影響超長沉管隧道變形監(jiān)測精度的因素及解決對策

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)測時效性要求也越來越強，為了保證施工安全，變形監(jiān)測常常要求隨著施工同步進行。在沉管隧道施工建設期，通過對沉管隧道進行沉降位移監(jiān)測，可實現施工期間沉管的差異沉降、沉降發(fā)展、線形變化等關鍵指標的實時分析、預測及評估，不僅為沉管隧道施工過程的安全狀態(tài)提供技術支撐，為必要的施工措施決策提供基礎數據，同時為與后續(xù)沉管對接、沉管段隧道后續(xù)結構澆筑及施工預抬量的調整提供可靠依據[1-3]。

沉管隧道管內施工周期長，監(jiān)測精度及頻次要求高，管內各工序施工交叉轉換快，環(huán)境復雜多變，監(jiān)測作業(yè)條件空間受限，在利用水準儀和全站儀監(jiān)測管節(jié)沉降位移中發(fā)現，監(jiān)測數據穩(wěn)定性保障比較困難，給現場施工決策帶來較大困擾，有必要對該監(jiān)測方法的數據穩(wěn)定性問題進行系統(tǒng)的分析總結。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)測等方面，介紹了港珠澳大橋沉管隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)的建立及運行，并對差異變形及沉降監(jiān)測數據進行了分析，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。許光明等[5]（2018）對港珠澳大橋沉管隧道施工期管節(jié)沉降位移監(jiān)測方法及數據分析進行介紹，通過對各類變形量的分析，了解沉管變形趨勢。

目前文獻主要介紹沉管隧道沉降位移變形監(jiān)測方法，而對于采用水準儀和全站儀進行沉降位移變形監(jiān)測的數據精度保障研究較少。本文通過對超長沉管隧道施工各階段沉降位移變形監(jiān)測數據整理與分析，總結發(fā)現了變形監(jiān)測誤差規(guī)律及主要影響因素，并依次提出了相應的改進措施。

1 沉管隧道監(jiān)測設計

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

1.1 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測基準點布設隧道洞口穩(wěn)定區(qū)域，定期對高程基準點進行復檢。沉降監(jiān)測點布設在每個管節(jié)首中尾底板上，如圖1所示。沉降監(jiān)測使用電子水準儀（每km往返高差中數的中誤差為0.3 mm），采用國家二等水準測量方法施測[6]。監(jiān)測頻次為：變載期間1次/d；恒載期間1次/周。

圖1 沉降監(jiān)測點位分布圖Fig.1 Location of settlement monitoring points

1.2 位移監(jiān)測

位移監(jiān)測基準點采用GNSS靜態(tài)觀測方法在隧道洞口建立。每個管節(jié)工作基點采用強制對中裝置形式布設在相鄰已安管節(jié)尾端。位移監(jiān)測點布設在每個管節(jié)首中尾側墻上，如圖2所示。位移監(jiān)測使用全站儀（測角0.5″、測距精度為1.0 mm+1×10-6×D，D為測量的距離，單位km），采用國家二等三角測量方法施測[7]。監(jiān)測頻次為：變載期間1次/d；恒載期間1次/周。

圖2 位移監(jiān)測點位分布圖Fig.2 Location of displacement monitoring points

2 隧道監(jiān)測施工環(huán)境影響分析

沉管隧道施工期沉降位移變形監(jiān)測從管節(jié)安裝初始姿態(tài)貫通測量開始，在隧道竣工驗收完成后結束，期間管內沉降位移監(jiān)測要經歷管節(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、附屬設施及路面鋪設等多道施工工序，監(jiān)測過程所處的施工環(huán)境不盡相同，如溫度、氣壓、濕度、風力、光照、大氣折光及煙霧等因素會給監(jiān)測結果造成影響。尤其對于超長沉管隧道，壓載水箱存儲水引起的濕度影響、鋼封門及舾裝件切割產生的濃煙影響、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變化大，由于隧道內空氣流通差，濃煙夾雜著水霧在隧道內彌漫，產生了復雜的折光影響，使得監(jiān)測誤差增大。

總結發(fā)現，采用水準儀和全站儀在上述施工環(huán)境中進行沉降位移變形監(jiān)測，監(jiān)測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行水平位移變形監(jiān)測，監(jiān)測點的位移量在±5 mm范圍內變動，呈現全站儀距離監(jiān)測點越遠，跳動幅度越大，已遠超出儀器的觀測誤差。處于恒載期穩(wěn)定的管節(jié)，在煙霧彌漫條件下進行沉降監(jiān)測，監(jiān)測結果精度不穩(wěn)定，呈現幅度約為±3 mm的無規(guī)律變化。

3 影響監(jiān)測精度關鍵因素及應對研究

3.1 管節(jié)位移監(jiān)測結果變動幅度大問題

管節(jié)沉放對接完成后，在相鄰已安管節(jié)內的導線點上設站及后視，通過中廊道狹窄貫通人孔門監(jiān)測新沉放管節(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，空氣流通性差會直接影響管節(jié)位移監(jiān)測精度。

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致監(jiān)測數據波動幅度較大，監(jiān)測數據可靠與否給現場施工安全管控帶來了很大的壓力。研究應對措施為：

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

2）預防管內施工干擾。監(jiān)測點布設要防止墻體旁折光對測量精度的影響，應將位移監(jiān)測標距離墻體25 cm以上布設，如圖3所示。為防止監(jiān)測標脫落導致監(jiān)測數據的不連續(xù)，混凝土墻體宜采用鉆孔埋設，鋼殼墻體宜采用焊接布設。每個管節(jié)監(jiān)測前先進行監(jiān)測點位穩(wěn)定性與可靠性檢查。

圖3 位移觀測標斷面布置圖Fig.3 Section layout of displacement observation mark

3）選擇適用的監(jiān)測方法。選擇以管節(jié)中心線為坐標系原點，采用基準線法建立與管節(jié)中心線重合的監(jiān)測坐標系，X軸與管節(jié)中心線重合[8]，不僅便于及時發(fā)現監(jiān)測數據異常問題，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)測工作效率。考慮監(jiān)測本身誤差因素的影響，對滿足測回間互差≤2 mm的多個測回結果取平均值作為最終結果，提升監(jiān)測成果的可靠性。

4）加強儀器設備維檢。沉管隧道內濕度大，空氣中的水分子多，全站儀在濕度大的環(huán)境內使用，會對全站儀長距離測距的數值產生影響，測量誤差會增大。平日應加強儀器設備的維檢，發(fā)現數據異常首先進行全站儀軸系檢校。在管節(jié)位移監(jiān)測初始數據采集前，必須對全站儀軸系進行檢查。

3.2 管節(jié)沉降監(jiān)測數據異常回彈問題

在管節(jié)頂部回填與管內壓載水箱拆除施工工序轉換過程中，會根據設計具體指令實施管節(jié)壓載水箱拆除工作，在水箱拆除過程中監(jiān)測管節(jié)經常出現小幅度回彈現象，很多時候超出了設計要求的回彈穩(wěn)定標準。同時監(jiān)測發(fā)現已達到穩(wěn)定狀態(tài)的管節(jié)在雨后易出現小幅度回彈現象。

當管節(jié)達到穩(wěn)定狀態(tài)變形量很小時，甚至與監(jiān)測精度處在同一量級，要從含有誤差的監(jiān)測值中分離出變形信息工作尤為困難。研究應對措施為：

1）建立穩(wěn)定可靠的測量基準。由于人工島體長期處于沉降位移不穩(wěn)定狀態(tài)，在暗埋段結構基礎施工時，可以單獨打設PHC嵌巖布設基準點。另外人工島上一般會專門規(guī)劃設計工程運營永久健康監(jiān)測平臺，可以通過設計服務函形式提前建設，利用該平臺布設基準點。工作基點要布設在基礎穩(wěn)定的結構物上，做到能夠長期保存和利用。當采用金屬標志布設基準點和工作基點時，嚴禁在太陽下暴曬，防止基準點熱脹冷縮本身發(fā)生形變誤差對沉降監(jiān)測精度產生影響。

2）固定監(jiān)測線路。水準環(huán)線要分段進行監(jiān)測，如圖4所示。結合管節(jié)沉降監(jiān)測效率與經驗，每個管節(jié)長度按照180 m計算，宜每5個管節(jié)劃分一個測段，測段與測段連接點應選擇在長周期監(jiān)測沉降穩(wěn)定的管節(jié)。同時每測段及相鄰測段的監(jiān)測要有連續(xù)性，且要保證在同一個時間段內完成，防止監(jiān)測點沉降或環(huán)境變化對監(jiān)測精度影響。在不同周期的重復監(jiān)測中，儀器應架設在同一位置上，以削弱系統(tǒng)誤差的影響。

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

3）穩(wěn)定監(jiān)測時間段。除遇見不可抗拒因素干擾時，不同周期的重復監(jiān)測應控制在相同的監(jiān)測時間段內完成，且監(jiān)測時間不宜過長。監(jiān)測工作開展前先進行隧道內通風，盡量選擇在施工干擾較小的夜間或凌晨外界條件相近時進行監(jiān)測，最大限度地降低外界條件對監(jiān)測數據的影響。

4）加強監(jiān)測數據可靠性檢核。沉管隧道沉降變形監(jiān)測工作的精度保障要結合外界條件影響，在數據處理之前要進行監(jiān)測數據篩選，以保證結果的正確性。當管節(jié)水箱拆除和下雨天監(jiān)測管節(jié)出現回彈現象時，一方面進行監(jiān)測內業(yè)數據復核檢查和增加外業(yè)監(jiān)測頻次的復測，排除測量粗差影響，另一方面可以通過跟蹤監(jiān)測現場海水密度變化，作為評估監(jiān)測數據可靠性的輔助手段。

4 結語

針對超長沉管隧道沉降位移監(jiān)測復雜施工環(huán)境影響，本文結合沉管隧道施工特點，通過優(yōu)化監(jiān)測線路、管內通風降塵、合理選取監(jiān)測時段等應對措施，有效地降低特殊施工環(huán)境下沉降位移監(jiān)測的誤差影響，沉降監(jiān)測誤差控制在1 mm之內，位移監(jiān)測誤差控制在2 mm之內，穩(wěn)定了沉管隧道施工期間的沉降和位移監(jiān)測精度，表明相關措施有效可靠。