新型數(shù)字化技術(shù)在龍埠立交樞紐施工中的應(yīng)用研究

吳 勇

（中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，陜西西安）

引言

當(dāng)前，我國橋梁建設(shè)正向工業(yè)化、數(shù)字化建造變革，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造技術(shù)存在工期長、難度高、安全性低等問題。數(shù)字化技術(shù)隨之而來，為橋梁建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的支持。數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了施工過程中的方案優(yōu)化和信息匹配，對工程的設(shè)計、加工、施工等各個環(huán)節(jié)進行模型數(shù)字化、方案可視化和進度精確化，展現(xiàn)出項目管控的智能化、數(shù)據(jù)化、可視化等特性[1]。

本文主要介紹了在龍埠互通立交樞紐施工過程中新型數(shù)字化技術(shù)的具體應(yīng)用。通過數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)了智能監(jiān)測、數(shù)字化模擬、數(shù)字化計算和數(shù)字化分析的應(yīng)用特點，從而驗證了道路橋梁施工過程中的智能化和數(shù)字化技術(shù)的先進可靠性。

1 工程概況

濟南至濰坊高速公路，是山東“九縱五橫一環(huán)七射多連”高速公路網(wǎng)中“射三”線，西接京滬高速濟南至萊蕪段，東接濰日高速。項目全長162 km，設(shè)計速度120 km/h，雙向六車道，路基寬34.5 m。一合同段起點樁號-K0+544.840，終點樁號K14+950，路線長15.495 km。

龍埠樞紐互通立交BK1+113.8 跨線橋鋼箱梁共計兩聯(lián)，分別為第二聯(lián)和第五聯(lián)，第二聯(lián)跨徑布置為（33.3+34.7+33）m，第五聯(lián)跨徑布置為（33.1+29.3+30）m，鋼箱梁平面位于曲線上，鋼箱梁采用兩箱單室結(jié)構(gòu)，梁高1.8 m。箱梁頂板全寬13 m，兩側(cè)各設(shè)2 m寬挑臂，兩個單箱箱寬均為2.5 m。鋼梁頂面形成4%橫坡，底面水平。橋面鋪裝采用10 cm 厚瀝青混凝土+15 cm 厚C50 混凝土。龍埠樞紐實地航拍如圖1 所示。

圖1 龍埠樞紐實地航拍

2 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 數(shù)字化智能監(jiān)測

龍埠項目鋼箱梁施工采用頂推施工工藝，且鋼箱梁平面曲線半徑非常小，頂推過程中，為保證鋼箱梁頂推沿設(shè)計軌跡平穩(wěn)運行，內(nèi)外弧的步履千斤頂需要進行“異步行程控制”，現(xiàn)有技術(shù)無法規(guī)避其潛在風(fēng)險[5]。因此確保曲線鋼箱梁按照設(shè)計的平面曲線方向精確頂推是施工的關(guān)鍵因素，利用先進的數(shù)字化智能監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)高精度的定位測量，智能監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，實時掌握頂推施工進度和監(jiān)測施工狀態(tài)，及時規(guī)避風(fēng)險的發(fā)生。

數(shù)字化監(jiān)測的技術(shù)原理是實時讀取頂推過程的橋位坐標并反饋到控制系統(tǒng)，由于本項目鋼箱梁為小半徑曲線構(gòu)造，因此數(shù)字化技術(shù)針對該結(jié)構(gòu)體系進行了頂推位置監(jiān)測，并通過智能監(jiān)測將鋼箱梁位置轉(zhuǎn)換為坐標數(shù)據(jù)，與設(shè)計的數(shù)字化模型空間曲線坐標進行擬合對比，智能監(jiān)測頂推坐標如果與設(shè)計數(shù)字化模型曲線坐標數(shù)據(jù)有偏差，則頂推控制系統(tǒng)會根據(jù)偏差大小自動進行修正，確保頂推過程精度準確、安全可靠，如圖2 所示，為數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 智能監(jiān)測與模型坐標數(shù)據(jù)對比

通過數(shù)字化模型對施工過程中的位移進行施工模擬，對比并提取相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)偏差，根據(jù)偏差判斷頂推的安全性指標，為施工過程提供準確的數(shù)據(jù)支持。這些數(shù)據(jù)直接提供給頂推設(shè)備進行定位和頂推糾偏，實現(xiàn)頂推施工的自動化控制，提高了施工效率、精度和安全性。

2.2 數(shù)字化模擬

龍埠立交樞紐項目采用高墩柱和小半徑構(gòu)造的弧線頂推施工，墩柱高度達到19.84 m，這種施工方式因頂推和糾偏產(chǎn)生的水平力對高支架的影響非常大，導(dǎo)致頂推過程的危險系數(shù)高，工藝變得更加復(fù)雜。采用數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)建精確的三維模型，模擬和驗證頂推施工中跨路段的最不利工況。通過頂推過程的受力計算可以精確模擬頂推施工過程中鋼箱梁的受力狀態(tài)，決定頂推進度、糾偏量的大小，為實際施工狀態(tài)過程提供了數(shù)據(jù)支持。

模擬結(jié)構(gòu)受力分析，測算位移大小，對頂推鋼箱梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度要求進行多次模擬驗證。在頂推過程模擬分析中，鋼箱梁通過橋墩時受到的側(cè)向力和扭轉(zhuǎn)力大小，通過結(jié)構(gòu)計算來精確控制頂推力和方向，完美的數(shù)據(jù)在實際頂推過程中得到了實際驗證。

如圖3 所示，通過對該工況的計算分析可知，此時橋梁恰好處在跨路位置，且導(dǎo)梁未落在頂推支架上。此工況為本項目頂推時最不利工況。經(jīng)過數(shù)字化模擬計算可知，此時鋼箱梁最大應(yīng)力為21.7 Mpa，滿足結(jié)構(gòu)安全要求，同時頂推過程利用鋼箱梁自身重量來充當(dāng)配重，在數(shù)字化模型中模擬各個工況負載和配重的數(shù)據(jù)大小，確保各工況安全運行。

圖3 箱梁頂推最不利工況

通過數(shù)字化模型與結(jié)構(gòu)計算來精確分析和控制鋼箱梁的位置和姿態(tài)，以確保其順利通過跨路段位置，通過將模型直接導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)計算軟件，驗證各個階段的負載和配重數(shù)據(jù)，規(guī)避模擬出現(xiàn)的潛在問題，提高施工的可靠性。

2.3 數(shù)字化計算

鋼箱梁在頂推過程中會不斷出現(xiàn)力系轉(zhuǎn)化，造成下部橋墩及支架體系受力變化的情況，為了確保施工支架體系的安全和穩(wěn)定性，需要計算頂推支架體系的受力情況。

數(shù)字化計算能夠快速、準確地完成頂推支架體系的建模、數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并采用力學(xué)模型進行承載能力計算。進行不同荷載組合狀態(tài)下的最不利荷載分析，來確定支架的有效承載能力。

如圖4 所示為頂推支架體系的受力分析結(jié)果，在計算時充分考慮了頂推支架體系的自重、箱體荷載、設(shè)備機具荷載、頂推過程活載等因素，綜合的對支架體系進行了數(shù)字化計算。在頂推最重箱體30.1 t 時，為最不利工況，此工況下支架體系受到的荷載123 Mpa，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖4 支架體系靜荷載計算

利用對頂推支架體系進行受力分析、變形預(yù)測和穩(wěn)定性評估，確定橋梁頂推支架體系的承載能力、穩(wěn)定性及變形量，精確的預(yù)測出頂推支架體系的變形和受力情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，從而采取相應(yīng)的措施加以改進，來確保支架體系的安全性和穩(wěn)定性[4]。

2.4 數(shù)字化分析

使用移動數(shù)字化設(shè)備對該目標區(qū)域進行監(jiān)測。通過監(jiān)測獲取到場地的地形地貌、建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)以及其他相關(guān)地理信息[3]。并利用獲取的地理信息導(dǎo)入專業(yè)軟件進行處理和分析，實時生成車流量信息，為后續(xù)的交通規(guī)劃和頂推交通導(dǎo)改分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

如圖5 所示，在監(jiān)測平臺里，可以看到道路施工時，上跨的濟南至濰坊高速公路車流量信息，通過專業(yè)軟件能夠自動獲取車流量數(shù)據(jù)，通過軟件自動生成的車流量數(shù)據(jù)，可智能預(yù)測未來的車流量，能夠幫助施工人員判斷封路的最佳時段和封路時間。

圖5 數(shù)字化設(shè)備監(jiān)測

通過數(shù)字化分析手段能夠?qū)崟r對不同時間段、不同路段的車輛數(shù)量進行統(tǒng)計和分析，可了解交通高峰期和擁堵路段的分布情況，為制定交通疏導(dǎo)方案提供依據(jù)，再結(jié)合實際情況和需求，制定最優(yōu)的交通保暢方案，為本項目施工帶來科學(xué)的數(shù)字分析。

3 數(shù)字化技術(shù)后續(xù)展望

我國正在由交通大國闊步邁向交通強國，《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》明確指出運用“互聯(lián)網(wǎng)+交通運輸”，通過數(shù)字化基礎(chǔ)來全面展現(xiàn)出交通新業(yè)態(tài)，以提升安全、效能、服務(wù)品質(zhì)為方向，發(fā)展數(shù)字化勘察設(shè)計、智慧基礎(chǔ)設(shè)施、智能維護運營，助力開啟橋梁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展新階段[2]。

橋梁工程將全面實現(xiàn)數(shù)字化，總體遵循安全可靠、長壽耐久、優(yōu)質(zhì)高效、智能先進、綠色低碳的發(fā)展路徑，進一步創(chuàng)新突破橋梁工程技術(shù)裝備，為構(gòu)建現(xiàn)代化的公路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮重要作用。

結(jié)束語

近年來，隨著科技的不斷進步，數(shù)字化技術(shù)成為了現(xiàn)代橋梁領(lǐng)域中的主流趨勢。在項目各個階段都具有重要的作用，它改變了工程行業(yè)的傳統(tǒng)施工模式[6]。將項目的整個施工過程更加可視化、高效化、精準化和智能化，讓數(shù)字化技術(shù)的智能監(jiān)測、數(shù)字化模型、計算與分析貫穿于橋梁設(shè)計、建造到運維管理整個階段。引領(lǐng)橋梁行業(yè)走向智能建造的目標。