短线法施工控制技术在水工项目中的应用

王敏，郭劲，陈少林

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工交通行业重点实验室，湖北 武汉　430040）

短线法施工控制技术在水工项目中的应用

王敏1，郭劲2，陈少林2

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工交通行业重点实验室，湖北 武汉430040）

文章介绍了将桥梁中的短线匹配法施工控制技术应用于梳式滑道井字梁的线形控制中。针对采用短线预制拼装的滑道井字梁在制造及安装阶段的几何误差控制问题，对可能产生的累计偏差采取有效措施进行消除。工程实践表明，该控制技术与施工措施有效保证了井字梁钢轨安装精度和水下安装整体线形。

滑道；井字梁；短线匹配法；预制拼装；钢轨安装

0　引言

梳式滑道井字梁的水下安装传统施工工艺主要是采用起重船将井字梁吊至设定位置，由潜水员水下探摸，指挥起重船移船，通过撬杠调整梁的平面位置，使滑道井字梁就位于指定位置。传统施工方法需要潜水员长时间潜水作业，施工风险较大；滑道井字梁由于同时受风浪和水流影响，标高和轴线对位难以控制；同时，传统的测量方法无法适应深水复杂作业环境，滑道相邻轨道间的相对安装精度难以保证[1-4]。随着船舶结构尺度的增大，横向梳式滑道的轨道组数也随之增加，滑道入水深度也随之加深，这对轨道梁的安装带来了更大挑战；目前梳式滑道发展陷入了一个瓶颈，而影响梳式滑道发展的重要原因之一，就是在深水、大流速复杂水文情况下，需要确保轨道梁的安装效率和安装精度。

作为预制构件，井字梁采用相互之间不发生关系的单件预制工艺，完全靠现场安装后期采用人工方式调整误差。从施工控制的角度来说，这种方式属于事后补救措施，无法从根本上提高其安装效率及精度。预制构件拼装成型的工艺，目前在桥梁领域得到迅猛发展，施工控制技术以几何控制理论为基础，结合参数敏感性分析方法，从构件预制阶段开始控制制造误差，安装阶段仅需微调，最终确保成桥的高精度安装。通过借鉴节段预制拼装桥梁的施工控制方法，应用于武船双柳基地船台滑道工程井字梁的预制及安装施工控制中，安装过程不需潜水员水下作业，取得了很好的效果。

1　工程概况

武船双柳船台滑道工程位于武汉市阳逻经济开发区双柳镇长江左岸，其横向下水梳式滑道纵向长度约186.2 m，横向宽度196.2 m，滑道坡度1∶8，共设置32组轨道，是目前国内外最大的横向梳式下水滑道，效果图如图1所示。滑道井字梁预制节段共有154榀，其中标准节段长7 m，钢轨在陆上安装在滑道井字梁顶部后与其进行整体水下安装，滑道水域汛期最大水流速2.9 m/s，最大安装水深28.87 m。

本工程采用工厂匹配预制井字梁，并通过喷涂标识建立相邻井字梁钢轨间匹配关系，利用水下三向千斤顶和水下可视化高精度摄影测量仪，调整还原相邻井字梁钢轨间的匹配关系，实现井字梁及钢轨水下高精度安装施工。

图1　武船横向梳式滑道工程效果图Fig.1　Impression drawing of horizontal comb-type slipway in Wuhan Shipbuilding Yard

2　匹配预制安装施工控制

短线法施工主要包括井字梁匹配预制及安装。

2.1预制

短线法标准段施工流程为：吊出前一完成节段→移开完成节段→安装调整底模，安装侧模，吊放钢筋笼→推回完成节段至匹配位置→混凝土浇筑→养生→拆模，见图2。

图2　预制流程示意Fig.2　Diagrammatic sketch for process of prefabrication

测量控制网是实现井字梁高精度预制的关键，测控体系及测点布置如图3、图4所示。与桥梁结构预制节段箱梁测点布置于顶板混凝土表面不同，井字梁的测点布置于其上的钢轨滑道轴线中心，采用喷涂标识（图4中的三角形顶点）的方式。通过测量塔及目标塔连线与固定端模建立预制局部坐标系，采集控制点三维几何坐标，对匹配预制过程中产生的误差进行评估，实时修正上一个节段产生的施工误差，始终令实际的制造误差围绕理论设计值，不产生累积，同时形成包含预制误差的理论数据库指导安装。

图3　测控体系Fig.3　Measurement and control system

图4　测点布置Fig.4　Layout of measuring points

2.2安装

预制井字梁若在预制过程中具有足够的精度，在安装时，一段一段拼装起来就可以满足设计的线形要求。具体安装过程如图5所示，吊具安装2套三向千斤顶，前端搁置于桩帽上，后端骑坐于已安装梁段，通过内置清水箱的水下摄像机观测接缝处喷涂标志（预制时的控制点）对齐情况（见图6），综合评估已安装梁段线形误差，结合预制误差数据库，以设计线形为目标，对待安装梁段线形误差进行预测，通过误差补偿调整施工控制指令，将水下井字梁施工线形误差控制在允许的范围内。

图5　安装过程示意Fig.5　Diagrammatic sketch for process of installation

图6　水下摄像机控制点相对测量示意图Fig.6　Diagrammatic sketch for relative measurement according to underwater CCTV control points

控制点测量采用内置清水箱的水下高精度摄像机进行相对值测量，通过去噪和图像增强技术对水下图像进行预处理，提取图像中的轨道标记信息[5-7]，最后计算轨道的错位距离，通过控制系统进行井字梁的调整，其原理如图7所示。

图7　安装误差调整示意图Fig.7　Diagrammatic sketch for correction of installation errors

由几何关系可知：

式中：d为轨距；l为钢轨长。

3　误差修正计算方法

结合武船双柳船台滑道工程具体工程实例，重点研究梁段制造及安装过程中的线形控制。

1）准备阶段：本阶段的主要工作为建立包含所有预制井字梁（包括其上钢轨）的理论几何数据库。与桥梁项目不同，船台滑道项目为横向梳式布置，除了保证单条轨道安装的精度，还需考虑横向相邻轨道间距，故本阶段的另一个重要工作为确定预制及安装阶段的容许误差。本项目的主要容许误差如表1所示。

2）预制阶段：预制过程中，采用开环控制思想，以平面方向控制为例（高程控制方法一致）。如图8所示，β为理论上相邻梁段的夹角；Δβ为误差值；β′为计入误差影响的经过修正后的相邻梁段的夹角。以第5列井字梁JL5上游侧钢轨控制点的数据为例，Y方向误差的最大值为1.5 mm，最小值为-0.3 mm，如图9。从误差分析图上可以看出误差控制情况良好。

表1　允许偏差Table 1　Allowable tolerance mm

图8　平面方向误差角调整示意图Fig.8　Diagrammatic sketch for correction of error angles in planimetric direction

图9　JL5上游侧钢轨控制点的数据误差示意图Fig.9　Diagrammatic sketch of data error at control points on steel rails at upstream of JL5

3）安装阶段：在实际预制过程中，由于误差的存在，不可能制造出完全与理论线形一致的井字梁。因此，对其安装过程也要进行控制，使安装线形无限逼近设计理论线形。假设第n个梁段拼装后的几何误差超过规定限值时，由于前n-1个梁段已安装成型，无法改变其形态，第n个梁段拼装后的几何误差只能放在后续梁段拼装过程中加以修正。采用最小二乘法进行误差修正，平面和立面的修正方法相同，现以立面误差修正方法进行说明。如果直接在第n+1个梁段的拼装过程中加以修正，会使局部出现折角，船体下滑时会出现“跳车”。因此，要降低误差影响，应对第n+1个梁段及后续梁段的施工过程加以修正。

设H（xn），H（xn+1），H（xn+2），…，H（xN）为各梁段端点的标高，且xn

求解式（2）得出的最优解为：通过该最优解，计算出后续梁段各测点坐标：

式中： ；b为梁段在安装整体坐标系与安装局部坐标系在立面方向即XZ平面的夹角；{XiYiZi}为第i号梁段修正后的在整体坐标系下坐标；{xi，yi，zi}为第i号梁段未修正前的在安装局部坐标系下的坐标；{X，Y，Z}为整体坐标系下的坐标。

以第5列井字梁JL5梁段上游钢轨控制点的安装数据为例，如图10。

图10　JL5上游侧钢轨控制点平面误差分析Fig.10　Analysis of plane error at contrd points on steel rails at upstream of JL5

从图10可以看出，在8号梁段最大安装误差为-5.2 mm，即1号～8号梁段安装误差皆未超限，在8号梁段处将误差通过最小二乘法平均分配到其后的8号～10号梁段中，实现平顺过渡。

4　结论及展望

通过对武船双柳船台滑道工程基于几何控制法的短线法施工控制技术研究，首次将公路桥梁施工中的短线匹配理念引入到井字梁预制施工中，实现了井字梁构件的高精度预制，形成了深水滑道井字梁可视化自动化安装施工全过程控制技术，实现深水滑道井字梁水下智能化安装施工，有效保证了施工精度并大大提高了施工工效。同时，开发了集成可视化测量技术、短线法施工控制技术、液压多点同步控制技术的水下无人自动调位装备，使该项技术能满足大批量应用需求，有利于后续推广。

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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，湖北武汉市人，硕士，高级工程师，结构工程专业。E-mail：4713810@qq.com