此，在建立監測系統的同時要具備自動化的數據處理能力。

3 結語

港珠澳大橋沉管隧道施工監測隨著沉管施工的進展及建設需求不斷完善，最終形成了覆蓋沉管預制全過程的監測體系[11]，為沉管施工過程解決了兩方面問題，一方面為重大安全風險的監控者，作為施工單位的“眼睛”，時刻關注施工過程中可能發生的各種異常與風險；另一方面部分監測項目的實施解決了施工過程中遇到的困難與問題，協助進行施工質量控制。

施工監測是大型跨海沉管隧道建設過程中重要的組成部分，它和水文氣象觀測與預報一起共同組成了沉管隧道施工的保障系統，確保在千變萬化的外海自然環境下隧道建設的安全與順利進展。在今后的大型跨海沉管隧道施工過程中，由于外界環境的不同以及隧道工藝的差異，還會對監測系統提出新的技術要求，因此對于沉管隧道施工監測，尚不能形成標準的監測系統，還要根據工程實際情況不斷進行完善與優化。