沉管兩側(cè)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(gè)工程中起著至關(guān)重要的作用，施工質(zhì)量需要嚴(yán)格把控，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形或者結(jié)構(gòu)沉降變形量過大，將直接影響整個(gè)工程的成敗。沉管隧道變形監(jiān)測是港珠澳大橋沉管隧道施工期和運(yùn)營期的一項(xiàng)長期的監(jiān)測工作，而隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測又是其必不可少的主要監(jiān)測項(xiàng)目。

沉管隧道沉降監(jiān)測的研究[1-2]，是沉管隧道研究的一項(xiàng)重要組成部分。通過對管節(jié)的沉降分析可以更好地了解沉管建設(shè)期的沉降特征和變化規(guī)律，為后期隧道運(yùn)營提供安全保證依據(jù)。

1 監(jiān)測目的

隧道監(jiān)測表明，沉管安裝后受基礎(chǔ)上部荷載影響，管節(jié)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(shí)的沉降監(jiān)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(shù)據(jù)支持。

2 管節(jié)沉降監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法

沉降監(jiān)測采用高程水準(zhǔn)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(zhǔn)測量精度要求，測量閉合線路如圖1所示。

圖1 沉降監(jiān)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(huán)閉合差和監(jiān)測高差之差的限差應(yīng)不超過表1的規(guī)定。

表1 限差要求Table 1 Restriction requirements

2.2 測點(diǎn)的布置

按照點(diǎn)位觀測方便、各點(diǎn)之間通視條件良好和各個(gè)觀測點(diǎn)穩(wěn)定可靠的控制點(diǎn)布設(shè)原則，沉降觀測點(diǎn)位于沉管管節(jié)中管廊的側(cè)墻上，每個(gè)節(jié)段布置4個(gè)測點(diǎn)。其中一個(gè)管節(jié)的測點(diǎn)布設(shè)見圖2。

圖2 管節(jié)沉降觀測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Layout of settlement observation point of pipe joint

2.3 監(jiān)測儀器及測試精度

測量儀器需通過國家法定計(jì)量單位檢定合格，平差計(jì)算軟件符合相關(guān)規(guī)定。相關(guān)規(guī)定可參照GB/T 12897—2006《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》[4]，在外業(yè)觀測前需對使用的儀器進(jìn)行檢校。

沉降監(jiān)測儀器選用電子水準(zhǔn)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(biāo)尺的條碼作為參考信號存在儀器內(nèi)，線譯碼器捕獲儀器視線場內(nèi)的標(biāo)尺影像作為測量信號，然后與儀器的參考信號進(jìn)行比較。

2.4 監(jiān)測頻率及周期

根據(jù)鎖定回填對沉管沉降影響計(jì)算要求，監(jiān)測周期需在回填施工開始至回填施工完成后3 d內(nèi)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(nèi)各完成1次沉降監(jiān)測，每次觀測1 d、3 d后按照沉管監(jiān)測正常頻率（1次/周）執(zhí)行。

2.5 測量具體要求

1）水準(zhǔn)網(wǎng)的觀測必須按照國家二等水準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)施，采用單路線往返測量，每次觀測必須形成閉合檢驗(yàn)條件。

2）對于往返測高差不符合值、環(huán)閉合差和檢測高差較差的限差，應(yīng)參照國家測量規(guī)范的限差要求進(jìn)行控制。

3）電子水準(zhǔn)儀器[5]及配套設(shè)施應(yīng)在有效合格檢定期內(nèi)，水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺在使用前及使用過程中要經(jīng)常規(guī)檢查合格，水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)管軸之間的夾角均不應(yīng)超過15″。儀器各種設(shè)置正確，其中有限差要求的項(xiàng)目按照規(guī)范要求在儀器中進(jìn)行設(shè)置，并在數(shù)據(jù)采集時(shí)自動(dòng)控制，不滿足要求的在現(xiàn)場進(jìn)行提示并進(jìn)行重測。

4）外業(yè)測量一條路線的往返測使用同一類儀器和轉(zhuǎn)點(diǎn)尺墊，沿同一路線進(jìn)行。觀測結(jié)果的重測和取舍按照國家二等水準(zhǔn)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

5）觀測時(shí)，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(shù)差≤0.4 mm，2次所測高差之差≤0.6 mm，檢測間歇點(diǎn)高差之差≤1.0 mm；觀測讀數(shù)和記錄讀數(shù)的數(shù)字取位：使用數(shù)字水準(zhǔn)儀讀記至0.01 mm。

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

7）每一測站段均為偶數(shù)測站，扶尺時(shí)借助尺撐，使標(biāo)尺上的氣泡居中，標(biāo)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(shù)字水準(zhǔn)儀，進(jìn)行不少于20次單次測量，達(dá)到儀器預(yù)熱的目的。測量中避免望遠(yuǎn)鏡直接對著太陽；避免視線被遮擋，遮擋不超過標(biāo)尺在望遠(yuǎn)鏡中截長的20%。

9）自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的圓水準(zhǔn)器應(yīng)嚴(yán)格置平。在連續(xù)各測站上安置水準(zhǔn)儀時(shí)，中兩腳螺旋與水準(zhǔn)路線方向平行，第三腳螺旋輪置于路線方向的左側(cè)或右側(cè)。除路線拐角處外，每一測站上儀器與前后標(biāo)尺的3個(gè)位置，一般為近似一條直線。

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

11）觀測過程中避免儀器安置在容易振動(dòng)的地方，如果有臨時(shí)振動(dòng)，確認(rèn)振動(dòng)源造成的振動(dòng)消失后，再激發(fā)測量鍵。水準(zhǔn)尺均要借助尺撐整平扶直，確保水準(zhǔn)尺垂直。

12）當(dāng)相鄰觀測周期的沉降量超過限差或出現(xiàn)反彈時(shí)，應(yīng)重測并分析工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，必要時(shí)聯(lián)測基點(diǎn)進(jìn)行檢測。

13）數(shù)據(jù)處理時(shí)，閉合差、中誤差等均滿足要求后進(jìn)行平差計(jì)算，水準(zhǔn)路線要進(jìn)行嚴(yán)密平差，選用經(jīng)鑒定合格的軟件進(jìn)行。

2.6 監(jiān)測步驟

1）在沉管鎖定回填前，利用水準(zhǔn)儀對沉管沉降觀測點(diǎn)高程進(jìn)行復(fù)核，作為后期沉降觀測的初始值。

2）點(diǎn)鎖回填完成后，利用多波束測量船進(jìn)行掃測，確認(rèn)點(diǎn)鎖回填的準(zhǔn)確位置，并得到點(diǎn)鎖回填的碎石堆形狀，同時(shí)管內(nèi)利用水準(zhǔn)儀對沉管沉降觀測點(diǎn)的高程進(jìn)行測量。

3）鎖定回填采用國內(nèi)自主研發(fā)的供料回填一體船將碎石準(zhǔn)確拋填至預(yù)定位置。施工完成后利用多波束對回填位置進(jìn)行二次確認(rèn)，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(zhǔn)儀及時(shí)對沉管沉降觀測點(diǎn)高程進(jìn)行測量。

觀測過程中要特別注意：沉降觀測所有水準(zhǔn)觀測路線均要形成閉合和符合水準(zhǔn)路線，不得采用水準(zhǔn)支線或中視法，沉降觀測水準(zhǔn)路線經(jīng)過的控制點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于2個(gè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)必須首先自檢。

3 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 沉降成因分析

由于沉管沉降數(shù)據(jù)量較大，因此以下數(shù)據(jù)分析，選擇監(jiān)測結(jié)果比較有代表性的管節(jié)進(jìn)行分析。

以E28管節(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，E28管節(jié)安裝當(dāng)天，進(jìn)行E28管節(jié)沉降測量及點(diǎn)鎖回填，約半月后進(jìn)行E28鎖定回填，施工時(shí)間如表2所示。分別在點(diǎn)鎖回填后及鎖定回填后進(jìn)行一次多波束掃測，以便及時(shí)了解回填料形狀（如圖3和圖4所示），分析沉管側(cè)壁負(fù)摩阻力對管節(jié)沉降的影響。

表2 E28管節(jié)鎖定回填施工時(shí)間表Table 2 Construction schedule of E28 pipe section locking backfill

圖3 E28管節(jié)點(diǎn)鎖回填多波束掃測結(jié)果Fig.3 Multi beam scanning results of E28 pipe node lock backfill

由多波束數(shù)據(jù)成像結(jié)果顯示，E28管節(jié)點(diǎn)鎖回填位置在管節(jié)中部，回填高度未超過管節(jié)上部倒角位置，7月15日E28管節(jié)沉降監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

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

圖5 7月15日E28管節(jié)沉降監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of E28 pipe joint settlement in July 15th

分析該階段管節(jié)增加的荷載主要來源于點(diǎn)鎖回填碎石料對管節(jié)側(cè)壁的負(fù)摩阻力，這是造成管節(jié)出現(xiàn)沉降的主要原因。

3.2 管節(jié)負(fù)摩阻力分析

多波束數(shù)據(jù)顯示，管節(jié)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(jié)的負(fù)摩阻力，另一部分是石料對管節(jié)的豎向壓力，如圖6所示。

負(fù)摩阻力由土壓力、碎石與管節(jié)側(cè)壁的摩擦系數(shù)進(jìn)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(nèi)摩擦角，碎石取40°；E0為均質(zhì)土靜止土壓力強(qiáng)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(shù)。取碎石浮重度11 kN/m3，沉管側(cè)壁土壓力由計(jì)算可知：E0=231.4 kN/m。

根據(jù)管節(jié)模型與碎石基床的摩擦系數(shù)試驗(yàn)[6]可知：二者之間的摩擦系數(shù)約為0.4，根據(jù)摩擦力計(jì)算公式可知沉管隧道側(cè)壁共承受摩擦力為：

管節(jié)寬度為37.95 m，則：

沉管隧道底面由負(fù)摩阻影響產(chǎn)生的豎向荷載P1約為 4.88 kPa。

管節(jié)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(jīng)倒角傳遞后，部分轉(zhuǎn)化為豎向應(yīng)力傳至管節(jié)底面，因此石料在管節(jié)頂部倒角位置對管節(jié)的豎向壓力為P2=3.80 kPa。

根據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果（見圖7）可知，7月13—22日E28沉管平均沉降8.4 mm。

負(fù)摩阻力引起的沉管底部應(yīng)力增加以及石料在管節(jié)頂部倒角引起的應(yīng)力增加，應(yīng)力總和為：P1+P2=8.68 kPa。

圖7 E28管節(jié)沉降時(shí)間曲線Fig.7 Settlement with time curve of E28 tube section

由碎石墊層物理模型試驗(yàn)計(jì)算得到碎石墊層應(yīng)產(chǎn)生沉降4.7 mm。

4 結(jié)語

通過對港珠澳大橋沉管鎖定回填階段的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可知沉管鎖定回填對管節(jié)沉降有一定影響，主要是由回填石料對沉管側(cè)壁的負(fù)摩阻力引起的?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該階段管節(jié)平均沉降為毫米級，對管節(jié)總體沉降貢獻(xiàn)不大。

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