海底隧道沉管预制端钢壳检测技术

贾旭，王涛，孙阳阳

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100120；
2.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；
3.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461）

中国公路交通的快速发展，有效地缓解了交通运输的紧张状况，带动经济发展，提升和彰显了国家的综合实力。随着港珠澳大桥[1]的建成通车，隧道沉管法[2]被广泛地应用到国内的大型道路工程中，如深中通道[3-4]、大连湾海底隧道[5]等。沉管预制需要对管节首尾端端钢壳竖向倾斜度、横向垂直度和端面平整度进行严格把控，这关系到止水带压接的止水效果和沉管安装轴线偏差量，影响着沉管能否顺利安装。

现行沉管检测技术数据后处理时间长，不能直观地展示端钢壳预制超限偏差点位位置，导致沉管预制周期变长。本文将基于现有的沉管检测技术进行深入分析，引入最小二乘法多元线性回归方法，研发一套实时性可视化的沉管管节检测软件，从而对沉管预制端钢壳检测做到实时性和可视化，能立即对端钢壳超限位置进行调整，缩短沉管检测周期，提高检测效率，缩短沉管预制工期。

现行沉管预制端钢壳检测方法有2种，一是利用美国MathWorks公司出品的商业数学软件Matrix Laboratory软件（简称MATLAB）库函数调用后处理法[6-7]；
二是高精度全站仪假设坐标系后处理法。2种方法的不足之处如表1所示。

表1 现行沉管管节检测技术不足之处Table 1 Insufficiency of current immersed tube element detection technology

本文利用高精度全站仪外业测量沉管管节端面上固定间距的点信息，基于最小二乘法多元线性回归拟合一个平面，求得平面函数。该函数能较好地拟合出真实沉管管节端钢壳端面，趋近等同于沉管管节设计端钢壳端面外形，然后利用点到面距离公式，严格求得每个测量点的偏差值，同时利用三角函数关系求得沉管管节端面竖向倾斜度和横向垂直度，经过严密的数学公式推导计算出检测结果，更具有可靠性。

为使端钢壳数据处理达到实时可视化检测，利用Python编程语言编写核心代码，利用PyQt编程语言制作可视化界面，最终集合沉管管节外形尺寸及端面平整度检测软件。该软件对计算机配置要求低，无需安装其他软件，全部依赖文件已经集成到运行文件中，且无需人工手动整理数据，只需将高精度全站仪外业测量所得原始数据导入到软件中，一键化处理数据，同时计算结果将展示到界面，并对超限位置进行提示。此方法大大减少沉管管节检测时间、出错概率，做到了检查结果可视化，确保检测质量，缩短工期。

海底隧道建设工程施工及质量验收标准中对管节端钢壳面板平整度、横向垂直度和竖向倾斜度检查要求[8]如表2所示。

表2 管节端钢壳几何及平整度要求Table 2 Geometry and flatness requirements for the end steel shell of element

为达到沉管隧道检查要求，并做到计算的可靠性和数据处理的实时性，首先利用高精度全站仪采用极坐标法外业测量沉管管节端面每隔1 m间距徕卡反射片，如图1所示，测得每个测点位置的三维坐标数据。

图1 端钢壳反光贴位置布点示意图（mm）Flg.1 Schematic diagram of the location of the reflective stickers on the end steel shell（mm)

将测得数据利用最小二乘法多元线性回归拟合一个平面，求得平面函数如公式（1）：

利用点到面的距离公式（2），严格求得每个测量点的偏差值。

利用三角函数关系求得竖向倾斜度和横向垂直度，竖向倾斜度如公式（3）所示，横向垂直度如公式（4）所示：

式中：A=b（2）；
B=b（3）；
C=-1；
D=b（1）。

利用Python进行软件主函数编写，利用PyQt制作可视化界面。

如果检查结果超出限差要求，不合格数据将会显示至软件界面中，同时也会将不合格部位点号、坐标及偏差值显示至界面，同时会自动生成检查报告。

大连湾海底隧道建设工程共有18根管节，采用节段式构造工艺，每个管节首尾两端分别设置A、B型端钢壳[9]。端钢壳与管节采用全断面混凝土一次性整体浇筑成型，节段跳段浇筑，为安装GINA止水带和OMEGA止水带而设置，是管节重要的永久性钢构件之一。端钢壳设计尺寸为600 mm×280 mm，主要由端部面板、翼缘板、加劲板及连接焊钉组成。整个端钢壳断面宽度33.4 m，高度9.7 m，呈环形[9]。

在大连湾海底隧道建设工程沉管预制过程中，现场施工严格按照表2管节端钢壳面板平整度、横向垂直度和竖向倾斜度检查要求对每一根沉管首尾端的端钢壳进行检测，具体检测流程如图2所示。

图2 端钢壳检测流程图Fig.2 Flow chart of end steel shell detection

在大连城建坐标系下通过高精度全站仪对某一根管节首尾端端面反射片进行外业测量，通过沉管管节外形尺寸及端面倾角平整度检测软件对测量数据进行处理。沉管管节首尾端钢壳平整度偏差值都未超过5 mm，对其结果偏差进行统计，如图3所示，满足表2管节端钢壳几何及平整度要求中面板平整度偏差值≤5 mm的检测要求。检测结果如软件界面所示，见图4。

图3 首尾端钢壳面板平整度偏差统计图Fig.3 Statistical diagram of flatness deviation of fore and aft end steel shell panel

图4 首尾端钢壳面板检测结果图Fig.4 Detection results of fore and aft end steel shell panel

通过软件自动生成的管节首端端钢壳面板检测报告，对其结果进行分析，如表3所示。

表3 首尾端钢壳面板平整度分析数据表Table 3 Flatness analysis data of fore and aft end steel shell panel

本次检测端钢壳面板平整度总点数首尾端各82个，首尾端平整度最大值和最小值满足±5 mm限差要求，合格率100%。竖向倾斜度和横向垂直度满足限差±3 mm要求。检查拟合面R2值，若R2明显小于1，则本次拟合无效，需要修正，分析原因是拟合平面太接近垂直面，需要将数据整体旋转一个角度重新计算。首端端钢壳拟合结果R2=0.99192，尾端端钢壳拟合结果R2=0.99151，符合拟合面R2值要求。

随着沉管隧道法在大型海底隧道工程中的广泛应用，沉管端钢壳面板的竖向倾斜度、横向垂直度和端面平整度是否达到设计值，直接关系到沉管安装后止水带压接的止水效果和沉管安装轴线偏差量，对沉管的顺利安装起到至关重要的作用。本文针对现有沉管管节端面竖向倾斜度、横向垂直度和端面平整度引入了一种基于最小二乘法多元线性回归拟合平面函数的方法，该方法通过严密的数学公式推导计算出的检测结果更加具有可靠性。同时给出了集成软件Python语言的核心代码，通过程序化加快了沉管管节端钢壳检测时间，提高检测质量，缩短工期，为后续沉管安装打下了坚实的基础。本文以大连湾海底隧道建设工程沉管管节端钢壳检测为实例进行阐述分析，可为其他类似的海洋工程端钢壳检测提供参考。