長大沉管隧道線形控制研究

張秀振

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海、澳門的大型跨海通道，是國家高速公路網規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。

沉管隧道線形控制是保證管節(jié)精確對接、隧道順利貫通的關鍵，本文結合港珠澳大橋沉管隧道工程，對長大沉管隧道線形控制的影響因素、方法以及措施進行了研究。

1 沉管隧道線形因素分析

通過對港珠澳大橋沉管隧道施工全過程的分析，影響沉管隧道線形的因素主要有管節(jié)預制長度、端鋼殼水平偏角及平整度、管節(jié)空間姿態(tài)、相鄰管節(jié)間平面對接施工誤差、管節(jié)接頭間GINA止水帶的不均勻壓縮、已安管節(jié)軸線與設計軸線的平面偏角、貫通測量等。上述影響因素涉及設計、沉管站預制、沉管安裝、線形測量等過程。

1.1 沉管預制

港珠澳大橋海底隧道采用沉管方案，隧道全長6 704 m，隧道兩端位于海中人工島上，其中沉管段總長5 664 m，共33個管節(jié)，直線段28個管節(jié)，曲線段5個管節(jié)，半徑5 500 m，標準管節(jié)長180 m，由8個22.5 m的節(jié)段組成，采用工廠法流水線式預制[1]。沉管的安裝采用雙向沉放對接方案[1]，管節(jié)先自西至東然后自東向西安裝，最終接頭位于E29與E30之間。港珠澳大橋沉管隧道工程平面布置如圖1所示。

沉管管節(jié)采用工廠法預制，規(guī)模龐大，技術難度大，且控制精度要求高。沉管預制施工過程中端鋼殼安裝、節(jié)段匹配澆筑、節(jié)段頂推、整個管節(jié)整體頂推等工序主要會引起管節(jié)線形偏差，

從而在后續(xù)施工中對隧道線形造成影響。

端鋼殼的加工及安裝中，焊接、混凝土擠壓引起的變形都會造成端鋼殼的水平偏角和平整度發(fā)生變化。

節(jié)段匹配澆筑過程中，相鄰節(jié)段軸線出現偏差時，會對管節(jié)軸線產生影響。

節(jié)段頂推采取分散連續(xù)頂推方法，頂推過程中，多點頂推系統(tǒng)頂推不同步時會造成管節(jié)軸線偏差。

圖1 隧道工程平面布置總圖Fig.1 Tunnel engineering layout drawing

1.2 沉管安裝

沉管安裝采用雙向對接，在沉管安裝過程中，對沉管隧道線形造成影響的主要因素包括：導向桿與導向架間的調整間隙造成的偏差、相鄰管節(jié)間平面對接施工誤差、端鋼殼的水平偏角、管節(jié)接頭間GINA止水帶的不均勻壓縮、已安管節(jié)軸線與設計軸線的平面偏角、管節(jié)的軸向伸縮偏差等。

1.3 線形測量

1.3.1 管節(jié)姿態(tài)測量

端鋼殼張拉完成后需對其空間姿態(tài)進行測量并擬合，確定管節(jié)的長度和兩端面的豎直向、水平向傾角。管節(jié)姿態(tài)的測量誤差會引起管節(jié)長度和端鋼殼傾角出現誤差，進而影響隧道線形。

1.3.2 管節(jié)標定

為確保沉管順利安裝對接，需對成品管節(jié)進行一次標定測量，以獲得沉管上各特征點的相對位置關系，二次標定是為了獲得測量塔特征點的管節(jié)坐標。標定誤差會造成管節(jié)坐標系和理論坐標系不能完全一致，特征點坐標出現誤差，在管節(jié)安裝和貫通測量時，影響隧道線形。

1.3.3 貫通測量

貫通測量是對管節(jié)沉放對接后的姿態(tài)進行測量，評定管節(jié)安裝的精度。貫通測量誤差的來源主要是隧道外控制測量和隧道內控制測量。貫通測量方法和測控技術水平會對隧道整體線形和隧道順利貫通造成影響。

2 沉管隧道線形控制方法及措施

2.1 設計

線形控制的最早階段，即設計文件對管節(jié)接頭、舾裝件、本體結構、基礎鋪設等提出的設計方案、技術標準以及施工要求，施工按照設計要求嚴格控制施工誤差，為沉管隧道線形控制創(chuàng)造條件。

端鋼殼作為管節(jié)柔性接頭的關鍵構件，設置在沉管管節(jié)兩端，與管節(jié)混凝土聯為一體，為安裝GINA和OMEGA止水帶而設置在管節(jié)端部的鋼構件，是管節(jié)結構重要的永久性構件。根據GINA止水帶安裝及壓接要求，設計方提出明確的端鋼殼端面平整度及偏角要求，指導施工。

對于曲線管節(jié)由于GINA的不均勻壓縮[2]導致管節(jié)線形偏差，設計階段通過計算，選取變硬度的GINA止水帶，通過GINA止水帶兩側的硬度差值來抵消水壓力力矩產生的影響，實現解決曲線管節(jié)由于無法均勻壓接而產生偏位的問題。

此外，設計曲線管節(jié)的半徑不宜過小，應進行充分論證，采用節(jié)段法預制的沉管管節(jié)，對于每一節(jié)段的幾何尺寸參數，如內、外邊的長度，水平偏角等，設計過程需要明確。還需預先分析曲線管節(jié)在安裝拉合時的受力、運動趨勢等，為管節(jié)對接安裝提供控制指標。

2.2 預控

2.2.1 端鋼殼安裝

端鋼殼在安裝前，首先檢測其平整度。采用3 m靠尺對每塊端鋼殼縱橫向任意位置進行充分檢測，針對凸凹偏差超出允許范圍的地方進行調整處理。端鋼殼在安裝前，還需測定“已安裝管節(jié)”對接端鋼殼的實際位置和實際傾斜度和計算“待安裝管節(jié)”對接端鋼殼在澆筑臺座上預制時的空間姿態(tài)，該坐標和傾斜度應在保證“待安裝管節(jié)”沉放時的整體線形滿足設計要求的前提下進行計算和轉換；該兩項工作需要精密測算，在此基礎上才能進行端鋼殼安裝測量[3]。

由于端鋼殼的本身構造，在節(jié)段澆筑中會產生一定變形，因此澆筑過程中需要跟蹤測量、動態(tài)調整，并設置一定的預留量。

2.2.2 節(jié)段匹配澆筑和頂推

線形預控措施主要是節(jié)段匹配澆筑和頂推過程中的軸線測量和控制。在匹配澆筑時，除控制端模的架立垂直度，還需要控制兩節(jié)段的軸線。直線段澆筑軸線測量如圖2所示。在管節(jié)頂推過程中，跟蹤測量管節(jié)軸線，確保與滑移軌道平衡，并確保軸線頂推時的偏差在允許范圍之內，及時指揮頂推相關人員進行調整[4]；高程采用精密水準儀通過測量頂推前后頂面高程結合滑移軌道沉降量來綜合控制。

圖2 直線段澆筑軸線預控測量示意圖Fig.2 The precontrol measurement diagram of the casting axis of the straight-line section

2.2.3 管節(jié)標定

為確保沉管順利對接，需測量沉管上各特征點坐標及其位置關系，即進行管節(jié)一次標定，所測結果可作為后續(xù)二次標定控制點測量依據。當沉管進行二次標定時，由于管節(jié)處于漂浮狀態(tài)，導致兩次標定時管節(jié)姿態(tài)不同，為了更精確的進行管節(jié)二次標定，根據深塢區(qū)傾斜儀數據，使用壓載水系統(tǒng)調整管節(jié)姿態(tài)，使管節(jié)的姿態(tài)實時與一次標定時相同。同時根據管節(jié)浮動情況適時關閉全站儀補償器，使儀器測量面與管節(jié)面一直處于平行狀態(tài)，再進行二次標定。

2.2.4 控制測量

沉管隧道控制測量是貫通測量的基礎，控制測量的精度將最大限度地決定貫通測量所能達到的精度。沉管隧道控制網網形如圖3所示。

圖3 沉管隧道控制網網形Fig.3 Control network forms of immersed tubetunnel

隧道外控制網采用三條定向邊方案，控制網的等級為平面二等，參照JTG C10—2007《公路勘測規(guī)范》[5]中二等GPS控制網的標準進行實施。

隧道內控制網采用“雙線形聯合鎖網”的全新布網方法，500～800 m左右布設一對控制點，同車道一對控制點間距11 m左右，點間視線都距管壁0.5 m以上，兩車道外側墻導線點間距31 m左右。

2.3 擬合

2.3.1 管節(jié)端面擬合

為準確得到管節(jié)端面的空間姿態(tài)和管節(jié)端面與管節(jié)實際軸線的關系，在管節(jié)預制、張拉完成后對管節(jié)端鋼殼進行空間姿態(tài)測量，運用Matlab[6]數據處理軟件對測得的端鋼殼三維坐標進行擬合。

在端鋼殼上以反射片的形式布置96個測點進行觀測，點位于GINA止水帶理論壓接中心線上，如圖4所示。使用全站儀，對端鋼殼上的測點和特征點進行三維坐標測量，再根據端面特征點確定出管節(jié)的實際軸線，最后將預制坐標系下測量結果轉換至管節(jié)坐標系下。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

2.3.2 貫通測量

在沉管安裝完成后，首先進行貫通測量。貫通測量點采用平面和高程一體化裝置，在管節(jié)中廊道的S1、S8節(jié)段內沿管節(jié)軸線方向分別布設貫通測量點，點號依次為GT1、GT8。

平面測量采用全站儀的ATR自動照準功能，確定貫通測量點平面坐標，高程測量采用二等水準測量[7]，從隧道外引入隧道內，確定貫通測量點高程。根據特征點的偏差情況及管節(jié)結構尺寸的幾何關系，進行管節(jié)端部偏差情況的計算。

2.3.3 已安管節(jié)線形擬合

管節(jié)安裝完成后，對貫通測量結果進行圖示分析，得到已安管節(jié)的線形示意圖。圖5所示為E32、E33管節(jié)的線形擬合結果。圖中數據表示管節(jié)軸線往南側偏離隧道設計軸線。

圖5 E32、E33管節(jié)線形擬合Fig.5 The linear fitting of E32、E33 immersed tube

2.3.4 模型預拼裝

進行模擬安裝計算時要利用沉管安裝對接參數、管節(jié)線形測量成果、管節(jié)貫通測量復測成果等，待安管節(jié)尾端軸線偏差ΔX的計算方法為：

式中：ΔX0為管節(jié)首端軸線點的橫向絕對偏差；tanα為管節(jié)軸線斜率；S為管節(jié)長度。

由于管節(jié)端鋼殼水平偏角極小，因此tanα可直接以α在弧度制下的數值替代。夾角統(tǒng)一以順時針偏轉為正值。

管節(jié)長度預制偏差對于管節(jié)軸線偏差的影響是由管節(jié)實際軸線與設計軸線的偏角所致，但由于管節(jié)實際軸線與設計軸線的偏角很小，因此管節(jié)長度偏差對于管節(jié)軸線偏差的影響可以忽略不計，管節(jié)可按設計長度進行待安管節(jié)尾端軸線偏差的計算。

2.3.5 軟件模擬安裝

根據E31管節(jié)的線形測量參數，結合已安裝E32管節(jié)的線形成果，在軟件中模擬E31管節(jié)的安裝姿態(tài)。

E32管節(jié)尾端端部軸線偏南17.3 mm，作為E31管節(jié)沉放安裝的邊界條件。E31對接端與E32對接端按照理論狀態(tài)對接、拉合。模擬結果見圖6。

圖6 解析計算法預測Fig.6 Prediction of analytic calculation method

2 .4 調整

設計依據擬合結果和設計線形的關系，在每管節(jié)安裝前，發(fā)出調整指令，提供《En管節(jié)安裝對接平面定位控制要求》，明確新管節(jié)安裝的橫向相對偏差參數，施工單位據此制定待安管節(jié)的安裝調整方案。

根據目前沉管安裝施工工藝，管節(jié)線形的調整主要通過控制管節(jié)對接端橫向錯牙、控制對接端面交角兩種方式來實現。其中控制對接端面交角主要通過尾端纜繩控制或管節(jié)體內精調來實現，調整方法如圖7所示。

圖7 沉管線形調整方法Fig.7 The method of alignment adjustment of immersed tube

3 結語

港珠澳大橋沉管隧道是目前世界上唯一的深埋沉管隧道，世界上最長的公路沉管隧道，也是我國首條于外海修建的海底沉管隧道。本工程創(chuàng)新建立了設計、預控、擬合、調整的全過程線形控制管理體系，并成功應用于33節(jié)巨型管節(jié)的安裝過程當中，實現了最終接頭安裝毫米級的高精度，取得了良好的應用效果。

隨著世界范圍內長大沉管隧道的建設日益增多，國內外即將開工建設的長大沉管隧道有深中通道沉管隧道、大連灣海底沉管隧道、費馬恩接線沉管隧道等，可以預見未來長大沉管隧道的數量會快速增多，隧道線形控制的難度越來越大，線形控制管理體系先進成果的應用可以有效規(guī)避施工風險，提高沉管隧道施工水平，具有廣泛的推廣價值。