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(tuán)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(qiáng)有力的支持。數(shù)字化技術(shù)實(shí)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(jì)、加工、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模型數(shù)字化、方案可視化和進(jìn)度精確化，展現(xiàn)出項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)測、數(shù)字化模擬、數(shù)字化計(jì)算和數(shù)字化分析的應(yīng)用特點(diǎn)，從而驗(yàn)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(jìn)可靠性。

1 工程概況

濟(jì)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(jì)南至萊蕪段，東接濰日高速。項(xiàng)目全長162 km，設(shè)計(jì)速度120 km/h，雙向六車道，路基寬34.5 m。一合同段起點(diǎn)樁號-K0+544.840，終點(diǎn)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(jì)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(gè)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(shí)地航拍如圖1 所示。

圖1 龍埠樞紐實(shí)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(xiàng)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(jì)軌跡平穩(wěn)運(yùn)行，內(nèi)外弧的步履千斤頂需要進(jìn)行“異步行程控制”，現(xiàn)有技術(shù)無法規(guī)避其潛在風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此確保曲線鋼箱梁按照設(shè)計(jì)的平面曲線方向精確頂推是施工的關(guān)鍵因素，利用先進(jìn)的數(shù)字化智能監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的定位測量，智能監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)掌握頂推施工進(jìn)度和監(jiān)測施工狀態(tài)，及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

數(shù)字化監(jiān)測的技術(shù)原理是實(shí)時(shí)讀取頂推過程的橋位坐標(biāo)并反饋到控制系統(tǒng)，由于本項(xiàng)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(jìn)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(biāo)數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型空間曲線坐標(biāo)進(jìn)行擬合對比，智能監(jiān)測頂推坐標(biāo)如果與設(shè)計(jì)數(shù)字化模型曲線坐標(biāo)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(jìn)行修正，確保頂推過程精度準(zhǔn)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(biāo)數(shù)據(jù)對比

通過數(shù)字化模型對施工過程中的位移進(jìn)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(biāo)，為施工過程提供準(zhǔn)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(jìn)行定位和頂推糾偏，實(shí)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(xiàng)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(dá)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(xiǎn)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(yàn)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(jì)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(jìn)度、糾偏量的大小，為實(shí)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(jìn)行多次模擬驗(yàn)證。在頂推過程模擬分析中，鋼箱梁通過橋墩時(shí)受到的側(cè)向力和扭轉(zhuǎn)力大小，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算來精確控制頂推力和方向，完美的數(shù)據(jù)在實(shí)際頂推過程中得到了實(shí)際驗(yàn)證。

如圖3 所示，通過對該工況的計(jì)算分析可知，此時(shí)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(xiàng)目頂推時(shí)最不利工況。經(jīng)過數(shù)字化模擬計(jì)算可知，此時(shí)鋼箱梁最大應(yīng)力為21.7 Mpa，滿足結(jié)構(gòu)安全要求，同時(shí)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(gè)工況負(fù)載和配重的數(shù)據(jù)大小，確保各工況安全運(yùn)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(jì)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(jì)算軟件，驗(yàn)證各個(gè)階段的負(fù)載和配重?cái)?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(jì)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(jì)算頂推支架體系的受力情況。

數(shù)字化計(jì)算能夠快速、準(zhǔn)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(jìn)行承載能力計(jì)算。進(jìn)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(jì)算時(shí)充分考慮了頂推支架體系的自重、箱體荷載、設(shè)備機(jī)具荷載、頂推過程活載等因素，綜合的對支架體系進(jìn)行了數(shù)字化計(jì)算。在頂推最重箱體30.1 t 時(shí)，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(jì)算

利用對頂推支架體系進(jìn)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(shí)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(jìn)，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(biāo)區(qū)域進(jìn)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(jìn)行處理和分析，實(shí)時(shí)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(shí)，上跨的濟(jì)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(shí)段和封路時(shí)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(shí)對不同時(shí)間段、不同路段的車輛數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)際情況和需求，制定最優(yōu)的交通保暢方案，為本項(xiàng)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(qiáng)國，《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》明確指出運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+交通運(yùn)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(jì)、智慧基礎(chǔ)設(shè)施、智能維護(hù)運(yùn)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(shí)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(jìn)、綠色低碳的發(fā)展路徑，進(jìn)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(jìn)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(xiàng)目各個(gè)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(xiàng)目的整個(gè)施工過程更加可視化、高效化、精準(zhǔn)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(jì)算與分析貫穿于橋梁設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)維管理整個(gè)階段。引領(lǐng)橋梁行業(yè)走向智能建造的目標(biāo)。