港珠澳大橋沉管安裝線形控制管理技術研究及應用

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，是世界級跨海通道。島隧工程起于伶仃洋粵港分界線，沿23DY錨地北側向西，穿越珠江口銅鼓航道、伶仃西航道，止于西人工島結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管節位于直線段，E29管節從K7+717.362至東人工島結合部位于曲線段，最終接頭位于E29、E30管節中間。

1 線形管理目標

港珠澳大橋沉管為工廠法預制，采用兩孔一管廊結構，高度11.4 m，標準管節長度180 m，曲線管節采用中心線長度為22.5 m的直線楔形節段擬合組成。標準管節分為8個節段，每個節段一次性澆筑，管節預制完成后進行預應力張拉，張拉完成后進行管節標定，完成管節各部分外觀參數及測量特征點的測定[1]。

管節兩端設計有端鋼殼，管節首端設計有GINA止水帶。在實際預制過程中，無法保證管節的外形參數同設計的理想狀態完全一致，其偏差可能對安裝結果造成影響。在實際安裝過程中，受人員、設備、定位手段，以及風、浪、流等客觀因素影響，沉管安裝實際到達的空間位置會偏離設計的理想狀態，導致隧道線形無法與設計要求相吻合[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，主要是橋梁的各關鍵節點的標高控制。借鑒橋梁施工線形控制理論，引入沉管隧道線形管理，目標在于根據現有的測量成果，評估已知因素對后續隧道線形的影響，制定隧道線形調控目標，使沉管隧道線形整體平穩受控[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）進行待安管節的標定。

2）測定已安管節的偏位情況。

3）進行GINA均勻壓縮的情況下管節線形的模擬計算。

4）根據預測的各管節尾端橫向偏位、角度偏位情況設計多種調整方案，根據評估選出最優方案用于指導施工。

5）根據沉管實際安裝結果進行后續管節調控方案的動態調整。

3 線形影響要素分析

3.1 預制因素分析

在管節預制張拉完成后，管節實際長度、端面偏角與設計值均會產生偏差，管節預制角度偏差見圖1。

圖1 管節預制角度偏差示意圖Fig.1 Diagram of precast angle deviation of tube section

以管節首尾中心點連線作為管節軸線，管節端面與管節軸線的夾角為茁，則實際管節端面與管節軸線存在夾角茲，其中以端鋼殼在設計端面逆時針方向為負值（對應茲1），以端鋼殼在設計端面順時針方向為正值（對應茲2），在實際施工中，管節端面與管節軸線夾角茲較小，普遍在0毅耀依0.01毅之間，管節張拉后長度偏差普遍在依3 cm以內。

3.2 受力作用分析

受預應力作用，管節在安裝時橫向無明顯變形發生，因此管節首尾端面與管節軸線的相對關系同標定時基本保持不變。

在管節安裝時，沉管在水平方向上主要受到4個作用力：

1）管節底部受到的基床摩擦力的水平分量；

2）水壓力；

3）已安管節對接端端鋼殼的反作用力；

4）管節各纜系對管節的合成拉力。

在管節對稱受力的情況下，結合腔GINA呈現均勻壓縮，在管節受力不平衡時，待安管節兩側GINA呈現不均勻壓縮狀態，以保證管節受力平衡。管節安裝過程中線形調整的本質是通過力的作用改變管節的目標位置，管節安裝完成后管節體內精調的本質是通過力的作用使管節發生位移以到達目標位置，兩種方法都會使結合腔呈現不均勻壓縮的情況，因此，通過結合腔不均勻壓縮可以實現管節尾端偏差的調控，以及管節尾端偏角的預控[2]。

3.3 測控影響要素分析

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

管內貫通測量主要依靠沉管隧道進洞導線測量成果進行放樣測量，其誤差來源主要為導線測量誤差。

針對至E28管節進洞導線測量方案，起算點按照X坐標精度5 mm，進洞邊方位角精度1義計算；導線網按照測角精度1義，測距精度1 mm依10-6D（D為測距）計算[4]。COSA軟件進行控制網整網的模擬計算分析E28管節貫通測量中誤差依3.6 cm。

洞內網形見圖2。

圖2 洞內網形圖Fig.2 Net shape figure in a hole

4 線形預估的方法

4.1 方法研究

線形預估有兩種方法：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頤1比例畫出各管節平面圖，管節各部位長度、角度均按照實測數據繪制，平移旋轉各管節進行模擬安裝及調整。優點是容易理解、操作簡便。缺點是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：主要是根據各管節實測長度、端面偏角等相關數據，按照幾何原理在EXCEL中進行管節模擬安裝及調整。優點是可形成固定計算模板，所有參數以數字顯示簡潔直觀，即時計算快速高效，EXCEL軟件操作簡單用戶人群廣。缺點是對空間想象能力要求高、計算模板編制復雜易出錯，無圖形顯示。

4.2 數據采集

1）管節端面數據采集

為準確得到管節端面空間姿態和管節端面與管節實際軸線的關系，在管節預制、張拉完成后，測量管節端鋼殼空間姿態，運用Matlab數據處理軟件對測得的端鋼殼三維坐標進行擬合[5]。

在端鋼殼上以反射片的形式布置96個測點進行觀測，測點位于GINA止水帶理論壓接中心線上。使用全站儀在預制坐標系和1985高程基準下對端鋼殼上的測點和特征點進行三維坐標測量，再根據端面特征點確定出管節的實際軸線，最后將預制坐標系下測量結果轉換至管節坐標系下[6]。

2）安裝定位數據采集

沉管安裝定位數據分別采用以貫通測量法為主，雙測量塔法和人孔投點法為輔的3種測量方法采集，確保參數可靠、測控管理有效可控。

4.3 基于EXCEL的線形計算程序設計

研究發現，可利用工程測量中的支導線原理進行沉管隧道線形的預估。支導線是由已知控制點出發，不附合、不閉合于任何已知點的導線[7]。

將支導線計算原理應用于沉管隧道線形計算，通過管節軸線、結合腔軸線進行端面中心點坐標傳遞，實現管節偏差計算。具體做法為：將已安裝管節首、尾端中心點坐標作為已知控制點，按幾何原理計算結合腔軸線與管節軸線之間夾角，按照支導線計算步驟計算各接頭點坐標。計算難點在于厘清各偏角的關系，準確進行方位角傳遞。

4.4 利用AutoCAD實際放樣

利用AutoCAD強大的繪圖功能可以進行沉管1頤1模型的繪制，首先把每根沉管的設計形狀展繪在AutoCAD圖上，然后根據沉管實際標定的參數進行沉管設計形狀的微調，最后結合已安沉管的位置及姿態進行待安沉管的模擬拼接。

5 線形調控

5.1 自然壓接線形預估

假定對接端面無錯牙，當前E24管節橫向絕對偏差首端偏北41.5 mm，尾端偏北42.3 mm，對后續管節自然壓接后偏差進行擬合計算，見表1。

表1 管節預制端鋼殼水平偏角與管節自然壓接尾端偏差預估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管節尾端偏角較大是影響E25—E28管節線形調整的難點，且E27、E28管節首、尾端鋼殼偏角均為加劇沉管軸線偏南的趨勢。

5.2 線形調控措施

根據目前沉管安裝施工工藝，主要可以通過控制管節對接端橫向錯牙、控制對接端面夾角兩種方式來實現管節線形調整。其中控制對接端面交角主要通過尾端纜繩控制或者管節體內精調來實現[8]。

5.3 線形調整原則

將E25—E28管節安裝線形調整的原則設定為：保證E28管節尾端端鋼殼橫向絕對偏差為0，方位角為0毅，該原則設定的理由主要有：

1）理想狀況下該狀態可滿足E29管節及最終接頭的安裝需求。

2）E29尚未預制完成，端鋼殼水平偏角情況存在不確定性，且無經驗值可參考。

3）E30—E33管節尚未進行安裝，且東島端鋼殼無明顯軸線偏差。

5.4 線形調控的預案設計

根據施工經驗及常規預制廠功能設計，一般塢內存放的管節不超過4節，因此線形預估可基于4節管節進行模擬安裝調控[9]。根據計算，各管節自然壓接的情況下E28管節小樁號端端鋼殼方位角為0.033 77毅。尾端纜繩控制管節尾端偏差將導致相鄰管節對接端端面產生夾角，與管節體內精調的幾何原理一致，因此圍繞偏角調節進行線形調整預案設計。

模擬對中安裝的狀況下，將0.033 77毅按照不同的比例分配到各個結合腔，并進行各管節尾端偏差預估。共設計了15種不同的角度調整預案，預案分類及管節尾端橫向絕對偏差預估統計見表2。

表2 預案分類及管節尾端橫向絕對偏差預估Table 2 Classification of plans and prediction of transverse absolute deviations at end of tube

從15種預案中篩選出3種較平穩的預案，分別為預案6、預案12、預案15。預案優缺點分析見表3。

上述3種方案E28管節尾端偏差預估結果均小于10 mm，大大小于E28管節貫通測量中誤差，且E28管節尾端端鋼殼方位角為0毅，因此可認為該3種方案均符合線形調整原則。經過比選后，采用了預案6用于指導E25管節的安裝。

表3 優選預案優缺點分析Table 3 Advantages and disadvantages analysis of the preliminary plan

6 結語

在港珠澳大橋島隧工程項目，從E25管節開始了沉管隧道線形管理的專題研究，編制了相關線形控制方案，并根據管節安裝進度實時更新，動態調整，實現了管節安裝線形的優化。自曲線段管節開始安裝以來，升級了線形預估自動計算程序，進一步提高計算效率，適應不同走向、不同形態的沉管安裝，為最終接頭的對接安裝創造了良好的條件。

在實踐中，通過對港珠澳大橋沉管隧道全線路線形數據的總結，為后續沉管工程的線形控制深入研究提供了數據和工具。