沉管两侧锁定回填对沉降的影响分析

马宗豪

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266001）

0 引言

港珠澳大桥是世界上最长的跨海大桥工程，其中，沉管隧道在整个工程中起着至关重要的作用，施工质量需要严格把控，一旦出现结构严重变形或者结构沉降变形量过大，将直接影响整个工程的成败。沉管隧道变形监测是港珠澳大桥沉管隧道施工期和运营期的一项长期的监测工作，而隧道结构沉降监测又是其必不可少的主要监测项目。

沉管隧道沉降监测的研究[1-2]，是沉管隧道研究的一项重要组成部分。通过对管节的沉降分析可以更好地了解沉管建设期的沉降特征和变化规律，为后期隧道运营提供安全保证依据。

1 监测目的

隧道监测表明，沉管安装后受基础上部荷载影响，管节存在明显的沉降。其中，锁定回填也是沉管施加荷载的一部分。

通过对已安装的沉管在锁定回填[3]施工时的沉降监测，分析研究锁定回填对沉管沉降的影响，为控制沉管总体沉降提供数据支持。

2 管节沉降监测

2.1 监测方法

沉降监测采用高程水准测量方法。高程测量采用往返测的方式，要满足国家二等水准测量精度要求，测量闭合线路如图1所示。

图1 沉降监测闭合线路示意图Fig.1 Schematic diagram of closed circuit for settlement monitoring

往返测高差不符值、环闭合差和监测高差之差的限差应不超过表1的规定。

表1 限差要求Table 1 Restriction requirements

2.2 测点的布置

按照点位观测方便、各点之间通视条件良好和各个观测点稳定可靠的控制点布设原则，沉降观测点位于沉管管节中管廊的侧墙上，每个节段布置4个测点。其中一个管节的测点布设见图2。

图2 管节沉降观测点布置示意图Fig.2 Layout of settlement observation point of pipe joint

2.3 监测仪器及测试精度

测量仪器需通过国家法定计量单位检定合格，平差计算软件符合相关规定。相关规定可参照GB/T 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》[4]，在外业观测前需对使用的仪器进行检校。

沉降监测仪器选用电子水准仪（Leica DNA03），测量精度±0.3×10-6D（±0.3ppm），配套铟钢尺及尺垫，自备竹竿。标尺的条码作为参考信号存在仪器内，线译码器捕获仪器视线场内的标尺影像作为测量信号，然后与仪器的参考信号进行比较。

2.4 监测频率及周期

根据锁定回填对沉管沉降影响计算要求，监测周期需在回填施工开始至回填施工完成后3 d内完成。沉管沉降的观测频率为施工期和回填施工完成后3 d内各完成1次沉降监测，每次观测1 d、3 d后按照沉管监测正常频率（1次/周）执行。

2.5 测量具体要求

1）水准网的观测必须按照国家二等水准进行实施，采用单路线往返测量，每次观测必须形成闭合检验条件。

2）对于往返测高差不符合值、环闭合差和检测高差较差的限差，应参照国家测量规范的限差要求进行控制。

3）电子水准仪器[5]及配套设施应在有效合格检定期内，水准仪和水准尺在使用前及使用过程中要经常规检查合格，水准仪视准轴与水准管轴之间的夹角均不应超过15″。仪器各种设置正确，其中有限差要求的项目按照规范要求在仪器中进行设置，并在数据采集时自动控制，不满足要求的在现场进行提示并进行重测。

4）外业测量一条路线的往返测使用同一类仪器和转点尺垫，沿同一路线进行。观测结果的重测和取舍按照国家二等水准规范的有关规定执行。

5）观测时，视距长度≤50 m，前后视距差≤1.5 m，前后视距累积差≤6.0 m，视线高度≥0.5 m；测站限差：2次读数差≤0.4 mm，2次所测高差之差≤0.6 mm，检测间歇点高差之差≤1.0 mm；观测读数和记录读数的数字取位：使用数字水准仪读记至0.01 mm。

6） 观测时，一般按照“后-前-前-后”的顺序进行，对于有变换奇偶站功能的电子水准仪可按以下顺序进行：①往测：奇数站为“后-前-前-后”，偶数站为“前-后-后-前”；②返测：奇数站为“前-后-后-前”，偶数站为“后-前-前-后”。

7）每一测站段均为偶数测站，扶尺时借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。

8）观测前30 min，将仪器置于露天阴凉处，使仪器与外界温度趋于一致；对于数字水准仪，进行不少于20次单次测量，达到仪器预热的目的。测量中避免望远镜直接对着太阳；避免视线被遮挡，遮挡不超过标尺在望远镜中截长的20%。

9）自动安平水准仪的圆水准器应严格置平。在连续各测站上安置水准仪时，中两脚螺旋与水准路线方向平行，第三脚螺旋轮置于路线方向的左侧或右侧。除路线拐角处外，每一测站上仪器与前后标尺的3个位置，一般为近似一条直线。

10）观测过程中为保证水准尺的稳定性，选用2.5 kg以上的尺垫，水准观测路线必须路面硬实，观测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉。

11）观测过程中避免仪器安置在容易振动的地方，如果有临时振动，确认振动源造成的振动消失后，再激发测量键。水准尺均要借助尺撑整平扶直，确保水准尺垂直。

12）当相邻观测周期的沉降量超过限差或出现反弹时，应重测并分析工作基点的稳定性，必要时联测基点进行检测。

13）数据处理时，闭合差、中误差等均满足要求后进行平差计算，水准路线要进行严密平差，选用经鉴定合格的软件进行。

2.6 监测步骤

1）在沉管锁定回填前，利用水准仪对沉管沉降观测点高程进行复核，作为后期沉降观测的初始值。

2）点锁回填完成后，利用多波束测量船进行扫测，确认点锁回填的准确位置，并得到点锁回填的碎石堆形状，同时管内利用水准仪对沉管沉降观测点的高程进行测量。

3）锁定回填采用国内自主研发的供料回填一体船将碎石准确抛填至预定位置。施工完成后利用多波束对回填位置进行二次确认，并得到锁定回填的碎石堆形状。

4）锁定回填全部施工完成后，利用水准仪及时对沉管沉降观测点高程进行测量。

观测过程中要特别注意：沉降观测所有水准观测路线均要形成闭合和符合水准路线，不得采用水准支线或中视法，沉降观测水准路线经过的控制点或基准点数量不应少于2个，当发现沉降监测数据出现异常时必须首先自检。

3 沉降监测数据分析

3.1 沉降成因分析

由于沉管沉降数据量较大，因此以下数据分析，选择监测结果比较有代表性的管节进行分析。

以E28管节监测数据为例，E28管节安装当天，进行E28管节沉降测量及点锁回填，约半月后进行E28锁定回填，施工时间如表2所示。分别在点锁回填后及锁定回填后进行一次多波束扫测，以便及时了解回填料形状（如图3和图4所示），分析沉管侧壁负摩阻力对管节沉降的影响。

表2 E28管节锁定回填施工时间表Table 2 Construction schedule of E28 pipe section locking backfill

图3 E28管节点锁回填多波束扫测结果Fig.3 Multi beam scanning results of E28 pipe node lock backfill

由多波束数据成像结果显示，E28管节点锁回填位置在管节中部，回填高度未超过管节上部倒角位置，7月15日E28管节沉降监测结果如图5所示。

图4 E28管节锁定一般回填多波束扫测结果Fig.4 E28 tube section locking general backfill multi beam scanning results

图5 7月15日E28管节沉降监测结果Fig.5 Monitoring results of E28 pipe joint settlement in July 15th

分析该阶段管节增加的荷载主要来源于点锁回填碎石料对管节侧壁的负摩阻力，这是造成管节出现沉降的主要原因。

3.2 管节负摩阻力分析

多波束数据显示，管节在锁定回填完成后，主要受力可以分为两部分：一部分是石料对管节的负摩阻力，另一部分是石料对管节的竖向压力，如图6所示。

负摩阻力由土压力、碎石与管节侧壁的摩擦系数进行确定，由静止土压力公式可知：

图6 沉管隧道锁定回填受力情况示意图Fig.6 Schematic diagram of loading force of locked tunnel backfill in immersed tunnel

式中：ψ为土体有效内摩擦角，碎石取40°；E0为均质土静止土压力强度；γ为墙后土体重度；h1为回填料高度；h2为墙高；k0为静止土压力系数。取碎石浮重度11 kN/m3，沉管侧壁土压力由计算可知：E0=231.4 kN/m。

根据管节模型与碎石基床的摩擦系数试验[6]可知：二者之间的摩擦系数约为0.4，根据摩擦力计算公式可知沉管隧道侧壁共承受摩擦力为：

管节宽度为37.95 m，则：

沉管隧道底面由负摩阻影响产生的竖向荷载P1约为 4.88 kPa。

管节顶部倒角位置所受的竖向重力为：单位长度斜面上碎石压力G=72.1 kN，经倒角传递后，部分转化为竖向应力传至管节底面，因此石料在管节顶部倒角位置对管节的竖向压力为P2=3.80 kPa。

根据沉降监测数据分析结果（见图7）可知，7月13—22日E28沉管平均沉降8.4 mm。

负摩阻力引起的沉管底部应力增加以及石料在管节顶部倒角引起的应力增加，应力总和为：P1+P2=8.68 kPa。

图7 E28管节沉降时间曲线Fig.7 Settlement with time curve of E28 tube section

由碎石垫层物理模型试验计算得到碎石垫层应产生沉降4.7 mm。

4 结语

通过对港珠澳大桥沉管锁定回填阶段的沉降监测数据分析，可知沉管锁定回填对管节沉降有一定影响，主要是由回填石料对沉管侧壁的负摩阻力引起的。现场监测数据显示该阶段管节平均沉降为毫米级，对管节总体沉降贡献不大。

参考文献：

[1] 黄腾，孙景领，陶建岳，等.地铁隧道结构沉降监测及分析[J].东南大学学报：自然科学版，2006，36（2）：262-266.HUANG Teng,SUN Jing-ling,TAO Jian-yue,et al.Subsidence monitoring and analyzing in subway tunnel construction[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2006,36(2):262-266.

[2] 王胜涛，杨广庆，薛晓辉.高速公路路基沉降监测技术研究[J].铁道建筑，2008（2）：76-78.WANG Sheng-tao,YANG Guang-qing,XUE Xiao-hui.Research on settlement monitoring technology of expressway subgrade[J].Railway Engineering,2008(2):76-78.

[3]张建军，尚乾坤.沉管安装碎石回填质量控制[J].中国港湾建设，2015，35（7）：113-115.ZHANG Jian-jun,SHANG Qian-kun.Quality control of gravel backfillforimmersedtubeinstallation[J].ChinaHarbourEngineering,2015,35(7):113-115.

[4]GB/T 12897—2006，国家一、二等水准测量规范[S].GB/T 12897—2006,Specifications for the first and second order leveling[S].

[5] 张大彪.电子测量仪器[M].北京：清华大学出版社，2007.ZHANG Da-biao.Electronic measuring instruments[M].Beijing:Tsinghua University Press,2007.

[6]尚乾坤，王殿文.钢筋混凝土沉管管节与基床摩擦阻力的试验研究[J].中国港湾建设，2015，35（7）：46-48.SHANG Qian-kun,WANG Dian-wen.Friction research between immersed reinforced concrete tube elements and foundation bed[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):46-48.