超大型鋼殼混凝土沉管隧道線形預(yù)估分析

張超，劉兆權(quán)，成益品，熊金海

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

沉管隧道施工中關(guān)鍵的控制點(diǎn)就是隧道平面線形控制，即軸線控制?？蓮膬蓚€(gè)角度進(jìn)行分析，1）整體與局部考慮，隧道平面線形控制既要控制整個(gè)隧道的安裝軸線與設(shè)計(jì)軸線之間不能出現(xiàn)大的偏差，也要控制相鄰兩個(gè)管節(jié)之間不能有過大的錯(cuò)邊；2）平面兩個(gè)維度的考慮，其一是沉管隧道軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差，其二是管節(jié)對接安裝后由于GINA止水帶硬度的不均勻性及受力狀態(tài)的差異，導(dǎo)致不同位置GINA止水帶壓縮量不同，造成里程方向的偏差。沉管隧道因各自結(jié)構(gòu)構(gòu)造及整體線形的差異，其軸線控制的要求也不盡相同，在施工過程中必須滿足線形控制的要求[1-5]。

基于深中通道鋼殼混凝土沉管隧道建設(shè)，通過對沉管鋼殼制作、托運(yùn)，管節(jié)澆筑、沉放安裝定位全過程分析，對沉管平面線形產(chǎn)生絕對偏差可能的影響因素有：鋼殼制作的誤差（已安裝管節(jié)非GINA端的端鋼殼水平向偏角和平整度及待安裝管節(jié)GINA端的端鋼殼水平向偏角和平整度）、相鄰管節(jié)間平面對接施工誤差（導(dǎo)向系統(tǒng)）、已安管節(jié)軸線與設(shè)計(jì)軸線的平面偏角、測量方法與貫通測控技術(shù)水平造成的偏差、管節(jié)接頭間GINA止水帶的不均勻壓縮（橫向）。

1 隧道線形控制措施

沉管隧道線形控制的影響因素覆蓋沉管隧道建設(shè)全過程，針對不同工程階段，對相應(yīng)的線形控制方法進(jìn)行研究[6]。

1.1 鋼殼制作及混凝土澆筑偏差

1）施工精度的誤差控制

設(shè)計(jì)階段：根據(jù)GINA止水帶安裝及壓接要求，設(shè)計(jì)方提出明確的端鋼殼端面平整度及偏角要求，指導(dǎo)施工。

施工階段：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施工方嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提出的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)化施工，端鋼殼偏差會影響隧道軸線。施工中應(yīng)嚴(yán)格控制管節(jié)端面的精度，包括安裝GINA止水帶的端鋼殼和對應(yīng)的受壓光面端鋼殼，對其平整度、水平向和豎向偏角都要嚴(yán)格控制。端鋼殼的焊接、混凝土擠壓引起的變形都會造成端鋼殼的平面度、平整度發(fā)生變化，影響管節(jié)軸線。

2）塢內(nèi)測量的誤差控制

鋼殼澆筑完成后需對其空間姿態(tài)進(jìn)行測量并擬合，確定管節(jié)的長度和兩端面的豎向、水平向偏角。管節(jié)姿態(tài)的測量誤差會引起管節(jié)長度和端鋼殼角度，進(jìn)而影響隧道線形。為降低測量誤差對線形控制的影響，測量工作應(yīng)統(tǒng)一操作標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格遵守測量儀器的操作規(guī)程，測量作業(yè)時(shí)須排除對測量工作有干擾的影響源。

1.2 相鄰管節(jié)間平面對接施工誤差（導(dǎo)向系統(tǒng)）

1）設(shè)計(jì)階段

導(dǎo)向系統(tǒng)對管節(jié)的對接安裝起到重要作用，導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)向桿和導(dǎo)向托架組成，為了保證導(dǎo)向桿落位導(dǎo)向托架時(shí)的可操作性，設(shè)計(jì)導(dǎo)向托架兩側(cè)壁預(yù)留5～10 cm的調(diào)節(jié)距離，管節(jié)就位即將著床時(shí)可在此范圍進(jìn)行軸線位置的調(diào)整。

2）施工階段

管節(jié)沉放安裝時(shí)，待沉管節(jié)端部在縱向上距離已沉管節(jié)端部2 m（距離過大難以保證對接精度，距離過小增加管節(jié)姿態(tài)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)）左右時(shí)進(jìn)行橫向?qū)印９芄?jié)下放至水下沉管隧道基礎(chǔ)面高度，導(dǎo)向桿就位后，由導(dǎo)向裝置造成的管節(jié)線形偏差，可在此范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行線形偏差控制，首先應(yīng)保證導(dǎo)向桿與導(dǎo)向托架在舾裝時(shí)的定位準(zhǔn)確，要求測量定位工作盡量精確，導(dǎo)向裝置水下安裝沉管時(shí)的測量工作和干塢內(nèi)的測量應(yīng)保持一致性，不容許出現(xiàn)大的偏差。

1.3 已安管節(jié)軸線與設(shè)計(jì)軸線的平面偏角

已安裝管節(jié)的首、尾兩端與設(shè)計(jì)軸線之間存在一定的距離偏差（圖1），造成管節(jié)的軸線與設(shè)計(jì)軸線存在夾角α，待安裝管節(jié)若與已安裝管節(jié)自然壓接安裝，則待安裝管節(jié)的軸線理論狀態(tài)下與設(shè)計(jì)軸線的夾角也為α。待安裝管節(jié)的軸線與設(shè)計(jì)軸線必然出現(xiàn)偏差，且待安裝管節(jié)的首端（與已安管節(jié)對接端）到尾端與設(shè)計(jì)軸線的偏差越來越大，這種誤差的累積對沉管安裝極為不利。假設(shè)單個(gè)管節(jié)長度為L，則單個(gè)管節(jié)與設(shè)計(jì)軸線的最大偏差大于L×sinα。

圖1 管節(jié)軸線偏差示意圖Fig.1 Schematic diagram of elements axis deviation

避免這種誤差的方法，一是對已安裝管節(jié)線形標(biāo)定后，若存在較大軸線偏差，則進(jìn)行管節(jié)的調(diào)整；二是對已安裝管節(jié)無法調(diào)節(jié)的軸線偏差，待安裝管節(jié)在安裝前制定糾偏方案，管節(jié)沉放對接時(shí)，按照糾偏后的管節(jié)軸線偏差指標(biāo)進(jìn)行控制。

1.4 測量方法與貫通測控技術(shù)水平造成的偏差

測量方法和貫通測控技術(shù)造成的沉管隧道軸線偏差，主要是由于隧道長度增加后貫通測量控制網(wǎng)測量精度降低導(dǎo)致軸線偏差，為此根據(jù)隧道長度進(jìn)行儀器選型、控制網(wǎng)網(wǎng)型等的研究，確保測量精度滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5 管節(jié)接頭間GINA止水帶不均勻壓縮（橫向）

在進(jìn)行管節(jié)對接施工時(shí)，管節(jié)橫向定位完成后，連接兩個(gè)管節(jié)間的拉合裝置，以實(shí)現(xiàn)GINA壓合止水[7]。GINA止水帶的壓縮量D=F/E，其中：F為GINA壓縮時(shí)的拉合力；E為GINA壓縮過程的平均壓縮模量。

造成管節(jié)接頭間GINA止水帶的不均勻壓縮的原因主要有兩個(gè)：1）由于GINA受到的拉合力不均勻，即F大小不一致，硬度相同的GINA止水帶，管節(jié)安裝時(shí)受到大小不同的拉合力，GINA的壓縮量不同；2）由于GINA止水帶本身的硬度不均勻，即E的大小不同，管節(jié)安裝時(shí)受到同樣大小的拉合力，GINA的壓縮量不同。

對于管節(jié)接頭間GINA止水帶的不均勻壓縮造成的管節(jié)軸線偏差控制，需要做到以下幾點(diǎn)：

1）針對不同管節(jié)的水深和埋深安裝環(huán)境，選擇適合的GINA材料型號；

2）GINA止水帶的生產(chǎn)質(zhì)量必須合格，其硬度不允許出現(xiàn)過大的不均勻性；

3）管節(jié)對接施工過程中應(yīng)做好拉合力的監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整拉合力的大小。有時(shí)根據(jù)已安裝管節(jié)的軸線偏差情況，需要調(diào)整GINA的壓縮量，使其發(fā)生不均勻壓縮，調(diào)整管節(jié)的軸線至設(shè)計(jì)軸線，這需要在管節(jié)托運(yùn)安裝之前制定好安裝方案，管節(jié)安裝現(xiàn)場嚴(yán)格實(shí)施。

2 相鄰管節(jié)相對偏差影響分析

根據(jù)深中通道已安裝完成的4根管節(jié)進(jìn)行相鄰管節(jié)相對偏差影響分析，主要影響因素包括導(dǎo)向桿及導(dǎo)向托架的安裝位置偏差以及已安管節(jié)導(dǎo)向托架南北側(cè)墊板厚度。

2.1 導(dǎo)向系統(tǒng)

2.1.1 導(dǎo)向系統(tǒng)標(biāo)定

管節(jié)縱移至深塢區(qū)完成船管連接后使用壓載水系統(tǒng)將管節(jié)調(diào)平然后進(jìn)行導(dǎo)向系統(tǒng)標(biāo)定。標(biāo)定使用全站儀將導(dǎo)向系統(tǒng)軸線調(diào)節(jié)至距離管節(jié)軸線2 m處，嚴(yán)格控制軸線偏差，系統(tǒng)調(diào)好后進(jìn)行緊固螺栓工作，螺栓緊固后測量數(shù)值作為導(dǎo)向系統(tǒng)安裝偏差。導(dǎo)向系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 導(dǎo)向系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of calibration results of guidance system mm

2.1.2 導(dǎo)向托架墊塊安裝

深中通道選用導(dǎo)向桿直徑63 cm，導(dǎo)向托架下部間距73 cm。管節(jié)安裝前在導(dǎo)向托架左右兩側(cè)安裝總厚8 cm的墊板，根據(jù)已安管節(jié)尾端軸線偏差確定墊板安裝厚度。管節(jié)水力壓接完成后導(dǎo)向桿進(jìn)入導(dǎo)向托架位置固定，潛水員水下量取導(dǎo)向桿南北側(cè)間距確定首端實(shí)際偏位，已安裝完成的各管節(jié)墊板安裝厚度及南北側(cè)間距統(tǒng)計(jì)見表2。

結(jié)合導(dǎo)向系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果及導(dǎo)向托架墊塊安裝數(shù)據(jù)計(jì)算相鄰管節(jié)相對偏差范圍見表3。

表2 導(dǎo)向系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of guidance system cm

表3 相鄰管節(jié)相對偏差統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of relative deviation of adjacent elements mm

2.2 相鄰管節(jié)相對偏差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)相鄰管節(jié)錯(cuò)牙數(shù)值可以直觀看出管節(jié)相對偏差，錯(cuò)牙量取包括2種方式，一種是潛水員在體外量取，另一種是已安管節(jié)中管廊人孔門開啟后在結(jié)合腔內(nèi)量取。

相鄰管節(jié)相對偏差還可根據(jù)貫通測量時(shí)測量的已安管節(jié)尾端軸線偏差及新安管節(jié)首端軸線偏差計(jì)算。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

通過比較不同測量方法下的相鄰管節(jié)相對偏差可以看出，相對偏差基本一致（除E2管節(jié)外），最大互差9.4 mm，最小互差0.1 mm，說明沉管安裝首端控制較好，見表4。

表4 不同測量方法相鄰管節(jié)相對偏差統(tǒng)計(jì)Table 4 Relative deviation statistics of adjacent elements by different measurement methods mm

3 模擬安裝分析

根據(jù)已安管節(jié)線形、已安管節(jié)尾端端鋼殼水平向偏角、待安管節(jié)首端端鋼殼水平向偏角及待安管節(jié)長度進(jìn)行管節(jié)無錯(cuò)牙模擬安裝。已安管節(jié)線形根據(jù)貫通測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，端鋼殼水平向偏角取管節(jié)縱移至淺塢區(qū)時(shí)測量值[7]。

3.1 端面間距統(tǒng)計(jì)

深中通道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)寬46 m，長165 m，對接端間南北側(cè)距相差1 mm導(dǎo)致尾端偏離管節(jié)軸線約3.6 mm。

南北側(cè)端面間距偏差是導(dǎo)致管節(jié)尾端偏差的重要因素，根據(jù)體內(nèi)、體外測量的端面間距計(jì)算尾端偏差與模擬安裝結(jié)果一并分析。

管節(jié)水力壓接完成后人孔門開啟前，潛水員在管節(jié)外側(cè)對端面間距進(jìn)行測量，南北側(cè)各測量上中下3處間距值。人孔門開啟后，測量人員在結(jié)合腔內(nèi)對端面間距進(jìn)行測量，南北側(cè)測量6～9個(gè)點(diǎn)。計(jì)算體內(nèi)、體外測量的間距差值推算管節(jié)尾端偏離軸線的數(shù)值。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

貫通測量結(jié)果真實(shí)反映管節(jié)安裝完成后的首尾端軸線偏差，根據(jù)首尾端軸線偏差可計(jì)算管節(jié)的實(shí)際走向，可與端面間距影響數(shù)據(jù)一并分析。管節(jié)軸線偏移統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 管節(jié)軸線偏移統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of elements axis offset mm

綜合管節(jié)首端相對偏差以及端面間距對管節(jié)軸線的影響與模擬安裝結(jié)果及實(shí)際安裝結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，管節(jié)安裝軸線偏差呈現(xiàn)規(guī)律性，管節(jié)模擬安裝結(jié)果與實(shí)際安裝結(jié)果基本一致，但需與多種影響因素聯(lián)合分析，見表6。

表6 管節(jié)模擬安裝結(jié)果與端面間距影響數(shù)據(jù)比對表Table 6 Comparison table of simulation installation results of elements and influence data of end face distance mm

4 結(jié)語

深中通道作為繼港珠澳大橋之后又一超長沉管隧道工程，沉管安裝精度要求更高，為確保隧道線形在管節(jié)安裝前需進(jìn)行線形預(yù)估，依此提供施工參考意見。根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析針對管節(jié)相對偏差計(jì)算及模擬安裝得出以下結(jié)論：

1）相鄰管節(jié)相對偏差影響因素包含舾裝件安裝偏差，舾裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制導(dǎo)向系統(tǒng)安裝偏差；

2）導(dǎo)向托架墊塊尺寸與安裝到位后的導(dǎo)向桿距托架邊緣間距及導(dǎo)向系統(tǒng)安裝偏差共同分析；

3）管節(jié)制作存在南北側(cè)偏差方向不一致現(xiàn)象，管節(jié)舾裝應(yīng)做好管節(jié)外形尺寸的測量工作；

4）管節(jié)模擬安裝與實(shí)際安裝結(jié)果存在差異，主要原因包括無錯(cuò)牙安裝較難實(shí)現(xiàn)以及端面南北側(cè)間距差值導(dǎo)致尾端偏離預(yù)估軸線，管節(jié)模擬安裝的事前分析應(yīng)結(jié)合導(dǎo)向托架墊塊尺寸，事后分析應(yīng)結(jié)合端面間距；

5）線形分析數(shù)據(jù)僅供施工參考，由于鋼殼結(jié)構(gòu)尺寸偏差及尺量方式的局限性，管節(jié)的實(shí)際線形應(yīng)以貫通測量結(jié)果為準(zhǔn)。