黄茅海超大跨三塔斜拉桥施工监控关键问题与数字化技术应用

黄茅海跨海通道工程位于广东省，线路全长31.26km，连接珠海市与江门市，是港珠澳大桥西延线中的重点工程。该跨海通道控制性工程——黄茅海大桥跨径布置为（100+280+720+720+280+100）m，边中跨比0.53，高跨比0.25，建成后将成为世界上跨径最大的独柱塔双索面三塔斜拉桥。该桥主梁采用分离式钢箱梁，由2个钢箱梁及横向连接箱组成，钢箱梁高4m，斜拉索在桥面处横向间距46.9m；斜拉索采用平行钢丝拉索，斜拉索上设置减振阻尼器；桥塔采用混凝土独柱塔，塔柱采用椭圆和圆形截面；承台采用圆形截面；过渡墩、辅助墩采用整幅式TY形复合墩。

本文重点从施工控制的关键问题入手，探讨施工过程的质量与安全风险控制，并借助智能测控与数字化技术进行黄茅海大桥的施工控制。

一方面，本桥独柱塔构造复杂，从圆形渐变至圆端形又渐变至圆形。另一方面，柔性塔受环境因素影响较大，尤其是在温度荷载、风荷载下的变形明显。需要采用绝对坐标和相对位置相结合的方式进行定位控制，以保证施工精度和施工效率。除此之外，为了降低模板制造和安装难度，不宜再设置主塔纵向偏位，需要通过索力方案优化，将索塔的纵向偏位控制在合理的范围内。

在主梁立面线形控制方面，存在悬臂长度大，单节段吊装、张拉变形大，合龙口多，体系转换次数多等特点。因此，需要采取合理的合龙工序，并对斜拉索张拉力进行优化，以控制主梁施工累计位移，降低线形风险。

首先，基于小变形控制思想进行合龙工艺优化，如边跨合龙段，由于边跨合龙段无索区梁段长度大、梁段重，针对单边起吊合龙对结构变形和负弯矩区内力响应影响大的问题，改边跨无索区梁段吊装为长支架安装、顶推合龙的方式。针对中跨合龙，通过对比单个合龙口先起吊的影响和仅使用中塔吊机单侧起吊的影响，分析结果显示，从控制风险角度，可靠的办法是采取双主跨合龙口同步合龙、双机抬吊的方式。

针对施工累计位移的控制问题，在工序优化的基础上，进一步通过优化索力，减小了施工预拱度，降低了线形控制风险，使恒载累计位移控制在±0.160m，约为L/4500。

另外，为减小宽幅钢箱梁横向挠曲变形对横坡、铺装厚度的影响，需设置响应的横向预拱度。根据空间板壳分析结果，横坡修正按0.15%进行预抬。横向拱度设置的方式为：保持分体钢箱梁构造不变，通过横向整体转动实现横坡调整，并适当调整中间连接箱与分体钢箱梁拼接角度。

在斜拉桥悬臂拼装线形总体控制中，悬拼阶段的控制方法已非常成熟，重点做好无应力夹角和底板缝宽的控制，同时兼顾过程中轴线和里程的控制与纠偏。

对于黄茅海大桥这种宽幅分离式钢箱梁，悬拼过程中面临的一个典型问题是吊装高差匹配问题。根据计算，在不采取措施的情况下，已拼梁段与待拼梁段的高差在5cm左右。

针对该问题，首先对匹配高差计算的影响因素进行分析，对吊点的数量及位置，吊机纵向、横向站位进行优化，根据分析结果，临时横梁设置与否对局部变形和应力影响较小，因此，吊装过程中可不设置临时横梁。

其次，对匹配高差调整方法及适用性进行调研分析，包括上海长江大桥、南京浦仪公路夹江大桥上应用的腹板反压调节法、中国香港昂船洲大桥上应用的预应力反力架调节法、深中通道中山大桥上应用的一字梁锁定+C型焊缝+一张斜拉索法。经综合比选，采用腹板反压调节方法，单点处的反压力在105t左右，顶、底板的最大匹配高差可控制在5mm左右。

针对施工过程中可能遇到的极端突发情况，从施工监控角度对项目中的塔梁临时锚固和临时墩的设置形式和受力需求进行了相应分析。

根据临时锚固形式的调研，整体式锚固体系适用有索塔横梁的半漂浮体系，如苏通大桥、舟岱大桥主通航孔、深中通道中山大桥等；分离式锚固体系适用无索塔横梁的全漂浮体系，如芜湖公路长江二桥、上海长江大桥。

临时锚固计算模型

对于分体梁柱式塔体系多向临时锚固构造方面，竖向锚固包括钢管立柱和预应力锚固；横向锚固包括横向仅受压临时限位支座；纵向锚固包括分离式钢箱梁内腹板外侧钢牛腿和临时支座。

在临时锚固的反力需求计算方面，首先按照正常施工工序，分析施工全过程的反力变化历程。其次对可能出现的极端工况进行分析，如两侧不对称吊装+正常施工过程风荷载（7级风）、单侧梁段及吊机落梁+正常施工过程风荷载（7级风）、 20年重现期风荷载+单侧空吊机滑落等。在此基础上，考虑到大跨、柔性多塔的结构特点，比较了线性和几何非线性效应对锚固力的影响，并针对锚固体系刚度的不确定性，开展了对锚固力的敏感性影响。综合以上各项因素，按最不利条件确定锚固内力设计值，供临时锚固构造选型设计时参考。

从设置临时墩的作用出发，主要包括抑制台风期抖振以提高抗风稳定性、极端状况下为塔梁受力提供保护措施、施工期限制横向大位移。黄茅海大桥大悬臂长度超过300m，桥面高度大，施工阶段基准风速Usd=53.86m/s（20年重现期），施工期抖振效应明显，因此，有必要开展临时墩设置的相关研究。

临时墩位置确定

对于临时墩的设置要点，主要包括设置位置的确定、支架形式设计与施工、临时墩与主梁间的连接方式、临时墩反力大小等。根据抗风专题研究成果和通航条件，东塔临时墩设置在边跨侧、西塔临时墩设置在主跨侧、中塔临时墩设置在近西塔侧主跨。

临时墩支架形式方面，首先考虑了便于施工和成本控制相对较优的高位存梁方案，临时墩高度（至河床）分别为：东塔74m，中塔85m，西塔80m。由于临时墩高度过大，高墩存梁期间临时墩结构的最大应力为256Mpa，桩基最大上拔力为2258kN（纵风工况），大于抗拔设计值，不能满足要求。因此，调整为低位存梁方案，即常水位以上40m存梁，待钢梁起吊、拼装完成后，通过梁底提升构造接长临时墩套管。

低位存梁方案

临时墩反力的确定方面，正常施工期钢箱梁与临时墩竖向不连接，并预留吊装变形空间。台风期（施工期极限风）进行竖向、横向连接。反力计算中考虑的结构状态包括边塔最大双悬臂、中塔最大双悬臂、边塔最大单悬臂。风攻角取-3°~+3°。风荷载加载模式包括主梁横向对称加载、主梁横向不对称加载、考虑横向索风、不考虑横向索风。同时考虑不同悬臂端吊机落梁以及临时墩支架刚度的影响，按照最不利情况确定临时墩的反力需求值。

智能监测技术发展迅速，在黄茅海大桥项目中，通过引入更多的测控手段，来应对环境的不利影响。

方式一，采用高清智能摄像机进行定点监测。通过在舟山主通道合龙时的连续观测应用经验表明，可以指导合龙时机和配切数据的确定。

方式二，借助自适应控制无人机线形通测技术实现全桥线形通测。针对测量时机受限和测量条件的问题，数据量偏少，且受环境影响大。通过无人机测量，获取大量数据，来分析评估环境影响，指导监控分析工作。虽然精度上比常规水准测量精度略低，但也可满足工程需求。

借助自动化监测技术，对主塔、主梁进行应力自动化监测与预警管理。当然，应力自动监测应用相对成熟，关键是应力数据的分析、研判和异常处理，避免误预警。

自动化监测

建立大桥信息化监控平台，实现数据在线填报与审核、误差超限自动预警、自动生成监控预报、监测数据图表展示、监测结果三维展示、进度分析等功能。

大桥信息化监控平台

对于大跨径钢箱梁斜拉桥的施工监控技术已较为成熟，结合黄茅海大桥的桥型特点，结合海域台风多发的复杂环境条件，首先对线形和安全风险预先采取控制手段，其次是厂内制造精度，给现场拼装创造有利条件。

此外，施工监控新技术的趋势，难点在于智能判断。随着智能测控技术的发展，为施工监控大量数据的获取提供了便利。未来，以有限元力学分析结果为基础，结合自动化测试得到的环境与结构响应多元数据，提高机器学习能力，建立数学关系模型，实现线形智能化预测，建立线形即时调整策略，实现高精度、高效率指导施工的总体目标。