影响超长沉管隧道变形监测精度的因素及解决对策

成益品，董理科，韩战伟

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

近年来，由于工程的特殊要求，变形监测时效性要求也越来越强，为了保证施工安全，变形监测常常要求随着施工同步进行。在沉管隧道施工建设期，通过对沉管隧道进行沉降位移监测，可实现施工期间沉管的差异沉降、沉降发展、线形变化等关键指标的实时分析、预测及评估，不仅为沉管隧道施工过程的安全状态提供技术支撑，为必要的施工措施决策提供基础数据，同时为与后续沉管对接、沉管段隧道后续结构浇筑及施工预抬量的调整提供可靠依据[1-3]。

沉管隧道管内施工周期长，监测精度及频次要求高，管内各工序施工交叉转换快，环境复杂多变，监测作业条件空间受限，在利用水准仪和全站仪监测管节沉降位移中发现，监测数据稳定性保障比较困难，给现场施工决策带来较大困扰，有必要对该监测方法的数据稳定性问题进行系统的分析总结。李哈汀等[4]（2015）在港珠澳大桥沉管隧道施工期间研发监测系统，从隧道沉降、接头差异变形、节段张合量、环境温度监测等方面，介绍了港珠澳大桥沉管隧道施工监测系统的建立及运行，并对差异变形及沉降监测数据进行了分析，验证了监测系统的可靠性。许光明等[5]（2018）对港珠澳大桥沉管隧道施工期管节沉降位移监测方法及数据分析进行介绍，通过对各类变形量的分析，了解沉管变形趋势。

目前文献主要介绍沉管隧道沉降位移变形监测方法，而对于采用水准仪和全站仪进行沉降位移变形监测的数据精度保障研究较少。本文通过对超长沉管隧道施工各阶段沉降位移变形监测数据整理与分析，总结发现了变形监测误差规律及主要影响因素，并依次提出了相应的改进措施。

1 沉管隧道监测设计

沉管隧道管节安装后施工监测技术等级及频次要求较高，隧道施工经历变载期和恒载期，施工期间要对管节的稳定安全状态进行监测，尤其在沉管管顶覆盖回填、管内压载水箱拆除、管内压舱混凝土浇筑等重大的施工环节中，以及台风等恶劣天气过境后，均需要采用必要的监测技术手段对沉管结构各部位沉降和位移变化情况进行密切监测。

1.1 沉降监测

沉降监测基准点布设隧道洞口稳定区域，定期对高程基准点进行复检。沉降监测点布设在每个管节首中尾底板上，如图1所示。沉降监测使用电子水准仪（每km往返高差中数的中误差为0.3 mm），采用国家二等水准测量方法施测[6]。监测频次为：变载期间1次/d；恒载期间1次/周。

图1 沉降监测点位分布图Fig.1 Location of settlement monitoring points

1.2 位移监测

位移监测基准点采用GNSS静态观测方法在隧道洞口建立。每个管节工作基点采用强制对中装置形式布设在相邻已安管节尾端。位移监测点布设在每个管节首中尾侧墙上，如图2所示。位移监测使用全站仪（测角0.5″、测距精度为1.0 mm+1×10-6×D，D为测量的距离，单位km），采用国家二等三角测量方法施测[7]。监测频次为：变载期间1次/d；恒载期间1次/周。

图2 位移监测点位分布图Fig.2 Location of displacement monitoring points

2 隧道监测施工环境影响分析

沉管隧道施工期沉降位移变形监测从管节安装初始姿态贯通测量开始，在隧道竣工验收完成后结束，期间管内沉降位移监测要经历管节覆盖回填、压载水箱拆除、钢封门及舾装件切割、压舱混凝土浇筑、附属设施及路面铺设等多道施工工序，监测过程所处的施工环境不尽相同，如温度、气压、湿度、风力、光照、大气折光及烟雾等因素会给监测结果造成影响。尤其对于超长沉管隧道，压载水箱存储水引起的湿度影响、钢封门及舾装件切割产生的浓烟影响、压舱混凝土浇筑带来的粉尘影响等，多种不利环境影响因素长期并存且随着工序交叉波动变化大，由于隧道内空气流通差，浓烟夹杂着水雾在隧道内弥漫，产生了复杂的折光影响，使得监测误差增大。

总结发现，采用水准仪和全站仪在上述施工环境中进行沉降位移变形监测，监测值中增加了含有粗差和系统误差的可能性。在空气流通差的管段进行水平位移变形监测，监测点的位移量在±5 mm范围内变动，呈现全站仪距离监测点越远，跳动幅度越大，已远超出仪器的观测误差。处于恒载期稳定的管节，在烟雾弥漫条件下进行沉降监测，监测结果精度不稳定，呈现幅度约为±3 mm的无规律变化。

3 影响监测精度关键因素及应对研究

3.1 管节位移监测结果变动幅度大问题

管节沉放对接完成后，在相邻已安管节内的导线点上设站及后视，通过中廊道狭窄贯通人孔门监测新沉放管节位移情况。在钢封门拆除前，相邻管节之间空气只能通过贯通人孔门流通，空气流通性差会直接影响管节位移监测精度。

特别是在管节管顶回填施工及恶劣天气过境期间，由于空气流通性差导致监测数据波动幅度较大，监测数据可靠与否给现场施工安全管控带来了很大的压力。研究应对措施为：

1）加强空气流通。管节位移初始值是监测分析研判管节稳定性的基准，必须要保证初始值采集成果准确与可靠。新沉管节沉放对接完成后，首先应及时向新沉管节送风，彻底使新沉管节与已安管节空气流通后方可进行位移监测初始值采集，这样不仅可以保证位移监测初始值的准确与可靠，而且可以有效稳定管节历次位移监测精度。日常位移监测工作要注意避开烟雾大的时间段。

2）预防管内施工干扰。监测点布设要防止墙体旁折光对测量精度的影响，应将位移监测标距离墙体25 cm以上布设，如图3所示。为防止监测标脱落导致监测数据的不连续，混凝土墙体宜采用钻孔埋设，钢壳墙体宜采用焊接布设。每个管节监测前先进行监测点位稳定性与可靠性检查。

图3 位移观测标断面布置图Fig.3 Section layout of displacement observation mark

3）选择适用的监测方法。选择以管节中心线为坐标系原点，采用基准线法建立与管节中心线重合的监测坐标系，X轴与管节中心线重合[8]，不仅便于及时发现监测数据异常问题，而且避免因管节之间张合量变化引起的管节轴线变化，提高监测工作效率。考虑监测本身误差因素的影响，对满足测回间互差≤2 mm的多个测回结果取平均值作为最终结果，提升监测成果的可靠性。

4）加强仪器设备维检。沉管隧道内湿度大，空气中的水分子多，全站仪在湿度大的环境内使用，会对全站仪长距离测距的数值产生影响，测量误差会增大。平日应加强仪器设备的维检，发现数据异常首先进行全站仪轴系检校。在管节位移监测初始数据采集前，必须对全站仪轴系进行检查。

3.2 管节沉降监测数据异常回弹问题

在管节顶部回填与管内压载水箱拆除施工工序转换过程中，会根据设计具体指令实施管节压载水箱拆除工作，在水箱拆除过程中监测管节经常出现小幅度回弹现象，很多时候超出了设计要求的回弹稳定标准。同时监测发现已达到稳定状态的管节在雨后易出现小幅度回弹现象。

当管节达到稳定状态变形量很小时，甚至与监测精度处在同一量级，要从含有误差的监测值中分离出变形信息工作尤为困难。研究应对措施为：

1）建立稳定可靠的测量基准。由于人工岛体长期处于沉降位移不稳定状态，在暗埋段结构基础施工时，可以单独打设PHC嵌岩布设基准点。另外人工岛上一般会专门规划设计工程运营永久健康监测平台，可以通过设计服务函形式提前建设，利用该平台布设基准点。工作基点要布设在基础稳定的结构物上，做到能够长期保存和利用。当采用金属标志布设基准点和工作基点时，严禁在太阳下暴晒，防止基准点热胀冷缩本身发生形变误差对沉降监测精度产生影响。

2）固定监测线路。水准环线要分段进行监测，如图4所示。结合管节沉降监测效率与经验，每个管节长度按照180 m计算，宜每5个管节划分一个测段，测段与测段连接点应选择在长周期监测沉降稳定的管节。同时每测段及相邻测段的监测要有连续性，且要保证在同一个时间段内完成，防止监测点沉降或环境变化对监测精度影响。在不同周期的重复监测中，仪器应架设在同一位置上，以削弱系统误差的影响。

图4 沉降监测线路图Fig.4 Settlement Monitoring routing diagram

3）稳定监测时间段。除遇见不可抗拒因素干扰时，不同周期的重复监测应控制在相同的监测时间段内完成，且监测时间不宜过长。监测工作开展前先进行隧道内通风，尽量选择在施工干扰较小的夜间或凌晨外界条件相近时进行监测，最大限度地降低外界条件对监测数据的影响。

4）加强监测数据可靠性检核。沉管隧道沉降变形监测工作的精度保障要结合外界条件影响，在数据处理之前要进行监测数据筛选，以保证结果的正确性。当管节水箱拆除和下雨天监测管节出现回弹现象时，一方面进行监测内业数据复核检查和增加外业监测频次的复测，排除测量粗差影响，另一方面可以通过跟踪监测现场海水密度变化，作为评估监测数据可靠性的辅助手段。

4 结语

针对超长沉管隧道沉降位移监测复杂施工环境影响，本文结合沉管隧道施工特点，通过优化监测线路、管内通风降尘、合理选取监测时段等应对措施，有效地降低特殊施工环境下沉降位移监测的误差影响，沉降监测误差控制在1 mm之内，位移监测误差控制在2 mm之内，稳定了沉管隧道施工期间的沉降和位移监测精度，表明相关措施有效可靠。