大型跨海沉管隧道施工監(jiān)測新技術(shù)

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(shè)與運維技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300461；3.中交第一航務(wù)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(shù)躋身世界前列，成為少數(shù)具有自行建設(shè)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(fā)展期，目前已經(jīng)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(jīng)濟的發(fā)展，將會涌現(xiàn)新的跨海通道，會面臨更大水深、更大長度、建設(shè)環(huán)境更惡劣、建造標(biāo)準更苛刻的項目[1]。

沉管隧道與傳統(tǒng)水運工程相比，施工環(huán)境復(fù)雜，自然環(huán)境相對惡劣，施工風(fēng)險高，安全責(zé)任大，因此沉管隧道施工過程中的監(jiān)測技術(shù)尤為重要。同時我國大型跨海沉管隧道的建設(shè)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(jīng)驗與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，需要獲取大量實測數(shù)據(jù)來豐富、驗證設(shè)計理論[1-2]。

沉管隧道以預(yù)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(nèi)從漂浮狀態(tài)轉(zhuǎn)換為承受幾十米水壓的承壓狀態(tài)，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(nèi)壓載水箱排空、拆除，隧道內(nèi)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(jiān)測要數(shù)據(jù)準確、反饋快速，能夠及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險[2]。

1 沉管隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)特點

沉管隧道施工監(jiān)測的特點主要體現(xiàn)為自動化監(jiān)測程度高、監(jiān)測區(qū)域覆蓋廣、監(jiān)測環(huán)境惡劣、監(jiān)測項目多及監(jiān)測技術(shù)要求高等方面[3-4]。

1）監(jiān)測精度高、穩(wěn)定性要求高

沉管結(jié)構(gòu)允許位移與變形值小，管節(jié)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(tǒng)要有極好的低頻響應(yīng)性能。

大型跨海沉管隧道管節(jié)數(shù)量多，施工周期一般為2～3 a，且過程中要受到惡劣作業(yè)環(huán)境及各施工作業(yè)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(jiān)測系統(tǒng)在高頻率、長周期的條件下要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）數(shù)據(jù)量大、時效性強

沉管隧道在施工過程中周邊環(huán)境變化快、荷載變化快，為及時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，諸多監(jiān)測項目要做到實時監(jiān)測實時反饋。

3）監(jiān)測環(huán)境惡劣

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

2 施工監(jiān)測新技術(shù)

2.1 超低頻振動沉管姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)

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(fā)生管節(jié)的超低頻振動。這種狀態(tài)的出現(xiàn)對于管節(jié)的對接是十分不利的，因此需要進行管節(jié)姿態(tài)監(jiān)測，確認管節(jié)所處狀態(tài)。

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(guān)，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(jié)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(zhì)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(huán)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(jiān)測所配備的電纜、解調(diào)儀的噪聲、帶寬等均需要滿足要求。為此經(jīng)過層層比選，最終選定航天系統(tǒng)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(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由3 套獨立的監(jiān)測系統(tǒng)組成，3 套獨立測量系統(tǒng)之間通過光纖連接，并通過采集設(shè)備實現(xiàn)各系統(tǒng)的同步采集。其中沉管首、尾兩端各布置一套姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，首端布置1 套冗余姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為備用。每套監(jiān)測系統(tǒng)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(yīng)電源與放大器組成。測點布置見圖2[5-6]。

圖2 姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)采集頻率控制為4 Hz。

數(shù)據(jù)處理流程為：

①獲取不同下放階段的管節(jié)振動信號。

②截取振動時間256 s 以上的數(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)部不能直接測量沉管的絕對位移，加速度、速度和位移的關(guān)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(jiān)測數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.3 Spectrum of monitoring data

2.2 沉管起浮姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)

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

1）水箱水位監(jiān)測

由于沉管內(nèi)壓載水系統(tǒng)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(dǎo)致沉管各部位重力不同，因此在排水過程中要時刻關(guān)注水箱內(nèi)水位變化，通過水箱排水閥調(diào)節(jié)排水速率一致。排水過程中監(jiān)測各水箱水位，及時修正調(diào)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(jiān)測系統(tǒng)與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)一起建立成套的監(jiān)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(jié)支座處反力監(jiān)測

管節(jié)支座反力監(jiān)測是反映沉管起浮狀態(tài)最直接的指標(biāo)，管節(jié)支座反力隨著排水量的增加而逐漸降低，當(dāng)支座反力出現(xiàn)明顯差異時，會導(dǎo)致起浮不平穩(wěn)，因此通過監(jiān)測支座反力的變化可以判斷管節(jié)的狀態(tài)。

管節(jié)支座反力監(jiān)測需采用測試精度較高的應(yīng)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(jié)不同部位高程差監(jiān)測

管節(jié)不同部位的高程差監(jiān)測不能直接反映沉管起浮前的受力狀態(tài)，但是可以反映起浮過程中管節(jié)的姿態(tài)變化情況，通過對比管節(jié)起浮姿態(tài)與起浮前水箱水位、支座反力情況，不斷總結(jié)沉管起浮規(guī)律，積累控制經(jīng)驗。

2.3 隧道沉降實時監(jiān)測技術(shù)

沉管管節(jié)在沉放對接完成后需要經(jīng)過回填、拆除壓載水系統(tǒng)、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(jié)沉降及差異沉降有較大影響。同時隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境狹小、復(fù)雜，采用傳統(tǒng)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(dǎo)作用，因此需要采用自動化監(jiān)測技術(shù)[8]。

靜力水準儀作為沉管隧道沉降自動化監(jiān)測有著很強的優(yōu)勢，可及時反映沉管線形變化。除了測量管節(jié)沉降外，對于管節(jié)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(guī)，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(jié)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(shè)計，在較大縱坡位置設(shè)置多段采集系統(tǒng)，在管節(jié)接頭兩側(cè)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(yīng)力評價分析

端封門施工質(zhì)量是關(guān)系到沉管安全的重大風(fēng)險源，端封門的失效會導(dǎo)致不可估計的嚴重后果，因此確保端封門的施工質(zhì)量是所有大型沉管隧道施工中事關(guān)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。港珠澳大橋沉管端封門采用鋼結(jié)構(gòu)面板及支撐鋼梁，且為重復(fù)使用，通過端封門的應(yīng)力、位移、變形監(jiān)測，積累端封門變形及受力規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)端封門的質(zhì)量問題，消除隱患。

1）端封門監(jiān)測測點布置

端封門監(jiān)測可以反映結(jié)構(gòu)隨水壓變化而產(chǎn)生的位移、應(yīng)力變化。同時也可以間接反映工程質(zhì)量，可以較早發(fā)現(xiàn)工程中的質(zhì)量問題。

端封門測點應(yīng)以支座處位移監(jiān)測為主，輔以主要受力構(gòu)件的應(yīng)變變化監(jiān)測；端封門位移測點以受荷最大的主梁為主要監(jiān)測對象，盡可能覆蓋所有端封門主要受力構(gòu)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(yīng)力測點應(yīng)以受力主梁在最大水壓作用下的最大應(yīng)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(jiān)測測點布置Fig.6 Layout of bulkhead monitoring points of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tube

2）端封門監(jiān)測階段選擇

端封門應(yīng)力變形監(jiān)測應(yīng)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(jiān)測，沉管漂浮寄存期間可根據(jù)寄存條件定期進行數(shù)據(jù)采集及采集系統(tǒng)維護，在進行沉管安裝前，會在二次舾裝區(qū)進行模擬沉放試驗，此時是監(jiān)測的關(guān)鍵階段，要獲取端封門隨水深變化而產(chǎn)生的位移及應(yīng)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(zhì)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)殘余變形較大的位置時，應(yīng)及時進行檢查。

沉管浮運及沉放過程中需要對端封門的應(yīng)力及變形進行實時監(jiān)測，端封門應(yīng)力及變形會隨著沉管沉放深度的增加呈線性變化，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，應(yīng)及時結(jié)合現(xiàn)場視頻監(jiān)控進行檢查，必要時暫停沉管下放，檢查確認無風(fēng)險后方可繼續(xù)安裝施工。

3）數(shù)據(jù)處理及分析

端封門的變形及應(yīng)力是具有較強規(guī)律性的監(jiān)測項目，其變形及應(yīng)力值應(yīng)較接近理論計算結(jié)果，每個沉管沉放后應(yīng)及時對端封門在施工各個階段的變形應(yīng)力情況進行統(tǒng)計分析，通過多個管節(jié)沉放時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以獲得端封門位移變形的經(jīng)驗值及變化規(guī)律，實現(xiàn)對下一個沉管端封門變形及應(yīng)力的預(yù)測。當(dāng)監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)與預(yù)測值發(fā)生較大偏離時，應(yīng)及時進行檢查，一方面檢查監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，確認監(jiān)測數(shù)據(jù)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(xiàn)了螺栓松動等情況。港珠澳大橋沉管隧道E2～E22 管節(jié)端封門應(yīng)力及變形統(tǒng)計見圖7。圖中出現(xiàn)個別沉管端封門支座位置處位移較大的情況，均在現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)了螺栓松動的現(xiàn)象。

2.5 數(shù)據(jù)處理及分析平臺建設(shè)

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

港珠澳大橋沉管隧道施工監(jiān)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(jiān)測平臺，僅針對需要實時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的項目建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。港珠澳大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)除實時監(jiān)測外，定時監(jiān)測的監(jiān)測頻次也較高，各項目監(jiān)測頻次在1～6 h測量1 次之間，數(shù)據(jù)量較大。每個監(jiān)測項目若采用人工數(shù)據(jù)處理，工作量很大，因此，在建立監(jiān)測系統(tǒng)的同時要具備自動化的數(shù)據(jù)處理能力。

3 結(jié)語

港珠澳大橋沉管隧道施工監(jiān)測隨著沉管施工的進展及建設(shè)需求不斷完善，最終形成了覆蓋沉管預(yù)制全過程的監(jiān)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(fēng)險的監(jiān)控者，作為施工單位的“眼睛”，時刻關(guān)注施工過程中可能發(fā)生的各種異常與風(fēng)險；另一方面部分監(jiān)測項目的實施解決了施工過程中遇到的困難與問題，協(xié)助進行施工質(zhì)量控制。

施工監(jiān)測是大型跨海沉管隧道建設(shè)過程中重要的組成部分，它和水文氣象觀測與預(yù)報一起共同組成了沉管隧道施工的保障系統(tǒng)，確保在千變?nèi)f化的外海自然環(huán)境下隧道建設(shè)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(huán)境的不同以及隧道工藝的差異，還會對監(jiān)測系統(tǒng)提出新的技術(shù)要求，因此對于沉管隧道施工監(jiān)測，尚不能形成標(biāo)準的監(jiān)測系統(tǒng)，還要根據(jù)工程實際情況不斷進行完善與優(yōu)化。