短線法施工控制技術在水工項目中的應用

王敏，郭勁，陳少林

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢　430040）

短線法施工控制技術在水工項目中的應用

王敏1，郭勁2，陳少林2

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢430040）

文章介紹了將橋梁中的短線匹配法施工控制技術應用于梳式滑道井字梁的線形控制中。針對采用短線預制拼裝的滑道井字梁在制造及安裝階段的幾何誤差控制問題，對可能產(chǎn)生的累計偏差采取有效措施進行消除。工程實踐表明，該控制技術與施工措施有效保證了井字梁鋼軌安裝精度和水下安裝整體線形。

滑道；井字梁；短線匹配法；預制拼裝；鋼軌安裝

0　引言

梳式滑道井字梁的水下安裝傳統(tǒng)施工工藝主要是采用起重船將井字梁吊至設定位置，由潛水員水下探摸，指揮起重船移船，通過撬杠調(diào)整梁的平面位置，使滑道井字梁就位于指定位置。傳統(tǒng)施工方法需要潛水員長時間潛水作業(yè)，施工風險較大；滑道井字梁由于同時受風浪和水流影響，標高和軸線對位難以控制；同時，傳統(tǒng)的測量方法無法適應深水復雜作業(yè)環(huán)境，滑道相鄰軌道間的相對安裝精度難以保證[1-4]。隨著船舶結(jié)構尺度的增大，橫向梳式滑道的軌道組數(shù)也隨之增加，滑道入水深度也隨之加深，這對軌道梁的安裝帶來了更大挑戰(zhàn)；目前梳式滑道發(fā)展陷入了一個瓶頸，而影響梳式滑道發(fā)展的重要原因之一，就是在深水、大流速復雜水文情況下，需要確保軌道梁的安裝效率和安裝精度。

作為預制構件，井字梁采用相互之間不發(fā)生關系的單件預制工藝，完全靠現(xiàn)場安裝后期采用人工方式調(diào)整誤差。從施工控制的角度來說，這種方式屬于事后補救措施，無法從根本上提高其安裝效率及精度。預制構件拼裝成型的工藝，目前在橋梁領域得到迅猛發(fā)展，施工控制技術以幾何控制理論為基礎，結(jié)合參數(shù)敏感性分析方法，從構件預制階段開始控制制造誤差，安裝階段僅需微調(diào)，最終確保成橋的高精度安裝。通過借鑒節(jié)段預制拼裝橋梁的施工控制方法，應用于武船雙柳基地船臺滑道工程井字梁的預制及安裝施工控制中，安裝過程不需潛水員水下作業(yè)，取得了很好的效果。

1　工程概況

武船雙柳船臺滑道工程位于武漢市陽邏經(jīng)濟開發(fā)區(qū)雙柳鎮(zhèn)長江左岸，其橫向下水梳式滑道縱向長度約186.2 m，橫向?qū)挾?96.2 m，滑道坡度1∶8，共設置32組軌道，是目前國內(nèi)外最大的橫向梳式下水滑道，效果圖如圖1所示?；谰至侯A制節(jié)段共有154榀，其中標準節(jié)段長7 m，鋼軌在陸上安裝在滑道井字梁頂部后與其進行整體水下安裝，滑道水域汛期最大水流速2.9 m/s，最大安裝水深28.87 m。

本工程采用工廠匹配預制井字梁，并通過噴涂標識建立相鄰井字梁鋼軌間匹配關系，利用水下三向千斤頂和水下可視化高精度攝影測量儀，調(diào)整還原相鄰井字梁鋼軌間的匹配關系，實現(xiàn)井字梁及鋼軌水下高精度安裝施工。

圖1　武船橫向梳式滑道工程效果圖Fig.1　Impression drawing of horizontal comb-type slipway in Wuhan Shipbuilding Yard

2　匹配預制安裝施工控制

短線法施工主要包括井字梁匹配預制及安裝。

2.1預制

短線法標準段施工流程為：吊出前一完成節(jié)段→移開完成節(jié)段→安裝調(diào)整底模，安裝側(cè)模，吊放鋼筋籠→推回完成節(jié)段至匹配位置→混凝土澆筑→養(yǎng)生→拆模，見圖2。

圖2　預制流程示意Fig.2　Diagrammatic sketch for process of prefabrication

測量控制網(wǎng)是實現(xiàn)井字梁高精度預制的關鍵，測控體系及測點布置如圖3、圖4所示。與橋梁結(jié)構預制節(jié)段箱梁測點布置于頂板混凝土表面不同，井字梁的測點布置于其上的鋼軌滑道軸線中心，采用噴涂標識（圖4中的三角形頂點）的方式。通過測量塔及目標塔連線與固定端模建立預制局部坐標系，采集控制點三維幾何坐標，對匹配預制過程中產(chǎn)生的誤差進行評估，實時修正上一個節(jié)段產(chǎn)生的施工誤差，始終令實際的制造誤差圍繞理論設計值，不產(chǎn)生累積，同時形成包含預制誤差的理論數(shù)據(jù)庫指導安裝。

圖3　測控體系Fig.3　Measurement and control system

圖4　測點布置Fig.4　Layout of measuring points

2.2安裝

預制井字梁若在預制過程中具有足夠的精度，在安裝時，一段一段拼裝起來就可以滿足設計的線形要求。具體安裝過程如圖5所示，吊具安裝2套三向千斤頂，前端擱置于樁帽上，后端騎坐于已安裝梁段，通過內(nèi)置清水箱的水下攝像機觀測接縫處噴涂標志（預制時的控制點）對齊情況（見圖6），綜合評估已安裝梁段線形誤差，結(jié)合預制誤差數(shù)據(jù)庫，以設計線形為目標，對待安裝梁段線形誤差進行預測，通過誤差補償調(diào)整施工控制指令，將水下井字梁施工線形誤差控制在允許的范圍內(nèi)。

圖5　安裝過程示意Fig.5　Diagrammatic sketch for process of installation

圖6　水下攝像機控制點相對測量示意圖Fig.6　Diagrammatic sketch for relative measurement according to underwater CCTV control points

控制點測量采用內(nèi)置清水箱的水下高精度攝像機進行相對值測量，通過去噪和圖像增強技術對水下圖像進行預處理，提取圖像中的軌道標記信息[5-7]，最后計算軌道的錯位距離，通過控制系統(tǒng)進行井字梁的調(diào)整，其原理如圖7所示。

圖7　安裝誤差調(diào)整示意圖Fig.7　Diagrammatic sketch for correction of installation errors

由幾何關系可知：

式中：d為軌距；l為鋼軌長。

3　誤差修正計算方法

結(jié)合武船雙柳船臺滑道工程具體工程實例，重點研究梁段制造及安裝過程中的線形控制。

1）準備階段：本階段的主要工作為建立包含所有預制井字梁（包括其上鋼軌）的理論幾何數(shù)據(jù)庫。與橋梁項目不同，船臺滑道項目為橫向梳式布置，除了保證單條軌道安裝的精度，還需考慮橫向相鄰軌道間距，故本階段的另一個重要工作為確定預制及安裝階段的容許誤差。本項目的主要容許誤差如表1所示。

2）預制階段：預制過程中，采用開環(huán)控制思想，以平面方向控制為例（高程控制方法一致）。如圖8所示，β為理論上相鄰梁段的夾角；Δβ為誤差值；β′為計入誤差影響的經(jīng)過修正后的相鄰梁段的夾角。以第5列井字梁JL5上游側(cè)鋼軌控制點的數(shù)據(jù)為例，Y方向誤差的最大值為1.5 mm，最小值為-0.3 mm，如圖9。從誤差分析圖上可以看出誤差控制情況良好。

表1　允許偏差Table 1　Allowable tolerance mm

圖8　平面方向誤差角調(diào)整示意圖Fig.8　Diagrammatic sketch for correction of error angles in planimetric direction

圖9　JL5上游側(cè)鋼軌控制點的數(shù)據(jù)誤差示意圖Fig.9　Diagrammatic sketch of data error at control points on steel rails at upstream of JL5

3）安裝階段：在實際預制過程中，由于誤差的存在，不可能制造出完全與理論線形一致的井字梁。因此，對其安裝過程也要進行控制，使安裝線形無限逼近設計理論線形。假設第n個梁段拼裝后的幾何誤差超過規(guī)定限值時，由于前n-1個梁段已安裝成型，無法改變其形態(tài)，第n個梁段拼裝后的幾何誤差只能放在后續(xù)梁段拼裝過程中加以修正。采用最小二乘法進行誤差修正，平面和立面的修正方法相同，現(xiàn)以立面誤差修正方法進行說明。如果直接在第n+1個梁段的拼裝過程中加以修正，會使局部出現(xiàn)折角，船體下滑時會出現(xiàn)“跳車”。因此，要降低誤差影響，應對第n+1個梁段及后續(xù)梁段的施工過程加以修正。

設H（xn），H（xn+1），H（xn+2），…，H（xN）為各梁段端點的標高，且xn

求解式（2）得出的最優(yōu)解為：通過該最優(yōu)解，計算出后續(xù)梁段各測點坐標：

式中： ；b為梁段在安裝整體坐標系與安裝局部坐標系在立面方向即XZ平面的夾角；{XiYiZi}為第i號梁段修正后的在整體坐標系下坐標；{xi，yi，zi}為第i號梁段未修正前的在安裝局部坐標系下的坐標；{X，Y，Z}為整體坐標系下的坐標。

以第5列井字梁JL5梁段上游鋼軌控制點的安裝數(shù)據(jù)為例，如圖10。

圖10　JL5上游側(cè)鋼軌控制點平面誤差分析Fig.10　Analysis of plane error at contrd points on steel rails at upstream of JL5

從圖10可以看出，在8號梁段最大安裝誤差為-5.2 mm，即1號～8號梁段安裝誤差皆未超限，在8號梁段處將誤差通過最小二乘法平均分配到其后的8號～10號梁段中，實現(xiàn)平順過渡。

4　結(jié)論及展望

通過對武船雙柳船臺滑道工程基于幾何控制法的短線法施工控制技術研究，首次將公路橋梁施工中的短線匹配理念引入到井字梁預制施工中，實現(xiàn)了井字梁構件的高精度預制，形成了深水滑道井字梁可視化自動化安裝施工全過程控制技術，實現(xiàn)深水滑道井字梁水下智能化安裝施工，有效保證了施工精度并大大提高了施工工效。同時，開發(fā)了集成可視化測量技術、短線法施工控制技術、液壓多點同步控制技術的水下無人自動調(diào)位裝備，使該項技術能滿足大批量應用需求，有利于后續(xù)推廣。

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Application of control technology for short-line construction in maritime works

WANG Min1,GUO Jin2,CHEN Shao-lin2
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China; 2.Key Laboratory for Construction of Long and Large Bridges,Ministry of Transport,Wuhan,Hubei 430040,China）

We present that the control technology for the short-line method in the construction of bridges is applied in the linear control of the construction of comb-type slipways.To control the geometric error in fabricating and assembling of the "pound-sign"beams for a slipway with the short-line method,we took effective measures to eliminate any potential accumulated error.The engineering practice proved that the control technology and construction measures have effectively guaranteed the installation accuracy and underwater integral linearity of the steel rails for the slipway.

slipway;"pound-sign"beam;short-line method;prefabrication and assembly;installation of steel rail

U673.32

A

2095-7874（2016）09-0007-05

10.7640/zggwjs201609002

2016-03-07

2016-08-16

王敏（1979— ），男，湖北武漢市人，碩士，高級工程師，結(jié)構工程專業(yè)。E-mail：4713810@qq.com