港珠澳大桥沉管安装线形控制管理技术研究及应用

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

港珠澳大桥东连香港，西接珠海、澳门，集桥、岛、隧为一体，是世界级跨海通道。岛隧工程起于伶仃洋粤港分界线，沿23DY锚地北侧向西，穿越珠江口铜鼓航道、伶仃西航道，止于西人工岛结合部非通航孔桥西端，全长7 440.546 m。其中隧道沉管段全长5 664 m，属于外海超长沉管隧道，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。

隧道沉管段由33个管节组成，穿越铜鼓航道和伶仃西航道。隧道东端1 311.362 m位于R=5 500 m平曲线上，其余部分均为直线。其中E1—E28管节位于直线段，E29管节从K7+717.362至东人工岛结合部位于曲线段，最终接头位于E29、E30管节中间。

1 线形管理目标

港珠澳大桥沉管为工厂法预制，采用两孔一管廊结构，高度11.4 m，标准管节长度180 m，曲线管节采用中心线长度为22.5 m的直线楔形节段拟合组成。标准管节分为8个节段，每个节段一次性浇筑，管节预制完成后进行预应力张拉，张拉完成后进行管节标定，完成管节各部分外观参数及测量特征点的测定[1]。

管节两端设计有端钢壳，管节首端设计有GINA止水带。在实际预制过程中，无法保证管节的外形参数同设计的理想状态完全一致，其偏差可能对安装结果造成影响。在实际安装过程中，受人员、设备、定位手段，以及风、浪、流等客观因素影响，沉管安装实际到达的空间位置会偏离设计的理想状态，导致隧道线形无法与设计要求相吻合[2]。

桥梁线形施工控制包括：1）桥梁的平面线形施工控制，主要是桥梁横桥方向的轴线控制，尽可能地减小其轴线偏差；2）竖向线形控制，主要是桥梁的各关键节点的标高控制。借鉴桥梁施工线形控制理论，引入沉管隧道线形管理，目标在于根据现有的测量成果，评估已知因素对后续隧道线形的影响，制定隧道线形调控目标，使沉管隧道线形整体平稳受控[3]。本文主要针对的是沉管隧道平面线形控制。

2 沉管隧道线形控制流程

沉管隧道线形控制的主要流程为：

1）进行待安管节的标定。

2）测定已安管节的偏位情况。

3）进行GINA均匀压缩的情况下管节线形的模拟计算。

4）根据预测的各管节尾端横向偏位、角度偏位情况设计多种调整方案，根据评估选出最优方案用于指导施工。

5）根据沉管实际安装结果进行后续管节调控方案的动态调整。

3 线形影响要素分析

3.1 预制因素分析

在管节预制张拉完成后，管节实际长度、端面偏角与设计值均会产生偏差，管节预制角度偏差见图1。

图1 管节预制角度偏差示意图Fig.1 Diagram of precast angle deviation of tube section

以管节首尾中心点连线作为管节轴线，管节端面与管节轴线的夹角为茁，则实际管节端面与管节轴线存在夹角兹，其中以端钢壳在设计端面逆时针方向为负值（对应兹1），以端钢壳在设计端面顺时针方向为正值（对应兹2），在实际施工中，管节端面与管节轴线夹角兹较小，普遍在0毅耀依0.01毅之间，管节张拉后长度偏差普遍在依3 cm以内。

3.2 受力作用分析

受预应力作用，管节在安装时横向无明显变形发生，因此管节首尾端面与管节轴线的相对关系同标定时基本保持不变。

在管节安装时，沉管在水平方向上主要受到4个作用力：

1）管节底部受到的基床摩擦力的水平分量；

2）水压力；

3）已安管节对接端端钢壳的反作用力；

4）管节各缆系对管节的合成拉力。

在管节对称受力的情况下，结合腔GINA呈现均匀压缩，在管节受力不平衡时，待安管节两侧GINA呈现不均匀压缩状态，以保证管节受力平衡。管节安装过程中线形调整的本质是通过力的作用改变管节的目标位置，管节安装完成后管节体内精调的本质是通过力的作用使管节发生位移以到达目标位置，两种方法都会使结合腔呈现不均匀压缩的情况，因此，通过结合腔不均匀压缩可以实现管节尾端偏差的调控，以及管节尾端偏角的预控[2]。

3.3 测控影响要素分析

沉管安装期间的管节姿态测量主要由深水测控系统、测量塔测控系统等测定，沉管安装偏差成果由管内贯通测量测定，因此沉管线形的测定主要受洞内贯通测量手段的精度限制。

管内贯通测量主要依靠沉管隧道进洞导线测量成果进行放样测量，其误差来源主要为导线测量误差。

针对至E28管节进洞导线测量方案，起算点按照X坐标精度5 mm，进洞边方位角精度1义计算；导线网按照测角精度1义，测距精度1 mm依10-6D（D为测距）计算[4]。COSA软件进行控制网整网的模拟计算分析E28管节贯通测量中误差依3.6 cm。

洞内网形见图2。

图2 洞内网形图Fig.2 Net shape figure in a hole

4 线形预估的方法

4.1 方法研究

线形预估有两种方法：一种是基于CAD的几何拼接法，另一种是基于EXCEL的线形计算法。

基于CAD的几何拼接法：主要是在CAD中按照1颐1比例画出各管节平面图，管节各部位长度、角度均按照实测数据绘制，平移旋转各管节进行模拟安装及调整。优点是容易理解、操作简便。缺点是CAD操作能力要求高、偏差显示不明显、即时计算耗时多。

基于EXCEL的线形计算法：主要是根据各管节实测长度、端面偏角等相关数据，按照几何原理在EXCEL中进行管节模拟安装及调整。优点是可形成固定计算模板，所有参数以数字显示简洁直观，即时计算快速高效，EXCEL软件操作简单用户人群广。缺点是对空间想象能力要求高、计算模板编制复杂易出错，无图形显示。

4.2 数据采集

1）管节端面数据采集

为准确得到管节端面空间姿态和管节端面与管节实际轴线的关系，在管节预制、张拉完成后，测量管节端钢壳空间姿态，运用Matlab数据处理软件对测得的端钢壳三维坐标进行拟合[5]。

在端钢壳上以反射片的形式布置96个测点进行观测，测点位于GINA止水带理论压接中心线上。使用全站仪在预制坐标系和1985高程基准下对端钢壳上的测点和特征点进行三维坐标测量，再根据端面特征点确定出管节的实际轴线，最后将预制坐标系下测量结果转换至管节坐标系下[6]。

2）安装定位数据采集

沉管安装定位数据分别采用以贯通测量法为主，双测量塔法和人孔投点法为辅的3种测量方法采集，确保参数可靠、测控管理有效可控。

4.3 基于EXCEL的线形计算程序设计

研究发现，可利用工程测量中的支导线原理进行沉管隧道线形的预估。支导线是由已知控制点出发，不附合、不闭合于任何已知点的导线[7]。

将支导线计算原理应用于沉管隧道线形计算，通过管节轴线、结合腔轴线进行端面中心点坐标传递，实现管节偏差计算。具体做法为：将已安装管节首、尾端中心点坐标作为已知控制点，按几何原理计算结合腔轴线与管节轴线之间夹角，按照支导线计算步骤计算各接头点坐标。计算难点在于厘清各偏角的关系，准确进行方位角传递。

4.4 利用AutoCAD实际放样

利用AutoCAD强大的绘图功能可以进行沉管1颐1模型的绘制，首先把每根沉管的设计形状展绘在AutoCAD图上，然后根据沉管实际标定的参数进行沉管设计形状的微调，最后结合已安沉管的位置及姿态进行待安沉管的模拟拼接。

5 线形调控

5.1 自然压接线形预估

假定对接端面无错牙，当前E24管节横向绝对偏差首端偏北41.5 mm，尾端偏北42.3 mm，对后续管节自然压接后偏差进行拟合计算，见表1。

表1 管节预制端钢壳水平偏角与管节自然压接尾端偏差预估Table 1 Prediction of the deviation between the horizontal deflection angle of the steel shell and the natural joint end of the tube section

从表1中可以看出E26管节尾端偏角较大是影响E25—E28管节线形调整的难点，且E27、E28管节首、尾端钢壳偏角均为加剧沉管轴线偏南的趋势。

5.2 线形调控措施

根据目前沉管安装施工工艺，主要可以通过控制管节对接端横向错牙、控制对接端面夹角两种方式来实现管节线形调整。其中控制对接端面交角主要通过尾端缆绳控制或者管节体内精调来实现[8]。

5.3 线形调整原则

将E25—E28管节安装线形调整的原则设定为：保证E28管节尾端端钢壳横向绝对偏差为0，方位角为0毅，该原则设定的理由主要有：

1）理想状况下该状态可满足E29管节及最终接头的安装需求。

2）E29尚未预制完成，端钢壳水平偏角情况存在不确定性，且无经验值可参考。

3）E30—E33管节尚未进行安装，且东岛端钢壳无明显轴线偏差。

5.4 线形调控的预案设计

根据施工经验及常规预制厂功能设计，一般坞内存放的管节不超过4节，因此线形预估可基于4节管节进行模拟安装调控[9]。根据计算，各管节自然压接的情况下E28管节小桩号端端钢壳方位角为0.033 77毅。尾端缆绳控制管节尾端偏差将导致相邻管节对接端端面产生夹角，与管节体内精调的几何原理一致，因此围绕偏角调节进行线形调整预案设计。

模拟对中安装的状况下，将0.033 77毅按照不同的比例分配到各个结合腔，并进行各管节尾端偏差预估。共设计了15种不同的角度调整预案，预案分类及管节尾端横向绝对偏差预估统计见表2。

表2 预案分类及管节尾端横向绝对偏差预估Table 2 Classification of plans and prediction of transverse absolute deviations at end of tube

从15种预案中筛选出3种较平稳的预案，分别为预案6、预案12、预案15。预案优缺点分析见表3。

上述3种方案E28管节尾端偏差预估结果均小于10 mm，大大小于E28管节贯通测量中误差，且E28管节尾端端钢壳方位角为0毅，因此可认为该3种方案均符合线形调整原则。经过比选后，采用了预案6用于指导E25管节的安装。

表3 优选预案优缺点分析Table 3 Advantages and disadvantages analysis of the preliminary plan

6 结语

在港珠澳大桥岛隧工程项目，从E25管节开始了沉管隧道线形管理的专题研究，编制了相关线形控制方案，并根据管节安装进度实时更新，动态调整，实现了管节安装线形的优化。自曲线段管节开始安装以来，升级了线形预估自动计算程序，进一步提高计算效率，适应不同走向、不同形态的沉管安装，为最终接头的对接安装创造了良好的条件。

在实践中，通过对港珠澳大桥沉管隧道全线路线形数据的总结，为后续沉管工程的线形控制深入研究提供了数据和工具。