港珠澳大桥沉管隧道施工监测系统

李哈汀，胥新伟，高潮，刘馨

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

港珠澳大桥沉管隧道沉管段长5 664 m，由33个管节组成（由西向东编号E1~E33），沉管标准管节长180 m，由8个22.5 m长的节段组成（由西向东编号S1~S8），节段通过预应力连接并设置竖向及水平剪力键，管节间设置GINA止水带，并在管节沉降稳定后安装竖向及水平剪力键。港珠澳大桥沉管隧道施工工序复杂[1]，为确保施工安全，及时准确地提供沉管变化信息，为施工参数确定提供依据，有必要建立一套可靠的施工监测系统。

目前世界上已建、在建的沉管隧道已达120余座，我国在上世纪80年代就开始了沉管隧道的研究[2]。李伟平等人对运营期的宁波甬江沉管隧道进行了检测，同时对GINA止水带进行了评估[3]。龚昊等人针对广州洲头咀隧道沉管建立了健康监测模型，并对传感器布置方案进行了探索[4]。刘正根等人以宁波甬江沉管隧道为背景，建立了由多种传感器组成的沉管隧道实时健康监测系统[5]。徐峰等人对沉管隧道健康监测传感器布置进行了优化[6]。目前对沉管隧道的设计和运营期健康监测的研究较多[5-6]，对沉管隧道施工期监测的研究较少。施工期沉管隧道在荷载、环境（潮汐、季节等）多种因素交叉作用下，沉降、接头差异变形、节段张合量等变化更为显著：压载水排空、压舱混凝土浇筑、外部回填等施工会对沉管的沉降及线形带来较大影响；温度、潮汐会影响节段及管节接头张合量。由于港珠澳大桥沉管隧道基础施工采用先铺法，需要沉降及位移监测数据为后续管节基础施工提供重要依据，这些重要参数能否及时准确反映，直接关系到沉管隧道的施工安全和贯通后的整体线形。

本文介绍了港珠澳大桥沉管隧道施工期监测系统的建立及运行情况，主要包括沉管隧道沉降、差异变形、节段张合量、环境温度等方面监测内容。港珠澳大桥沉管隧道的设计和施工采用了许多新技术和新方法，这也对施工监测提出了新的挑战，国内如此大规模沉管隧道的施工监测尚属首次，本文所介绍的施工监测系统有望对今后类似的沉管隧道施工监测提供经验和有益帮助。

1 监测内容概况

1.1 沉降监测

隧道沉降是判断沉管结构和基础稳定性的重要参数[6]，同时沉降也是影响施工期沉管安全性的直接因素。隧道沉降对荷载的变化较为敏感，沉管隧道施工期荷载主要来自自重、压载水、压仓混凝土、锁定回填、顶部覆盖回填，特别是在回填期间，管底荷载在短时间内变化较大。

港珠澳大桥沉管隧道沉降监测采用水准测量方法，测量精度满足国家二等水准要求。由于压载水箱影响，临时沉降监测点布置在中廊道内，待水箱拆除后将测点移至左右行车廊道内，如图1所示。在每个节段布置4个沉降测点，用于监测管节的不均匀沉降及节段、管节接头处的差异沉降。变载期，监测频次为每天1次，恒载期将监测频次调整为1次/（2～3）d。

图1 沉降监测点平面布置图Fig.1 Plan arrangement chart of the settlement monitoring points

1.2 接头差异变形监测

管节接头差异变形监测包括接头张合量、接头差异沉降、接头水平变形监测，相邻管节间断面的差异变形可以直接反映出管节的锁定质量，对判断GINA止水带的止水效果具有重要意义。接头差异沉降和沉降监测可以互相校核，提高监测数据的可靠性，为管节接头后续剪力键安装等施工提供依据。

影响管节接头差异变形的因素复杂，环境（如潮汐、季节等）、管节沉降、线形均会对管节间差异变形造成影响。管节接头差异变形通过在管节接头处布置位移传感器进行监测，测点位置如图2所示，1、2、3号传感器监测管节接头张合量，4号传感器监测管节接头水平位移，5、6号传感器监测管节接头差异沉降，管节间差异变形监测数据通过采集仪自动采集存储。变载期的监测频次为1次/h，恒载期监测频次为4次/d。

图2 管节接头差异变形监测测点布置示意图Fig.2 Arrangement of measured points which monitor the deformation of tunnel joint

1.3 节段张合量监测

节段接头处设置了竖向剪力键，因此节段张合量是判断节段锁定质量的主要指标。节段水平向通过预应力连接，张合量变化主要受管节线形及环境因素影响。管节受荷载作用可能产生纵向线形变化，因此监测点布置在管节顶板及底板的节段接缝位置处，从而准确反映节段间的锁定质量。监测仪器采用与管节接头差异变形相同的位移传感器，监测数据实现自动采集存储。变载期监测频次1次/（1~2）d，恒载期监测频次1次/周。

1.4 管节位移监测

管节位移监测可以直接反映管节方位，判断管节水平面上线形情况，并为后续管节安装提供测量依据。管内位移监测通过在管节首尾两端布设测点进行测量，采用国家二等三角测量的技术要求进行精密测量。变载期监测频次1次/d，恒载期监测频次1次/周。

1.5 管内环境温度监测

管内环境温度受季节变化影响明显，温度变化会对管节接头张合量产生影响，温度监测仪器采用高精度温度传感器，监测频次1~2次/周。

2 监测系统建立

2.1 监测系统的内容

建立一套成熟的监测体系，有利于施工单位及时准确地获得监测数据，从而判断沉管隧道的安全性，以及对后续施工进行调整。港珠澳大桥沉管隧道施工监测系统包括监测内容及监测流程，监测内容包括施工信息、测量监测数据、仪器监测数据、管内巡视四大方面，如图3所示。

图3 港珠澳大桥沉管隧道施工监测内容Fig.3 Construction monitoring contentsof immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

管节安装完成后的变载期，每日提供监测数据并做出判断，发现安全隐患及时上报。按周进行阶段分析，总结监测数据变化规律，对施工情况进行评价，指导后续施工。

2.2 测点布置注意事项

图4 E5管节尾端平均沉降Fig.4 The average settlement of the end of E5 tunnel

监测点布置效果的好坏会直接影响到监测结果的好坏，甚至直接影响到整个监测系统的准确性。在沉管隧道施工监测中需要注意以下环节：1）测点的损坏：测点布置应考虑到施工交叉的影响，并做好警示标志及保护措施；2）线缆布置：线缆的布置应注意尽量避免施工的影响，然后考虑布设方便；3）定期维护：施工期隧道内部环境恶劣，更应频繁进行仪器的检修和维护，对有问题的仪器进行测试和更换。

3 监测系统运行情况

以具有代表性的监测数据为例，说明监测系统运行情况。E5管节沉降监测数据如图4所示，沉降监测结果和接头差异变形监测结果的比较如图5所示。通过监测结果可以发现，沉管安装完成初期沉降量较大，沉降随着管节两侧回填、顶部回填、压仓混凝土浇筑等施工步骤的推进逐渐发生。对比E5、E6管节沉降监测数据和接头差异变形数据可以看出，管节整体差异沉降较小，两套不同的监测方法结果吻合较好，验证了监测系统稳定可靠。

管节接头张合量监测结果见图6及图7。

图5 E5、E6差异沉降结果对比Fig.5 The settlement resultscontrast of E5 and E6

从图6可以看出，在回填完成前，接头张合量受到潮汐影响。图7所示，随着后续施工进行，接头张合量的变化主要受季节变化影响，冬季温度降低，混凝土降温收缩，张合量呈张开趋势；夏季温度升高，混凝土升温膨胀，张合量呈压缩趋势。

4 结语

本文介绍了港珠澳大桥沉管隧道施工监测系统的建立，详细分析了大型沉管隧道施工监测过程中应注意的问题，通过不同监测手段的对比验证了监测系统的可靠性和准确性。本文所介绍的监测系统可为今后类似施工监测提供借鉴。