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7 440.546 m.其中隧道沉管段全長5 664 m,屬于外海超長沉管隧道，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)長度180 m,曲線管節(jié)采用中心線長度為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個節(jié)段，每個節(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)及測量特征點(diǎn)的測定[1].

　　管節(jié)兩端設(shè)計有端鋼殼，管節(jié)首端設(shè)計有GINA止水帶。在實際預(yù)制過程中，無法保證管節(jié)的外形參數(shù)同設(shè)計的理想狀態(tài)完全一致，其偏差可能對安裝結(jié)果造成影響。在實際安裝過程中，受人員、設(shè)備、定位手段，以及風(fēng)、浪、流等客觀因素影響，沉管安裝實際到達(dá)的空間位置會偏離設(shè)計的理想狀態(tài)，導(dǎo)致隧道線形無法與設(shè)計要求相吻合[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)有的測量成果，評估已知因素對后續(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)線形的模擬計算。

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

　　5)根據(jù)沉管實際安裝結(jié)果進(jìn)行后續(xù)管節(jié)調(diào)控方案的動態(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)實際長度、端面偏角與設(shè)計值均會產(chǎn)生偏差，管節(jié)預(yù)制角度偏差見圖1.

　　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β，則實際管節(jié)端面與管節(jié)軸線存在夾角θ，其中以端鋼殼在設(shè)計端面逆時針方向為負(fù)值(對應(yīng)θ1)，以端鋼殼在設(shè)計端面順時針方向為正值(對應(yīng)θ2)，在實際施工中，管節(jié)端面與管節(jié)軸線夾角θ較小，普遍在0°~±0.01°之間，管節(jié)張拉后長度偏差普遍在±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)軸線的相對關(guān)系同標(biāo)定時基本保持不變。

　　在管節(jié)安裝時，沉管在水平方向上主要受到4個作用力：

　　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)對接端端鋼殼的反作用力;

　　4)管節(jié)各纜系對管節(jié)的合成拉力。

　　在管節(jié)對稱受力的情況下，結(jié)合腔GINA呈現(xiàn)均勻壓縮，在管節(jié)受力不平衡時，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 測控影響要素分析

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

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

　　針對至E28管節(jié)進(jìn)洞導(dǎo)線測量方案，起算點(diǎn)按照X坐標(biāo)精度5 mm,進(jìn)洞邊方位角精度1″計算;導(dǎo)線網(wǎng)按照測角精度1″，測距精度1 mm±10-6D(D為測距)計算[4].COSA軟件進(jìn)行控制網(wǎng)整網(wǎng)的模擬計算分析E28管節(jié)貫通測量中誤差±3.6 cm.

　　洞內(nèi)網(wǎng)形見圖2.

　　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的線形計算法。

　　基于CAD的幾何拼接法：主要是在CAD中按照1∶1比例畫出各管節(jié)平面圖，管節(jié)各部位長度、角度均按照實測數(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、操作簡便。缺點(diǎn)是CAD操作能力要求高、偏差顯示不明顯、即時計算耗時多。

　　基于EXCEL的線形計算法：主要是根據(jù)各管節(jié)實測長度、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)是可形成固定計算模板，所有參數(shù)以數(shù)字顯示簡潔直觀，即時計算快速高效，EXCEL軟件操作簡單用戶人群廣。缺點(diǎn)是對空間想象能力要求高、計算模板編制復(fù)雜易出錯，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)實際軸線的關(guān)系，在管節(jié)預(yù)制、張拉完成后，測量管節(jié)端鋼殼空間姿態(tài)，運(yùn)用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對測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個測點(diǎn)進(jìn)行觀測，測點(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)下對端鋼殼上的測點(diǎn)和特征點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，再根據(jù)端面特征點(diǎn)確定出管節(jié)的實際軸線，最后將預(yù)制坐標(biāo)系下測量結(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)分別采用以貫通測量法為主，雙測量塔法和人孔投點(diǎn)法為輔的3種測量方法采集，確保參數(shù)可靠、測控管理有效可控。

　　4.3 基于EXCEL的線形計算程序設(shè)計

　　研究發(fā)現(xiàn)，可利用工程測量中的支導(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)線計算原理應(yīng)用于沉管隧道線形計算，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，實現(xiàn)管節(jié)偏差計算。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)，按幾何原理計算結(jié)合腔軸線與管節(jié)軸線之間夾角，按照支導(dǎo)線計算步驟計算各接頭點(diǎn)坐標(biāo)。計算難點(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Auto CAD實際放樣

　　利用Auto CAD強(qiáng)大的繪圖功能可以進(jìn)行沉管1∶1模型的繪制，首先把每根沉管的設(shè)計形狀展繪在Auto CAD圖上，然后根據(jù)沉管實際標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行沉管設(shè)計形狀的微調(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

　　假定對接端面無錯牙，當(dāng)前E24管節(jié)橫向絕對偏差首端偏北41.5 mm,尾端偏北42.3 mm,對后續(xù)管節(jié)自然壓接后偏差進(jìn)行擬合計算，見表1.

　　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。

　　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)對接端橫向錯牙、控制對接端面夾角兩種方式來實現(xiàn)管節(jié)線形調(diào)整。其中控制對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偏差為0,方位角為0°，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

　　根據(jù)施工經(jīng)驗及常規(guī)預(yù)制廠功能設(shè)計，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)計算，各管節(jié)自然壓接的情況下E28管節(jié)小樁號端端鋼殼方位角為0.033 77°。尾端纜繩控制管節(jié)尾端偏差將導(dǎo)致相鄰管節(jié)對接端端面產(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。

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

　　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)貫通測量中誤差，且E28管節(jié)尾端端鋼殼方位角為0°，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。

　　6 結(jié)語

　　在港珠澳大橋島隧工程項目，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)度實時更新，動態(tài)調(diào)整，實現(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，升級了線形預(yù)估自動計算程序，進(jìn)一步提高計算效率，適應(yīng)不同走向、不同形態(tài)的沉管安裝，為最終接頭的對接安裝創(chuàng)造了良好的條件。

　　在實踐中，通過對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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]向劍，劉經(jīng)國，蘇懷平沉管管節(jié)端鋼殼制造及安裝工藝[J]中國港灣建設(shè)，2014,34(8)：54- 56.XIANG Jian, LIU Jing-guo, SU Huai-ping. Manufacturing and installation technology for the bulkhead of immersed tube elements[J]. China Harbour Engineering, 2014, 34(8)：54-56.

　　[2]林巍，劉曉東。沉管隧道曲線段管節(jié)水力壓接GINA不均勻壓縮分析[J]中國港灣建設(shè)， 2016,36(4)：51-53,76.LIN Wei, LIU Xiao-dong. Analysisof GINA uneven compression during hydraulic connection of immersed tunnel element at curved plane design line[J]. China Harbour Engineering, 2016, 36(4)：51-53, 76.

　　《港珠澳大橋沉管安裝線形控制管理技術(shù)研究及應(yīng)用》來源：《中國港灣建設(shè)》，作者：成益品

---

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/kejilw/gonglugongchenglw/73216.html