港珠澳大橋沉管安裝線形控制管理技術(shù)研究及應(yīng)用

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋東連香港，西接珠海、澳門，集橋、島、隧為一體，是世界級(jí)跨海通道。島隧工程起于伶仃洋粵港分界線，沿23DY錨地北側(cè)向西，穿越珠江口銅鼓航道、伶仃西航道，止于西人工島結(jié)合部非通航孔橋西端，全長(zhǎng)7 440.546 m。其中隧道沉管段全長(zhǎng)5 664 m，屬于外海超長(zhǎng)沉管隧道，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。

隧道沉管段由33個(gè)管節(jié)組成，穿越銅鼓航道和伶仃西航道。隧道東端1 311.362 m位于R=5 500 m平曲線上，其余部分均為直線。其中E1—E28管節(jié)位于直線段，E29管節(jié)從K7+717.362至東人工島結(jié)合部位于曲線段，最終接頭位于E29、E30管節(jié)中間。

1 線形管理目標(biāo)

港珠澳大橋沉管為工廠法預(yù)制，采用兩孔一管廊結(jié)構(gòu)，高度11.4 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度180 m，曲線管節(jié)采用中心線長(zhǎng)度為22.5 m的直線楔形節(jié)段擬合組成。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)分為8個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段一次性澆筑，管節(jié)預(yù)制完成后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉完成后進(jìn)行管節(jié)標(biāo)定，完成管節(jié)各部分外觀參數(shù)及測(cè)量特征點(diǎn)的測(cè)定[1]。

管節(jié)兩端設(shè)計(jì)有端鋼殼，管節(jié)首端設(shè)計(jì)有GINA止水帶。在實(shí)際預(yù)制過程中，無法保證管節(jié)的外形參數(shù)同設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)完全一致，其偏差可能對(duì)安裝結(jié)果造成影響。在實(shí)際安裝過程中，受人員、設(shè)備、定位手段，以及風(fēng)、浪、流等客觀因素影響，沉管安裝實(shí)際到達(dá)的空間位置會(huì)偏離設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)，導(dǎo)致隧道線形無法與設(shè)計(jì)要求相吻合[2]。

橋梁線形施工控制包括：1）橋梁的平面線形施工控制，主要是橋梁橫橋方向的軸線控制，盡可能地減小其軸線偏差；2）豎向線形控制，主要是橋梁的各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高控制。借鑒橋梁施工線形控制理論，引入沉管隧道線形管理，目標(biāo)在于根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)量成果，評(píng)估已知因素對(duì)后續(xù)隧道線形的影響，制定隧道線形調(diào)控目標(biāo)，使沉管隧道線形整體平穩(wěn)受控[3]。本文主要針對(duì)的是沉管隧道平面線形控制。

2 沉管隧道線形控制流程

沉管隧道線形控制的主要流程為：

1）進(jìn)行待安管節(jié)的標(biāo)定。

2）測(cè)定已安管節(jié)的偏位情況。

3）進(jìn)行GINA均勻壓縮的情況下管節(jié)線形的模擬計(jì)算。

4）根據(jù)預(yù)測(cè)的各管節(jié)尾端橫向偏位、角度偏位情況設(shè)計(jì)多種調(diào)整方案，根據(jù)評(píng)估選出最優(yōu)方案用于指導(dǎo)施工。

5）根據(jù)沉管實(shí)際安裝結(jié)果進(jìn)行后續(xù)管節(jié)調(diào)控方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 線形影響要素分析

3.1 預(yù)制因素分析

在管節(jié)預(yù)制張拉完成后，管節(jié)實(shí)際長(zhǎng)度、端面偏角與設(shè)計(jì)值均會(huì)產(chǎn)生偏差，管節(jié)預(yù)制角度偏差見圖1。

圖1 管節(jié)預(yù)制角度偏差示意圖Fig.1 Diagram of precast angle deviation of tube section

以管節(jié)首尾中心點(diǎn)連線作為管節(jié)軸線，管節(jié)端面與管節(jié)軸線的夾角為茁，則實(shí)際管節(jié)端面與管節(jié)軸線存在夾角茲，其中以端鋼殼在設(shè)計(jì)端面逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)值（對(duì)應(yīng)茲1），以端鋼殼在設(shè)計(jì)端面順時(shí)針方向?yàn)檎担▽?duì)應(yīng)茲2），在實(shí)際施工中，管節(jié)端面與管節(jié)軸線夾角茲較小，普遍在0毅耀依0.01毅之間，管節(jié)張拉后長(zhǎng)度偏差普遍在依3 cm以內(nèi)。

3.2 受力作用分析

受預(yù)應(yīng)力作用，管節(jié)在安裝時(shí)橫向無明顯變形發(fā)生，因此管節(jié)首尾端面與管節(jié)軸線的相對(duì)關(guān)系同標(biāo)定時(shí)基本保持不變。

在管節(jié)安裝時(shí)，沉管在水平方向上主要受到4個(gè)作用力：

1）管節(jié)底部受到的基床摩擦力的水平分量；

2）水壓力；

3）已安管節(jié)對(duì)接端端鋼殼的反作用力；

4）管節(jié)各纜系對(duì)管節(jié)的合成拉力。

在管節(jié)對(duì)稱受力的情況下，結(jié)合腔GINA呈現(xiàn)均勻壓縮，在管節(jié)受力不平衡時(shí)，待安管節(jié)兩側(cè)GINA呈現(xiàn)不均勻壓縮狀態(tài)，以保證管節(jié)受力平衡。管節(jié)安裝過程中線形調(diào)整的本質(zhì)是通過力的作用改變管節(jié)的目標(biāo)位置，管節(jié)安裝完成后管節(jié)體內(nèi)精調(diào)的本質(zhì)是通過力的作用使管節(jié)發(fā)生位移以到達(dá)目標(biāo)位置，兩種方法都會(huì)使結(jié)合腔呈現(xiàn)不均勻壓縮的情況，因此，通過結(jié)合腔不均勻壓縮可以實(shí)現(xiàn)管節(jié)尾端偏差的調(diào)控，以及管節(jié)尾端偏角的預(yù)控[2]。

3.3 測(cè)控影響要素分析

沉管安裝期間的管節(jié)姿態(tài)測(cè)量主要由深水測(cè)控系統(tǒng)、測(cè)量塔測(cè)控系統(tǒng)等測(cè)定，沉管安裝偏差成果由管內(nèi)貫通測(cè)量測(cè)定，因此沉管線形的測(cè)定主要受洞內(nèi)貫通測(cè)量手段的精度限制。

管內(nèi)貫通測(cè)量主要依靠沉管隧道進(jìn)洞導(dǎo)線測(cè)量成果進(jìn)行放樣測(cè)量，其誤差來源主要為導(dǎo)線測(cè)量誤差。

針對(duì)至E28管節(jié)進(jìn)洞導(dǎo)線測(cè)量方案，起算點(diǎn)按照X坐標(biāo)精度5 mm，進(jìn)洞邊方位角精度1義計(jì)算；導(dǎo)線網(wǎng)按照測(cè)角精度1義，測(cè)距精度1 mm依10-6D（D為測(cè)距）計(jì)算[4]。COSA軟件進(jìn)行控制網(wǎng)整網(wǎng)的模擬計(jì)算分析E28管節(jié)貫通測(cè)量中誤差依3.6 cm。

洞內(nèi)網(wǎng)形見圖2。

圖2 洞內(nèi)網(wǎng)形圖Fig.2 Net shape figure in a hole

4 線形預(yù)估的方法

4.1 方法研究

線形預(yù)估有兩種方法：一種是基于CAD的幾何拼接法，另一種是基于EXCEL的線形計(jì)算法。

基于CAD的幾何拼接法：主要是在CAD中按照1頤1比例畫出各管節(jié)平面圖，管節(jié)各部位長(zhǎng)度、角度均按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制，平移旋轉(zhuǎn)各管節(jié)進(jìn)行模擬安裝及調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是容易理解、操作簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)是CAD操作能力要求高、偏差顯示不明顯、即時(shí)計(jì)算耗時(shí)多。

基于EXCEL的線形計(jì)算法：主要是根據(jù)各管節(jié)實(shí)測(cè)長(zhǎng)度、端面偏角等相關(guān)數(shù)據(jù)，按照幾何原理在EXCEL中進(jìn)行管節(jié)模擬安裝及調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是可形成固定計(jì)算模板，所有參數(shù)以數(shù)字顯示簡(jiǎn)潔直觀，即時(shí)計(jì)算快速高效，EXCEL軟件操作簡(jiǎn)單用戶人群廣。缺點(diǎn)是對(duì)空間想象能力要求高、計(jì)算模板編制復(fù)雜易出錯(cuò)，無圖形顯示。

4.2 數(shù)據(jù)采集

1）管節(jié)端面數(shù)據(jù)采集

為準(zhǔn)確得到管節(jié)端面空間姿態(tài)和管節(jié)端面與管節(jié)實(shí)際軸線的關(guān)系，在管節(jié)預(yù)制、張拉完成后，測(cè)量管節(jié)端鋼殼空間姿態(tài)，運(yùn)用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)得的端鋼殼三維坐標(biāo)進(jìn)行擬合[5]。

在端鋼殼上以反射片的形式布置96個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)位于GINA止水帶理論壓接中心線上。使用全站儀在預(yù)制坐標(biāo)系和1985高程基準(zhǔn)下對(duì)端鋼殼上的測(cè)點(diǎn)和特征點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，再根據(jù)端面特征點(diǎn)確定出管節(jié)的實(shí)際軸線，最后將預(yù)制坐標(biāo)系下測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換至管節(jié)坐標(biāo)系下[6]。

2）安裝定位數(shù)據(jù)采集

沉管安裝定位數(shù)據(jù)分別采用以貫通測(cè)量法為主，雙測(cè)量塔法和人孔投點(diǎn)法為輔的3種測(cè)量方法采集，確保參數(shù)可靠、測(cè)控管理有效可控。

4.3 基于EXCEL的線形計(jì)算程序設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，可利用工程測(cè)量中的支導(dǎo)線原理進(jìn)行沉管隧道線形的預(yù)估。支導(dǎo)線是由已知控制點(diǎn)出發(fā)，不附合、不閉合于任何已知點(diǎn)的導(dǎo)線[7]。

將支導(dǎo)線計(jì)算原理應(yīng)用于沉管隧道線形計(jì)算，通過管節(jié)軸線、結(jié)合腔軸線進(jìn)行端面中心點(diǎn)坐標(biāo)傳遞，實(shí)現(xiàn)管節(jié)偏差計(jì)算。具體做法為：將已安裝管節(jié)首、尾端中心點(diǎn)坐標(biāo)作為已知控制點(diǎn)，按幾何原理計(jì)算結(jié)合腔軸線與管節(jié)軸線之間夾角，按照支導(dǎo)線計(jì)算步驟計(jì)算各接頭點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算難點(diǎn)在于厘清各偏角的關(guān)系，準(zhǔn)確進(jìn)行方位角傳遞。

4.4 利用AutoCAD實(shí)際放樣

利用AutoCAD強(qiáng)大的繪圖功能可以進(jìn)行沉管1頤1模型的繪制，首先把每根沉管的設(shè)計(jì)形狀展繪在AutoCAD圖上，然后根據(jù)沉管實(shí)際標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行沉管設(shè)計(jì)形狀的微調(diào)，最后結(jié)合已安沉管的位置及姿態(tài)進(jìn)行待安沉管的模擬拼接。

5 線形調(diào)控

5.1 自然壓接線形預(yù)估

假定對(duì)接端面無錯(cuò)牙，當(dāng)前E24管節(jié)橫向絕對(duì)偏差首端偏北41.5 mm，尾端偏北42.3 mm，對(duì)后續(xù)管節(jié)自然壓接后偏差進(jìn)行擬合計(jì)算，見表1。

表1 管節(jié)預(yù)制端鋼殼水平偏角與管節(jié)自然壓接尾端偏差預(yù)估Table 1 Prediction of the deviation between the horizontal deflection angle of the steel shell and the natural joint end of the tube section

從表1中可以看出E26管節(jié)尾端偏角較大是影響E25—E28管節(jié)線形調(diào)整的難點(diǎn)，且E27、E28管節(jié)首、尾端鋼殼偏角均為加劇沉管軸線偏南的趨勢(shì)。

5.2 線形調(diào)控措施

根據(jù)目前沉管安裝施工工藝，主要可以通過控制管節(jié)對(duì)接端橫向錯(cuò)牙、控制對(duì)接端面夾角兩種方式來實(shí)現(xiàn)管節(jié)線形調(diào)整。其中控制對(duì)接端面交角主要通過尾端纜繩控制或者管節(jié)體內(nèi)精調(diào)來實(shí)現(xiàn)[8]。

5.3 線形調(diào)整原則

將E25—E28管節(jié)安裝線形調(diào)整的原則設(shè)定為：保證E28管節(jié)尾端端鋼殼橫向絕對(duì)偏差為0，方位角為0毅，該原則設(shè)定的理由主要有：

1）理想狀況下該狀態(tài)可滿足E29管節(jié)及最終接頭的安裝需求。

2）E29尚未預(yù)制完成，端鋼殼水平偏角情況存在不確定性，且無經(jīng)驗(yàn)值可參考。

3）E30—E33管節(jié)尚未進(jìn)行安裝，且東島端鋼殼無明顯軸線偏差。

5.4 線形調(diào)控的預(yù)案設(shè)計(jì)

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)及常規(guī)預(yù)制廠功能設(shè)計(jì)，一般塢內(nèi)存放的管節(jié)不超過4節(jié)，因此線形預(yù)估可基于4節(jié)管節(jié)進(jìn)行模擬安裝調(diào)控[9]。根據(jù)計(jì)算，各管節(jié)自然壓接的情況下E28管節(jié)小樁號(hào)端端鋼殼方位角為0.033 77毅。尾端纜繩控制管節(jié)尾端偏差將導(dǎo)致相鄰管節(jié)對(duì)接端端面產(chǎn)生夾角，與管節(jié)體內(nèi)精調(diào)的幾何原理一致，因此圍繞偏角調(diào)節(jié)進(jìn)行線形調(diào)整預(yù)案設(shè)計(jì)。

模擬對(duì)中安裝的狀況下，將0.033 77毅按照不同的比例分配到各個(gè)結(jié)合腔，并進(jìn)行各管節(jié)尾端偏差預(yù)估。共設(shè)計(jì)了15種不同的角度調(diào)整預(yù)案，預(yù)案分類及管節(jié)尾端橫向絕對(duì)偏差預(yù)估統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 預(yù)案分類及管節(jié)尾端橫向絕對(duì)偏差預(yù)估Table 2 Classification of plans and prediction of transverse absolute deviations at end of tube

從15種預(yù)案中篩選出3種較平穩(wěn)的預(yù)案，分別為預(yù)案6、預(yù)案12、預(yù)案15。預(yù)案優(yōu)缺點(diǎn)分析見表3。

上述3種方案E28管節(jié)尾端偏差預(yù)估結(jié)果均小于10 mm，大大小于E28管節(jié)貫通測(cè)量中誤差，且E28管節(jié)尾端端鋼殼方位角為0毅，因此可認(rèn)為該3種方案均符合線形調(diào)整原則。經(jīng)過比選后，采用了預(yù)案6用于指導(dǎo)E25管節(jié)的安裝。

表3 優(yōu)選預(yù)案優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 3 Advantages and disadvantages analysis of the preliminary plan

6 結(jié)語

在港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目，從E25管節(jié)開始了沉管隧道線形管理的專題研究，編制了相關(guān)線形控制方案，并根據(jù)管節(jié)安裝進(jìn)度實(shí)時(shí)更新，動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了管節(jié)安裝線形的優(yōu)化。自曲線段管節(jié)開始安裝以來，升級(jí)了線形預(yù)估自動(dòng)計(jì)算程序，進(jìn)一步提高計(jì)算效率，適應(yīng)不同走向、不同形態(tài)的沉管安裝，為最終接頭的對(duì)接安裝創(chuàng)造了良好的條件。

在實(shí)踐中，通過對(duì)港珠澳大橋沉管隧道全線路線形數(shù)據(jù)的總結(jié)，為后續(xù)沉管工程的線形控制深入研究提供了數(shù)據(jù)和工具。