海底隧道沉管預制端鋼殼檢測技術

賈旭，王濤，孫陽陽

（1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100120；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.天津市水下隧道建設與運維技術企業(yè)重點實驗室，天津 300461）

0 引言

中國公路交通的快速發(fā)展，有效地緩解了交通運輸?shù)木o張狀況，帶動經(jīng)濟發(fā)展，提升和彰顯了國家的綜合實力。隨著港珠澳大橋[1]的建成通車，隧道沉管法[2]被廣泛地應用到國內的大型道路工程中，如深中通道[3-4]、大連灣海底隧道[5]等。沉管預制需要對管節(jié)首尾端端鋼殼豎向傾斜度、橫向垂直度和端面平整度進行嚴格把控，這關系到止水帶壓接的止水效果和沉管安裝軸線偏差量，影響著沉管能否順利安裝。

現(xiàn)行沉管檢測技術數(shù)據(jù)后處理時間長，不能直觀地展示端鋼殼預制超限偏差點位位置，導致沉管預制周期變長。本文將基于現(xiàn)有的沉管檢測技術進行深入分析，引入最小二乘法多元線性回歸方法，研發(fā)一套實時性可視化的沉管管節(jié)檢測軟件，從而對沉管預制端鋼殼檢測做到實時性和可視化，能立即對端鋼殼超限位置進行調整，縮短沉管檢測周期，提高檢測效率，縮短沉管預制工期。

1 沉管檢測技術對比分析

現(xiàn)行沉管預制端鋼殼檢測方法有2種，一是利用美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件Matrix Laboratory軟件（簡稱MATLAB）庫函數(shù)調用后處理法[6-7]；二是高精度全站儀假設坐標系后處理法。2種方法的不足之處如表1所示。

表1 現(xiàn)行沉管管節(jié)檢測技術不足之處Table 1 Insufficiency of current immersed tube element detection technology

本文利用高精度全站儀外業(yè)測量沉管管節(jié)端面上固定間距的點信息，基于最小二乘法多元線性回歸擬合一個平面，求得平面函數(shù)。該函數(shù)能較好地擬合出真實沉管管節(jié)端鋼殼端面，趨近等同于沉管管節(jié)設計端鋼殼端面外形，然后利用點到面距離公式，嚴格求得每個測量點的偏差值，同時利用三角函數(shù)關系求得沉管管節(jié)端面豎向傾斜度和橫向垂直度，經(jīng)過嚴密的數(shù)學公式推導計算出檢測結果，更具有可靠性。

為使端鋼殼數(shù)據(jù)處理達到實時可視化檢測，利用Python編程語言編寫核心代碼，利用PyQt編程語言制作可視化界面，最終集合沉管管節(jié)外形尺寸及端面平整度檢測軟件。該軟件對計算機配置要求低，無需安裝其他軟件，全部依賴文件已經(jīng)集成到運行文件中，且無需人工手動整理數(shù)據(jù)，只需將高精度全站儀外業(yè)測量所得原始數(shù)據(jù)導入到軟件中，一鍵化處理數(shù)據(jù)，同時計算結果將展示到界面，并對超限位置進行提示。此方法大大減少沉管管節(jié)檢測時間、出錯概率，做到了檢查結果可視化，確保檢測質量，縮短工期。

2 沉管管節(jié)檢測軟件研發(fā)

海底隧道建設工程施工及質量驗收標準中對管節(jié)端鋼殼面板平整度、橫向垂直度和豎向傾斜度檢查要求[8]如表2所示。

表2 管節(jié)端鋼殼幾何及平整度要求Table 2 Geometry and flatness requirements for the end steel shell of element

為達到沉管隧道檢查要求，并做到計算的可靠性和數(shù)據(jù)處理的實時性，首先利用高精度全站儀采用極坐標法外業(yè)測量沉管管節(jié)端面每隔1 m間距徠卡反射片，如圖1所示，測得每個測點位置的三維坐標數(shù)據(jù)。

圖1 端鋼殼反光貼位置布點示意圖（mm）Flg.1 Schematic diagram of the location of the reflective stickers on the end steel shell（mm)

將測得數(shù)據(jù)利用最小二乘法多元線性回歸擬合一個平面，求得平面函數(shù)如公式（1）：

利用點到面的距離公式（2），嚴格求得每個測量點的偏差值。

利用三角函數(shù)關系求得豎向傾斜度和橫向垂直度，豎向傾斜度如公式（3）所示，橫向垂直度如公式（4）所示：

式中：A=b（2）；B=b（3）；C=-1；D=b（1）。

利用Python進行軟件主函數(shù)編寫，利用PyQt制作可視化界面。

如果檢查結果超出限差要求，不合格數(shù)據(jù)將會顯示至軟件界面中，同時也會將不合格部位點號、坐標及偏差值顯示至界面，同時會自動生成檢查報告。

3 工程應用

大連灣海底隧道建設工程共有18根管節(jié)，采用節(jié)段式構造工藝，每個管節(jié)首尾兩端分別設置A、B型端鋼殼[9]。端鋼殼與管節(jié)采用全斷面混凝土一次性整體澆筑成型，節(jié)段跳段澆筑，為安裝GINA止水帶和OMEGA止水帶而設置，是管節(jié)重要的永久性鋼構件之一。端鋼殼設計尺寸為600 mm×280 mm，主要由端部面板、翼緣板、加勁板及連接焊釘組成。整個端鋼殼斷面寬度33.4 m，高度9.7 m，呈環(huán)形[9]。

在大連灣海底隧道建設工程沉管預制過程中，現(xiàn)場施工嚴格按照表2管節(jié)端鋼殼面板平整度、橫向垂直度和豎向傾斜度檢查要求對每一根沉管首尾端的端鋼殼進行檢測，具體檢測流程如圖2所示。

圖2 端鋼殼檢測流程圖Fig.2 Flow chart of end steel shell detection

在大連城建坐標系下通過高精度全站儀對某一根管節(jié)首尾端端面反射片進行外業(yè)測量，通過沉管管節(jié)外形尺寸及端面傾角平整度檢測軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理。沉管管節(jié)首尾端鋼殼平整度偏差值都未超過5 mm，對其結果偏差進行統(tǒng)計，如圖3所示，滿足表2管節(jié)端鋼殼幾何及平整度要求中面板平整度偏差值≤5 mm的檢測要求。檢測結果如軟件界面所示，見圖4。

圖3 首尾端鋼殼面板平整度偏差統(tǒng)計圖Fig.3 Statistical diagram of flatness deviation of fore and aft end steel shell panel

圖4 首尾端鋼殼面板檢測結果圖Fig.4 Detection results of fore and aft end steel shell panel

通過軟件自動生成的管節(jié)首端端鋼殼面板檢測報告，對其結果進行分析，如表3所示。

表3 首尾端鋼殼面板平整度分析數(shù)據(jù)表Table 3 Flatness analysis data of fore and aft end steel shell panel

本次檢測端鋼殼面板平整度總點數(shù)首尾端各82個，首尾端平整度最大值和最小值滿足±5 mm限差要求，合格率100%。豎向傾斜度和橫向垂直度滿足限差±3 mm要求。檢查擬合面R2值，若R2明顯小于1，則本次擬合無效，需要修正，分析原因是擬合平面太接近垂直面，需要將數(shù)據(jù)整體旋轉一個角度重新計算。首端端鋼殼擬合結果R2=0.99192，尾端端鋼殼擬合結果R2=0.99151，符合擬合面R2值要求。

4 結語

隨著沉管隧道法在大型海底隧道工程中的廣泛應用，沉管端鋼殼面板的豎向傾斜度、橫向垂直度和端面平整度是否達到設計值，直接關系到沉管安裝后止水帶壓接的止水效果和沉管安裝軸線偏差量，對沉管的順利安裝起到至關重要的作用。本文針對現(xiàn)有沉管管節(jié)端面豎向傾斜度、橫向垂直度和端面平整度引入了一種基于最小二乘法多元線性回歸擬合平面函數(shù)的方法，該方法通過嚴密的數(shù)學公式推導計算出的檢測結果更加具有可靠性。同時給出了集成軟件Python語言的核心代碼，通過程序化加快了沉管管節(jié)端鋼殼檢測時間，提高檢測質量，縮短工期，為后續(xù)沉管安裝打下了堅實的基礎。本文以大連灣海底隧道建設工程沉管管節(jié)端鋼殼檢測為實例進行闡述分析，可為其他類似的海洋工程端鋼殼檢測提供參考。