解光路,賀志中
(中交第二航務工程局第四工程有限公司,安徽 蕪湖 241000)
常泰長江大橋位于泰州大橋與江陰大橋之間,距泰州大橋約28.5 km,距江陰大橋約30.2 km。大橋集高速公路、普通公路、城際鐵路“三位一體”合并過江,上層橋面布置雙向6車道高速公路,下層橋面上游側布置城際鐵路,下游側布置4車道普通公路,主航道橋為雙塔斜拉橋,主跨1 176 m,孔跨(142+490+1 176+490+142)m,全長2 440 m。橋型布置如圖1所示。
圖1 主航道橋布置圖
5#墩主塔采用鋼沉井基礎,平面呈圓端型,立面為臺階型,底面尺寸95.0 m×57.8 m(橫橋向×縱橋向),圓端半徑28.9 m,沉井頂高程-1.0 m,底高程-65.0 m,總高64 m,首節(jié)沉井制造高度43 m。沉井基礎結構如圖2所示。
圖2 沉井基礎結構圖
(1)沉井體積龐大,下沉姿態(tài)控制難度大。沉井面積相當于13個標準籃球場大小,首節(jié)沉井高度足有14層樓高,將如此龐大的鋼結構豎直、平穩(wěn)、準確終沉到位,控制難度極大。
(2)沉井下沉定位精度要求高。為確保沉井最終能豎直、平穩(wěn)、準確下沉到位,首節(jié)鋼沉井著床時的姿態(tài)偏位控制至關重要,高精度著床可有效避免后續(xù)接高以及取土下沉過程中人為調(diào)整傾斜來修正沉井姿態(tài),以滿足沉井終沉定位精度的要求。為此設計單位結合現(xiàn)有工程技術及控制經(jīng)驗,將沉井定位著床精度在規(guī)范要求的基礎上進一步提高,以保證沉井終沉定位精度。定位精度如表1所示。
表1 首節(jié)沉井下沉定位精度要求
(3)離岸遠,監(jiān)測困難。5#墩位于長江主航道旁,作業(yè)區(qū)域距岸1.3 km,傳統(tǒng)測量方法無法滿足施工需求。使用GNSS RTK動態(tài)測量技術,在穩(wěn)定性上有所降低,這對姿態(tài)控制有所不利。
(4)航道繁忙,水流湍急,不利于沉井姿態(tài)穩(wěn)定[3]。作業(yè)區(qū)域附近大型船舶來往頻繁,在下沉定位期間,加劇了沉井隨波浪擺動的晃動幅度,影響沉井姿態(tài)穩(wěn)定,致使沉井著床精度難以控制。
(5)深水作業(yè),水文情況復雜。5#墩沉井區(qū)域水深約26 m,航道內(nèi)船舶來往頻繁,區(qū)域內(nèi)流速、流向和流量等水文情況變化不定,加大了沉井準確定位的難度。
首節(jié)鋼沉井在制造基地整體組拼尺寸驗收合格完成后,通過水路,利用拖輪浮運至施工現(xiàn)場,采用錨墩+錨纜+海軍錨的錨纜系統(tǒng)對沉井進行穩(wěn)固定位。利用錨纜系統(tǒng)和向隔艙內(nèi)注水,增加沉井自重來完成沉井姿態(tài)調(diào)整及下沉[4]。定位錨固系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 沉井定位錨固系統(tǒng)
5#墩施工區(qū)域距岸邊較遠,無法利于全站儀進行觀測,為保證姿態(tài)監(jiān)測連續(xù)性和快速反饋,結合GNSS RTK動態(tài)測量技術,采用自動化監(jiān)測系統(tǒng),但是自動化監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)無法自動屏蔽因衛(wèi)星信號差、周跳以及接收機安裝引起的誤差較大的數(shù)據(jù),導致在某個時刻采用誤差較大的數(shù)據(jù)計算沉井姿態(tài)導致實際姿態(tài)出現(xiàn)偏差。故需要間隔一定周期采用人工進行姿態(tài)監(jiān)測,相對于自動監(jiān)測,人工測量可直接在沉井軸線監(jiān)測點上進行測量,減少支架安裝誤差。同時在GNSS衛(wèi)星信號失鎖,數(shù)據(jù)鏈斷開時,測量人員可手動進行干預和剔除誤差較大的數(shù)據(jù),并通過增加觀測時間或重新測量來刪除突兀、周跳等誤差較大數(shù)據(jù),以提高觀測數(shù)據(jù)的精度,保證沉井姿態(tài)準確。
人工監(jiān)測存在安全風險高、測量周期長、數(shù)據(jù)整理慢、信息反饋滯后以及不能實時掌握沉井姿態(tài)等諸多不便。因此,結合兩種監(jiān)測手段的利與弊,在測量精度要求較寬松和沉井晃動幅度較大的下沉初期,以自動監(jiān)測系統(tǒng)為主。在沉井距河床面2 m左右的下沉后期,當沉井晃動幅度較小時,以自動監(jiān)測系統(tǒng)為判斷趨勢,以人工監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù),結合自動化監(jiān)測系統(tǒng),相互比對,最終以第三方測量單位測量的數(shù)據(jù)為沉井著床定位的最終精度。
3.1.1 自動監(jiān)測系統(tǒng)
在岸邊建立連續(xù)運行基準站,將流動站固定在沉井頂面,實時數(shù)據(jù)采集,通過通信網(wǎng)絡實時將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)庫,進行處理和分析,并通過監(jiān)控系統(tǒng)平臺將實時姿態(tài)顯示出來。自動監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖4所示。
圖4 監(jiān)測系統(tǒng)架構圖
指揮中心根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實時、快速得到沉井姿態(tài)數(shù)據(jù),指揮施工人員對沉井姿態(tài)進行快速調(diào)整。
3.1.2 人工監(jiān)測
即采用傳統(tǒng)的基站架設方法,在岸上架設基準站,在沉井下沉過程中由4名測量人員手持GNSS流動站直接到沉井頂面對各監(jiān)測點進行同步測量,并以此數(shù)據(jù)計算沉井姿態(tài)。
首節(jié)鋼沉井在制造基地整體組拼完成后,對沉井頂面實際尺寸進行校核,并以實際尺寸為計算依據(jù),采用全站儀對沉井頂口軸線監(jiān)測點進行測量放樣,監(jiān)測點布設如圖5所示。
圖5 沉井頂面監(jiān)測點布置圖
3.2.1 人工測量監(jiān)測點布設
人工監(jiān)測點以放樣完成的十字軸線點為監(jiān)測標記。為便于安置儀器和長期保存,將監(jiān)測點沿軸線方向向內(nèi)收縮15 cm,沉井中心點(ZB3)為虛擬點位,采用其余4個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的平均值作為計算依據(jù)。
3.2.2 自動監(jiān)測設備安裝
自動監(jiān)測點位置需要長期固定安裝儀器,若直接安裝在軸線監(jiān)測點上,將阻礙人工測量。由于沉井隔艙頂面為施工通道,人員流動大,照明線路、監(jiān)控線路等電纜管線較多,為便于監(jiān)測設備安裝保護,故將自動監(jiān)測點布設沿沉井頂口十字軸線延長線上向外延伸50 cm位置,將支架底部與鋼沉井外壁焊接牢固,支架高于防護欄桿50 cm以上,以避免對GNSS接收信號的影響,監(jiān)測設備安裝如圖6所示。
圖6 自動監(jiān)測流動站安裝圖
由于自動監(jiān)測設備豎向固定支架在加工和安裝時存在誤差,焊接時,豎向支架難以保證絕對豎直,致使GSNN接收機天線中心與沉井軸線不重合,以及自動監(jiān)測點與人工監(jiān)測點之間存在距離差,導致兩套監(jiān)測數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一,針對此類較差,在支架安裝后,沉井處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時,采用全站儀測量出自動監(jiān)測點及人工監(jiān)測點之間的坐標數(shù)據(jù)差值,通過兩套數(shù)據(jù)較差來修正自動監(jiān)測數(shù)據(jù),使自動監(jiān)測系統(tǒng)顯示的坐標直接為人工監(jiān)測點位置的數(shù)據(jù)。修正工作需反復進行,以確保兩套數(shù)據(jù)的一致性。
結合現(xiàn)場實際、操作便利性、設備安全性及連續(xù)作業(yè)等情況,將自動監(jiān)測基準站和人工監(jiān)測基準站設置在不同的測量控制點上,以達到兩種測量手段之間測量數(shù)據(jù)的相互比對,確保沉井姿態(tài)準確。
3.3.1 人工監(jiān)測基站設置
為便于連續(xù)作業(yè),將基站設在項目駐地內(nèi),接入220 V家用電源,并備有蓄電池預防斷電,確?;倦娫催B續(xù)不斷。同時為避免駐地房屋對基站信號影響,在基站建設時,抬高基站基礎高度,基站設置如圖7(a)所示。
圖7 基準站設置
3.3.2 自動監(jiān)測參考站設置
為保證數(shù)據(jù)的可靠性,將參考站設在另一基點上,電源采用太陽能面板發(fā)電,并備有充電電池,以確保參考站連續(xù)運轉,基站設置如圖7(b)所示。
沉井下沉定位施工前,應將各基站點納入到施工控制網(wǎng)中,進行整體組網(wǎng)觀測平差,確保基站點數(shù)據(jù)與交樁數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)的一致。
在整個首節(jié)鋼沉井下沉定位期間,自動監(jiān)測系統(tǒng)需要固定儀器設備,而人工監(jiān)測時,為消除每個監(jiān)測點上測量時間的差異對姿態(tài)的影響,采用4臺GNSS接收機同步進行數(shù)據(jù)采集,時間上精確到秒,主要儀器配置如表2所示。
表2 姿態(tài)監(jiān)測設備配置表
沉井下沉定位初期,沉井姿態(tài)受水流等環(huán)境因素影響,變化幅度較大,在下沉過程中,采取邊注水邊糾偏的調(diào)整方案下沉,隨著注水量的增加,高程的下降,姿態(tài)變化相對穩(wěn)定。在精確調(diào)整時,應嚴格控制沉井姿態(tài),并對隔艙進行快速注水,使沉井刃腳快速入泥,逐漸達到下沉目標。最終,通過第三方測量單位精確測量沉井的定位精度為刃腳中心偏位13.4 cm,傾斜度為橫橋向1/3 026、縱橋向1/4 984,平面扭轉角為0.015°,定位精度優(yōu)于現(xiàn)行規(guī)范及設計規(guī)定的要求。
針對沉井定位測量控制難點,通過制定合理的調(diào)整方案、定位系統(tǒng)及控制措施,利用兩種測量手段相結合,在精度上可以滿足施工需求,在下沉施工及姿態(tài)控制過程中應注意以下幾方面。
(1)要有穩(wěn)定可靠的定位錨固系統(tǒng),以確保對沉井姿態(tài)的穩(wěn)定控制,便于對沉井姿態(tài)的及時調(diào)整和糾偏,做到收放自如。
(2)河床面高低起伏越大,越難以控制沉井中心偏位和姿態(tài)。下沉前應對原河床面進行掃測,提前了解河床面平整性,制定應對措施,必要時進行預偏設置。
(3)掌握沉井區(qū)域內(nèi)潮位、流速、流量、流向和波浪等水文數(shù)據(jù),分析對沉井定位影響的大小,便于選擇在合理的時機下進行沉井下沉定位施工。
(4)沉井注水下沉期間,應保證每個隔艙對稱均勻注水,減小不均勻注水對沉井姿態(tài)的影響。精調(diào)后,進入快速注水著床期間,一次注水量要予以保障,以確保沉井在最短時間內(nèi)完成著床定位,減小水流和流向變化對沉井姿態(tài)產(chǎn)生的影響。
(5)下沉期間,沉井處于動態(tài)半懸浮狀態(tài),人工監(jiān)測時,無法同步完成所有點位測量,應采用4臺GNSS接收機同步監(jiān)測,以消除各點測量時間上的差異造成沉井姿態(tài)的失真。
在沉井下沉定位著床施工期間,測量工作至關重要,選擇合理的測量方法將直接決定沉井下沉定位精度能否滿足規(guī)范設計要求,在制定監(jiān)測方法時要確保方法可用,精度可控。