大型沉井施工空间形位控制与沉降预测分析.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07007905大型沉井施工空间形位控制与沉降预测分析顾惠明中铁大桥局集团有限公司，武汉 430050摘要 为系统性分析大型沉井施工在各阶段不同场区环境下的测量控制要点，以沪苏通长江公铁大桥建设为依托，将全站仪观测与GPSRTK监测技术相结合，建立了跨江控制网和通信网络。沉井厂内预制阶段控制加工安装精度，定位着床、接高下沉阶段重点观测并控制沉井空间形位姿态，上部结构施工阶段至运营期提出基于荷载比的二次修正双曲线沉降预测方法，并开展了高精度长期沉降观测及理论验证。通过全过程精准高效测量控制，桥墩平面定位误差、平面扭转角、累计沉降等指标均满足要求。关键词 公铁两用桥梁；大型沉井；施工方案；空间形位控制；测量；沉降预测中图分类号 U445.4 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.15引用格式：顾惠明.大型沉井施工空间形位控制与沉降预测分析 J.铁道建筑，2023，63（7）：7983.我国综合立体交通网规模逐步扩大，桥梁建造不断突破恶劣环境、大跨度、重荷载等指标。大截面沉井结构刚度大、承载力高、抗震能力强，是大跨度水中桥梁基础设计的主要选型。沉井制造、桥址定位下沉及后续沉降控制过程中，对加工测量、姿态观测频率及精度要求高，不同工序间测量控制方法差异大。余本俊1提出巨型钢沉井在制造、安装过程中构件几何尺寸偏差控制要点，芶洁等2研究了沉井下沉过程中平面测点三维坐标与沉井姿态的几何转换方法。为系统性分析大型沉井在各阶段、不同场区环境下的测量控制要点，依托沪苏通长江公铁大桥建设，提出了大型水中沉井施工空间形位控制与沉降预测分析方法。采用全站仪、水准仪及 GPSRTK 联测手段，沉井厂内预制阶段布设多种测量基准控制组拼精度，保障加工质量；定位着床阶段通过搭建定位系统及云平台，实现沉井实时监控及精准纠偏；持荷沉降阶段通过水准联测及精度校验，降低了中间设站测量法三角高程测量误差，同时运用基于荷载比的二次修正双曲线法进行沉降预测，有效跟踪施工期沉降状态。1 工程概况 沪苏通长江公铁大桥位于苏通长江大桥上游40 km，主航道桥为双塔五跨钢桁梁斜拉桥，桥跨布置为（140+462+1 092+462+140）m。上层桥面为6车道高速公路，下层桥面为2线客货共线铁路及2线客运专线铁路。主墩（28#、29#墩，见图1）下部基础采用钢-混圆角矩形沉井基础，沉井上层为钢筋混凝土结图1主墩沉井结构（单位：cm）收稿日期：20230301；修回日期：20230409作者简介：顾惠明（1978），男，高级工程师。E-mail:铁道建筑第 63 卷构，下层为钢结构。沉井平面尺寸为86.9 m 58.7 m，倒角半径为7.45 m，面内布设24个12.8 m 12.8 m的井孔，28#、29#墩沉井总高度分别为 105.0、110.5 m。钢沉井自竖向分9节安装，每节由35个块段组拼而成。钢沉井在干船坞内分节制造，整体焊接组拼，由拖轮浮运至桥址处，通过大直径钢桩+混凝土重力锚组成的锚碇系统收缆定位，井壁内注水下沉着床。通过吸泥取土、分节接高混凝土沉井，使沉井逐步下沉至基底设计标高3。然后灌注沉井内部封底混凝土，继续完成上部承台、塔座及上部结构等施工。沉井基础作为大桥主要承力构件，施工周期长、安全风险高、精度要求严格。在施工过程中需全程测量沉井几何姿态信息，以评估安全质量状态并指导后续施工。在沉井加工制造和定位着床阶段侧重短期高频测量，主要测量各施工分项节点加工拼装误差和浮式状态定位误差，测量点位及测量周期不固定；在沉井吸泥下沉、持荷沉降及运营阶段侧重中长期周期性测量，主要测量沉井在覆盖层中主动下沉的深度和刚体姿态，以及被动沉降的演变规律，测量点位及测量周期相对固定。2 测量控制网布置 2.1控制点布设沉井测量以全站仪观测为主、GPSRTK监测为辅。江域主墩采用全站仪三角高程法进行沉降观测，设置5处高程控制点（长江南岸2处、江中3处）。从南岸高程控制点出发，进行高程测量，通过中间控制点进行过程稳定性分析，逐步传递至江中高程控制点，形成附合水准线路（图2），完成一轮次测量闭环。在南北两岸各设立一个GPSRTK基准站，采用观测墩形式进行全天实时观测。每个基准站传输工作半径约 3 km，两个基准站即可建立覆盖宽 6 km的桥址江域数据通信网络，能够完成江中各墩基础的实时监测任务，GPSRTK基准站测量控制范围见图3。2.2GPSRTK定位GPSRTK定位方法的测量精度取决于：基准站在WGS84系统下具备高精度的三维坐标，在大桥施工坐标系下具备高精度的三维坐标和高程；具备高精度坐标转换参数4，在两岸选取6个同时包含2个坐标系下的高精度测量数据进行转换参数计算，平面坐标转换采用七参数法，多点进行最小二乘法计算。选取点的范围覆盖测量作业区域，从而保证GPSRTK定位方法的测量精度，另选取4个点作为检核点，计算转换精度中误差。确保GPSRTK测量平面中误差小于10 mm+每千米1 mm，高程中误差小于15 mm+每千米1 mm。3 钢沉井制造测量 3.1钢沉井块段组拼测量控制钢沉井块段拼装时，测量任务主要是现场放样、确定基准并校核构件对接精度，通过全站仪免棱镜测量进行检查，采用检定钢尺进行复核。根据结构尺寸做好各特征点的标记，以便与相邻节段特征点准确对接。组拼过程中所采取的主要技术措施如下：1）钢沉井块段组拼采用支柱式全模板胎架，支柱采用型钢桁架，模板采用根据沉井外形轮廓尺寸定制的钢板。胎架应具备一定的约束焊接变形能力，必须含有约束锁定装置，同时预留反变形量，还需在其外围设置测量观测点，以确保节片几何尺寸准确，胎架表面不平度应小于2 mm。组拼场地处精确涂刷胎架地辅线，以保证块段定位及拼装准确。2）块段吊装至胎架后，用不少于4根扁钢花蓝螺丝将块段与地面锁定，微调后使块段上的井壁外壳、桥中心线与胎架地辅线吻合5。检查并用枕紧楔形墩的办法调整壳板上距下口1 m高度处水平对合线，使其处于同一水平面内；复查井壁外壳板和隔墙壳板的垂直度，合格后加临时斜撑将分段与地面锁紧。3）块段起吊就位后，胎架上微调使其井壁外壳板与胎架地辅线吻合，隔墙中心线与对应地辅线平行。将块段初步定位固定，测出其平行间距，并据此决定两分段接缝处的余量，划出切割线并切割余量，开好图2沉降观测水准路线图3GPSRTK基准站测量控制范围80第 7 期顾惠明：大型沉井施工空间形位控制与沉降预测分析焊接坡口并打磨，解除对块段的约束。对此分段进行二次定位，检查水平对合线的水平度，检查外壳轮廓及隔墙中心线与地辅线的吻合度，复查壳板垂直度，合格后将块段接缝用马板锁定，加临时斜撑将拼接块段另一端与地面锁定。检验块段整体定位情况并用标高参考点检验地面沉降后，将块段接缝交付焊接。3.2钢沉井节段安装测量控制块段拼装完成后，根据胎架地辅线，用激光经纬仪辅助，在顶面桁架上和井壁外壳板上标记出桥梁中心线和半圆直径线，为后续施工现场整节段接高拼装提供精确定位依据。在船坞底板上划出沉井中心线、纵向直剖线、肋骨检验线、大接缝线等，树立小槽钢测量标杆。为使划线保持长时间清晰可见，加以白漆围圈，并加上洋冲印记、钢针划痕。在船坞内以沉井纵横向轴线为基准建立独立坐标系，用全站仪测量沉井节段安装测量控制网。用全站仪测量结构特征坐标点进行检查控制，通过坐标反算出结构尺寸及相对关系，并用检定钢尺进行复核。根据结构特征尺寸做好各特征点的标记，以便与第二节特征点进行对接。每拼装一节进行沉井竣工测量，检查沉井结构尺寸、相对位置和垂直度，上下节段接高错边量应小于2 mm。4 沉井定位着床、接高下沉测量控制 沉井在定位着床过程中需精确定位纵桥向、横桥向平面位置以及平面扭角。施工过程中，在沉井上下游侧各设置4组大直径钢桩作为主锚，南北侧各设置4组混凝土重力锚作为边锚，主锚缆绳分为上下两层，边锚通过转向鞍座直接与沉井顶面定位调整系统连接，形成大刚度空间锚碇结构体系，有效克服了沉井横水流摆动难题。沉井锚碇系统布置见图4。沉井收缆系统布置于沉井顶面，通过计算机控制大吨位连续千斤顶张拉及放松，同步快速调整沉井空间形位。实时采集锚绳张拉力、沉井空间姿态及沉降等数据，并在云平台上归集分析展示，实时指导现场纠偏施工。沉井定位时，基于其纵横轴线设置 4个控制点，并根据结构水平线使 4 个点位于同一平面上，通过GPSRTK测量轴线点坐标与设计坐标的较差，确定位移量并指导沉井姿态纠偏，通过轴线上4个点位的坐标偏差，确定沉井的扭转角。采用水准仪测量沉井上纵横轴线上4个点的高程，通过高差和点间距离确定沉井的倾斜度。着床后沉井位置须要满足平面偏差小于H/150（H为沉井总高度）、扭转角小于1的设计要求6。在接高及下沉过程中，根据沉井四角控制点三维坐标推算其顶面、底面平面位置及高程，沉井下沉量、倾斜度、平面扭角等。定期用测深仪量测各井孔及沉井外侧泥面等高线，掌握下沉进度及土体状态7。主墩沉井在下沉着床阶段，通过定位系统约束并动态调整沉井姿态，钢沉井初定位完成后选择高平潮时机舱内注水平稳下沉。精确定位在沉井注水下沉至距离河床6 m进行，确认环境稳定、沉井位置姿态满足着床精度要求后，快速注水沉底，着床阶段沉井顶平面中心偏位变化过程见图 5。着床时平面中心偏差12.5 cm（偏南侧），施工期累计平面中心偏差29 cm（70 cm）、平面扭转角度偏差05，满足要求。5 沉井持荷沉降测量 在承台施工完成后，通过在基础顶面4个角点处埋设4个沉降观测点进行沉降观测，承台顶面沉井观测点布设见图6。相对沉降采用电子水准仪配合铟钢条码尺观测8，测量过程按照二等水准要求进行，以 GPSRTK 测量作为日常监测及定期通测的校核手段。绝对沉降采用全站仪中间高差法，测量塔座上下游侧沉降点至水中测量平台之间的高差，形成水准闭合线路，测量过程按照三等变形观测要求进行。图4水中沉井锚碇系统布置示意图5沉井下沉着床阶段顶面中心实测偏位81铁道建筑第 63 卷沉井在持荷沉降过程中，采用中间设站的沉降观测方式。将全站仪架设于基准点与观测点之间，测量点间相对高程。在基准点和变形观测点架设棱镜，棱镜高度固定不变，测量基准点与变形观测点的高差。按照三等垂直位移监测网的技术要求进行多测回观测，将结果进行误差统计和精度评定合格后，作为基准点的观测结果，平差计算出变形观测点的高程。为保证沉降观测的精度，需要对中间设站测量法进行精度验证。选择在现场无荷载施工的情况下，对某水中墩的承台4个观测点进行48 h连续测量，间隔2 h观测1次。观测应采用相同的路线、步骤、仪器及人员，测量出不同时间段下的沉降数据，测量完成后进行平差、统计、分析和对比，按三等垂直网位移监测的技术要求进行精度评价。平差前，采用测段高差较差对工作基点进行稳定性分析，高差较差满足限差后方可进行严密平差。如果高差较差超限，需重新测量确认并调整工作基点高程9。观测时，沉降变形等级三等水准视线长度不大于50 m，前后视距差不大于2.0 m，前后视距累计差不大于3.0 m，视线高度不小于0.3 m。沉井主体结构承台在2016年10月19日施工完成后，塔座、主塔、钢梁及桥面附属累计加载量为3.03 106 kN，施工期累计沉降时程曲线见图7（a）。可见，全阶段沉井实测平均沉降速率为0.04 mm/d，累计沉降量为 55.6 mm。沉井施工期荷载序列-沉降曲线见图7（b）。可见，下塔柱、下横梁施工直至及中塔柱合龙前，累计加载1.51 106 kN，沉井沉降量与加载量近似呈线性关系；后续上塔柱施工、钢梁双悬臂架设、合龙直至桥面附属设施施工基本完成阶段，沉井沉降在近似线性加载下表现为切线斜率逐渐减小，趋于收敛，符合理论设计预期。6 运营期沉降预测及分析 沉井基础在上部结构施工期及运营期的沉降演变是评估成桥质量的重要依据。为精准估测沉降量的收敛规律，在应用路基工程、构筑物沉降分析的双曲线法10的基础上，将上部结构施工期观测数据纳入分析时间段内，提出以荷载比替代时间序列作为自变量的二次修正双曲线法，更符合竖向荷载与沉降的映射关系。在假定荷载增量加载速率变化不大的情况下，早期沉降变形的增量与荷载增量基本成正比，后期下沉平均速率以二次双曲线形式逐渐减少，计算式为St=a2b+c2（1）=max（2）式中：St为阶段累计沉降量；、max分别为阶段上部荷载、设计最大荷载；a、b、c为待定系数；为荷载比。将前期施工阶段实测沉降代入式（1），得出当待定系数a=428.3、b=1.367、c=6.173时，拟合优度最佳。在后续加载及成桥运营阶段，在沉降量趋于收敛的条件下，预测累计沉降误差小于 0.2 mm，沉降预测-实测曲线见图8，预测沉降与实测沉降吻合较好。该方法为水下覆盖层中大型沉井沉降预测提供了参考，在后续同类工况构筑物沉降过程中可根据阶段测量结果动态调整待定系数。图8主墩沉井沉降预测-实测曲线图7主墩沉井施工期累计沉降、荷载-沉降时程曲线图6承台顶面沉井观测点位（单位：cm）82第 7 期顾惠明：大型沉井施工空间形位控制与沉降预测分析7 结论 1）在沉井空间形位控制方面，针对沉井工厂预制、现场定位着床不同阶段特性，结合全站仪、GPSRTK测量，分阶段提出相应的综合控制及测量校验方法。通过搭建云平台实现沉井状态形位的实时监控展示，兼顾测量效率与测量精度、可靠性，指导沉井定位和后续施工，有效保障了结构拼装质量、定位精度。2）在沉井持荷沉降测量方面，采用沉井相对、绝对沉降联测方法，确定了江域远距离附和水准路线，并通过使用多项现场精度控制及校验手段，降低了中间设站测量法三角高程测量误差，解决了大型水中沉井中长期沉降精准观测难题。3）在沉井沉降预测方面，通过运用基于荷载比的二次修正双曲线法，根据初期沉降观测数据修正表达式待定系数，结果合理预测了沉井沉降演变规律。4）沪苏通长江公铁大桥28#墩平面定位误差、平面扭转角、累计沉降等指标均满足设计要求，主墩沉井的高精度制造、定位测量为大桥优质高效建设奠定了坚实基础。大型水中沉井施工空间形位控制与沉降预测技术可为类似深埋沉井基础施工提供借鉴。参考文献1 余本俊.大型钢沉井整节段制造、运输与现场接高施工技术 J.桥梁建设，2013，43（2）：110-1152 芶洁，朱浩.GPS RTK技术在深水大型沉井基础施工监测中的应用 J.武汉交通职业学院学报，2016，18（3）：77-803 林长青.沪通长江大桥主航道桥超大钢沉井定位方案比选J.铁道建筑，2020，60（11）：29-324 刘建辉，刘华，陈爱民，等.GPS-RTK测量技术在京沪高速铁路线下工程中的应用 J.交通科技，2011（3）：135-1375 朱浩，杨切.常泰长江大桥超大水下钢沉井终沉及封底关键技术 J.铁道建筑，2022，62（6）：87-926 中华人民共和国交通运输部.公路桥涵施工技术规范：JTG/T 3650 2020 S.北京：人民交通出版社，2020.7 施洲，周勇聪，江峰，等.大型沉井基础长期位移规律及对全桥影响分析 J.铁道建筑，2022，62（3）：10-158 刘长明，周监清，魏超.沉降观测在宝应船闸建设过程中的应用 J.交通科技，2014（1）：130-1319 孙英华.温福铁路精密测量控制网实施方案浅析 J.交通科技，2008（增刊1）：111-11310 常航，杨志强.高铁桥梁沉降分析预测的研究 J.北京测绘，2017（增刊1）：173-177Spatial Shape Control and Settlement Prediction Analysis of Large Caisson ConstructionGU HuimingChina Railway Major Bridge Engineering Group Co.Ltd.，Wuhan 430050，ChinaAbstract In order to systematically analyze the surveying and control key points of large submerged caisson under different site environments and different stages，based on the construction of Shanghai-Suzhou-Nantong Yangtze River Bridge，combining total station observation with GPS-RTK monitoring technology，a cross-river control network and communication network were established to control the processing and installation accuracy in the prefabrication stage of caisson plant.The space shape and posture of caisson were observed and controlled at the stage of positioning and settling，and the hyperbolic settlement prediction method based on the load ratio was applied during the period from superstructure construction to operation，and the high-precision long-term settlement observation and theoretical verification were carried out.Through accurate and efficient measurement control of the whole process，the pier position accuracy，plane torsion angle and accumulated settement etc.meet requirements.Key words rail-cum-road bridge；large caisson；construction scheme；spatial shape control；surveying；settlement predictionCitation format：GU Huiming.Spatial Shape Control and Settlement Prediction Analysis of Large Caisson ConstructionJ.Railway Engineering，2023，63（7）：7983.（编辑：李付军 校对：郑冰）83