赤石特大橋主塔施工測量方法探討

馬偉

摘 要：結合赤石特大橋主塔的施工方法，通過測量的誤差理論分析方法和特殊的測量定位手段，對勁性骨架、鋼錨梁、塔柱模板的位置進行定位測量，調整各作業(yè)部位使其滿足設計和相應的規(guī)范要求。從而保證了近300m高的主塔施工符合設計要求。

關鍵詞：誤差分析；主塔墩；鋼錨梁；精密定位

1 主塔基本情況

赤石特大橋工程是夏蓉國家高速湖南省汝郴（湘贛界）至郴州段的控制性工程，為四塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，是目前同類型橋梁中排名第一、高墩、大跨徑、多塔斜拉橋，橋梁全長1470米。

我公司施工5號、6號主塔，其基本組成如圖1所示。

5號墩中心里程K87+770，塔底高程281.00米，塔頂高程535.63米，塔柱總高254.63米，塔頂設5米高裝飾塊。分為下塔柱（C橫梁中部至塔座以上部分）、中塔柱（B、C橫梁之間部分）、上塔柱（B橫梁以上部分）、橫梁（A、B、C、D）四個部分，下塔柱高81.73米，中塔柱高63.0米， 上塔柱高103.9米（上塔柱下半部分高51.4米，上半部分高52.5米）。

6號墩中心里程K88+150，塔底高程271.00米，塔頂高程545.13米，塔柱總高274.13米，塔頂設5米高裝飾塊。分為下塔柱（C橫梁中部至塔座以上部分）、中塔柱（B、C橫梁之間部分）、上塔柱（B橫梁以上部分）、橫梁（A、B、C、D）四個部分，下塔柱高101.23米，中塔柱高63.0米，上塔柱高103.9米（上塔柱下半部分高51.4米，上半部分高52.5米）。

2 塔柱施工測量的方法

主塔墩分為下塔柱、橫梁、中塔拄和上塔柱四部分，塔柱施工測量的主要內(nèi)容包括：柱體十字線放樣、勁性骨架定位、索道管安裝定位、模板調校和竣工測量。塔柱的平面位置測量方法：采用三維坐標測量法，對勁性骨架、索道管、塔柱模板、橫梁摸板的位置進行定位測量，調整各作業(yè)部位使其滿足設計和相應的規(guī)范要求。

塔柱平面定位點的選擇，如圖2所示，其中，（a）為下塔柱放樣點位示意圖，（b）為中塔柱放樣點位示意圖，（c）為上塔柱放樣點位示意圖。施工定位時，根據(jù)5、6號墩索塔的各個參數(shù)，，計算塔柱任意高程H處的截面參數(shù)，并將其轉換為各特征點的坐標。

2.1 下塔柱施工測量

施工測量前，根據(jù)下塔柱的勁性骨架設計圖推算出任意高程H處各特征點的坐標，勁性骨架放樣點位示的位置如圖3所示。

下塔柱施工過程中，用三維坐標法實時測量并調整勁性骨架的位置，直到滿足要求，當模板施工完后，再用三維坐標法實時測量并調整模板的位置，直到滿足規(guī)范要求。

為了方便操作，在5、6號墩布設了2個臨時加密控制點，塔柱施工時后視臨時加密點進行高程改正，用三角高程內(nèi)差法和極坐標法對塔柱進行三維測量定位和竣工測量。

2.2 中主塔墩橫梁施工測量

中主塔墩施工測量的程序如下：

① 進行橫梁支架定位測量，根據(jù)橫梁支架設計圖，放出各支架特征點。在支架施工過程中，實時測量支架的空間三維坐標，并與設計的進行比較，進行調整，保證支架按設計來施工。

② 在支架頂面實際放樣出橫梁的縱橫軸線和特征點，并彈出橫梁底面的高程線，調整橫梁的底模板，并考慮預抬量。

③ 模板施工完成后，檢查并調整橫梁模板，直到滿足相應的規(guī)范要求。

④ 橫梁施工完成后，對橫梁進行竣工測量。放樣出橫梁的縱橫軸線，并在合理的位置設置一個控制點，要求該控制點必須與多個控制點通視。

使用高精度的測量儀器，采用多點后方交會的方法，進行加密點的三維坐標測量。在以后的加密控制網(wǎng)復測過程中，該點與原加密控制點形成新的加密控制網(wǎng)，進行同精度的測量，保證控制點的精度。

⑤ 7#、8#墩橫梁（B）施工完成后，聯(lián)合其他施工單位在7#、8#墩橫梁上布設加密控制點。并同時進行跨距，四主塔的高程系統(tǒng)和軸線聯(lián)合測量，調整四主塔的跨距、高程、軸線，保證四主塔及箱梁施工線形和高精度合龍。

2.3 中塔柱施工測量

與下塔柱施工測量的方法相似，中塔柱施工測量的方法主要由三部分組成：

一是用三維坐標法實時測量并調整勁性骨架的位置。

二是當模板施工完后，用三維坐標法實時測量并調整模板的位置。

三是在控制點上后視橫梁頂?shù)募用芸刂泣c，用三角高程內(nèi)差法和坐標法對塔柱進行三維測量定位和竣工測量。

2.4 上塔柱施工測量

上塔柱施工采用勁性骨架作為鋼筋、模板、索道管等安裝的依托架，其加工質量及安裝精度直接影響模板、鋼筋和索道管定位的精度。

勁性骨架的理論位置的計算同模板的計算。上塔柱垂直度的控制，不僅要求在每節(jié)塔柱的施工中，模板軸線、特征點和結構尺寸等定位要素按設計的要求進行嚴格的控制外，還要選擇測量定位時的氣象條件，以消弱氣象變化對上塔柱的變形影響，將塔柱垂直度控制在允許的范圍內(nèi)。

2.5 鋼錨梁定位

2.5.1 安裝前的準備工作

鋼錨梁及牛腿的三維圖如圖4所示。鋼錨梁安裝前應進行后場預拼，預拼臺座的尺寸應根據(jù)鋼錨梁的尺寸進行搭建，臺座必須經(jīng)抄平后才能進行預拼。鋼錨梁預拼的程序如下：

① 將鋼錨梁吊至臺座上，進行牛腿板的縱橫垂直度的檢測、牛腿板的張口尺寸檢測、牛腿頂面相對標高的調整。

② 按圖紙設計位置精確測量定位，在塔柱上放樣出需要安裝的鋼錨梁及牛腿的準確位置，并進行鋼錨梁軸線和邊線的放樣。

③ 鋼錨梁及鋼牛腿吊裝之前，采用鑒定鋼尺、精密水準儀和全站儀對已經(jīng)連接好的鋼錨梁（包括索套管）及鋼牛腿的幾何尺寸、高程測量觀測點、結構軸線測量控制點、標記等進行檢查。如果檢查有誤或誤差超過設計及規(guī)范要求，通知有關單位重新檢核或整改。

④ 如圖5所示，將鋼錨梁運至主塔牛腿主要水平位置。監(jiān)測點位為圖示6個臨時點，現(xiàn)場做點。

2.5.2 鋼錨梁安裝定位

主塔鋼錨梁及索套管安裝定位是測量控制難度最大、精度要求最高的部分。

鋼錨梁定位的方法以TC1201+全站儀三維坐標法為主，鋼錨梁及鋼牛腿底面高程、頂面高程、平整度測量采用水準儀測量的方法，用全站儀三角高程測量的方法校核。

安裝鋼錨梁定位的關鍵是控制中心軸線、高程及平整度，使主塔中心線與鋼錨梁結構中心軸線重合。

鋼牛腿作為鋼錨梁的依托架，其定位精度直接影響鋼錨梁的定位精度，尤其是鋼牛腿頂面相對高差的控制精度，直接控制鋼錨梁的平整度。

第一節(jié)鋼錨梁及鋼牛腿安裝定位控制更是關鍵。安裝的精度直接影響整個鋼錨梁的幾何線型，應確保鋼錨梁表面傾斜度偏差<1mm/全平面，軸線的平面位置偏差<2mm。安裝程序如下：

① 將第一節(jié)鋼錨梁段用塔吊吊至調位底座座上，先安裝定位螺栓，再進行微調，使鋼錨梁中心線與調位底座中心線重合。

② 復測鋼錨梁平面位置、高程、平整度及傾斜度。

③ 若截面角點、特征點、軸線點等鋼錨梁定位控制測點的實測三維坐標與設計三維坐標不符，應重新就位鋼錨梁，調整至設計位置，將誤差調整至設計及規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

④ 上述工作符合要求后，進行高強度螺栓的安裝和施擰工作。

第二節(jié)以及以后各節(jié)鋼錨梁安裝時，先用匹配的沖釘精確定位，再進行復測，將誤差控制在設計及規(guī)范允許范圍。嚴格控制每節(jié)段鋼錨梁的平面位置、高程、傾斜度、頂面平整度，避免誤差向上傳遞累積。

2.5.3 牛腿安裝定位

第一節(jié)鋼牛腿安裝控制時，采用全站儀天頂距進行標高傳遞，鋼牛腿平整度盡量控制在1mm（測點如上圖6黑點）。由于鋼牛腿制造誤差，每安裝5節(jié)標高都采用全站儀天頂距傳遞。標高，平整度，垂直度，都滿足施工規(guī)范要求后可進行平面位置控制。

第一節(jié)鋼牛腿安裝的平面位置控制仍屬于重中之重，其測點位置如圖6所示。安裝的主要工作如下：

① 根據(jù)圖紙?zhí)峁┑匿撳^梁相關結構尺寸，在平面位置測量前先用直尺、鋼卷尺在鋼牛腿上標出如圖6所示的1，2，3，6，7，8點位。4，5，點位是鋼錨梁的錨固點，可以使用十字精構件測量其中心坐標。每節(jié)鋼錨梁都是靠鋼牛腿連接。實測1，2，3，6，7，8點位的坐標與設計坐標對比滿足施工規(guī)范要求就能定位成功。

② 對于不能直接測定的控制測點，可根據(jù)已測定的點與不能直接測定點的相對幾何關系，用邊長交會法檢查定位。

放樣時采用全站儀一次性測放同批次鋼牛腿定位點，力求減少放樣點內(nèi)部相對誤差，采用鑒定鋼尺對結構點進行放樣尺寸檢核。

在鋼牛腿安裝過程中采用預焊同步結構尺寸檢查，對結構尺寸及頂面高程檢查無誤后做永久焊接。

③ 采用水平儀對鋼牛腿頂面進行竣工測量，在鋼牛腿上一次性測放鋼錨梁的定位點，杜絕時間跨度過大，造成外部氣象條件的變化。

④ 測放完畢后采用檢定鋼尺進行放樣點的結構尺寸檢查，無誤后作為鋼錨梁定位的依據(jù)。定位一定要選取氣象條件穩(wěn)定，尤其要選取外部溫度穩(wěn)定，沒有側面日照影響的時間進行鋼牛腿控制點位的測放。

由于鋼錨梁的錨固點與牛腿板是一個整體，將牛腿板調整到位后錨固點基本到位，至于出塔口管是后期安裝，需在安裝完成后對其進行觀測反算實際坐標與設計坐標值的差值，然后進行調整。所有部位調整完成后，最后進行一次通測，保證各監(jiān)測部位全部調整到符合的精度范圍內(nèi)。

3 三維坐標測量放樣的誤差分析

赤石特大橋對塔身曲線要求極高，每節(jié)塔柱的高程直接影響到每個角點的坐標。包括后期的鋼錨梁定位均與高程有直接關系，對于三維坐標的誤差分析至關重要。

由于鋼錨梁測量要求精度高、需要實時進行三維空間定位，特別是孔道位置的三維位置偏差要小于2mm，因此以2mm測量誤差來進行誤差的分析。隨著測量儀器設備的發(fā)展，特別是在高程方面，可以利用三角高程來進行高程測量作業(yè)，由于測量儀器受到大氣、環(huán)境、大氣折光、溫度等方面的影響，還同時受到測量儀器的誤差、人為的對中整平、瞄準觀測等因素的影響，因此三維極坐標法放樣主要有以下幾個誤差來源。

3.1 測量誤差的來源

第一，儀器測距精度的影響。

設儀器測距精度等的影響為M1，采用TC1201+全站儀（或等精度儀器），其測距精度為：±1mm+±1.5ppm×D，從控制點觀測中主塔墩時視線長約為400m。則mm。

同時由于有溫度變化、氣壓變化對測量產(chǎn)生了測量誤差的影響，在施工作業(yè)中可以準確地測出大氣的溫度、氣壓值，通過對儀器設置數(shù)據(jù)的更改，當溫度測量誤差小于1℃氣壓測量誤差小于3.4mbar時，對測距的影響為1ppm，因此mm。

第二，儀器水平方位角的誤差影響。

設水平方位角的誤差影響為M2，采用的TC1201+全站儀標稱測角精度為1″，經(jīng)鑒定滿足精度要求，因此取M2=±1″。

第三， 豎直角觀測誤差的影響。

設豎直角觀測誤差的影響為M3，采用的TC1201+全站儀經(jīng)鑒定滿足精度要求，因此取M3=±0.5″。

第四，控制點點位誤差的影響。

設控制點點位誤差的影響為M4，由于控制點進行平差處理后都存在點位誤差，見《赤石特大橋控制網(wǎng)復測報告》建立了高精度的局部控制網(wǎng)，可以取M4=Mx=My=1mm，取高程M4=±1.0mm，對于塔柱的每一個施工測量部位而言，均采用三維極坐標法進行施工放樣，因此：

3.2 斜拉橋索導管的定位原理--索導管軸線的空間直線方程

依據(jù)設計圖紙給出的索導管參數(shù)，計算每一個索導管軸線上錨固點和索導管中心出塔點的坐標，計算索導管軸線與X軸的夾角α。由此可歸納出索導管軸線的計算公式為：

X=X0±D*SIN（α）；Y=13.080；Z= Z0±D*COS（α）。

其中，X0、Y0 、Z0 是索導管錨固點的坐標；D是兩實際測量點的空間距離；X、Y、Z是索導管軸線上D距離處的理論計算坐標。

4 定位過程中須解決的問題

第一，進行索導管定位時，由于索塔砼受到日照、索塔砼內(nèi)部溫度不均、風力等因素影響，上塔柱位置發(fā)生隨機的變化。

若進行索導管的高精度定位，應選擇合適的測量時間，在沒有日照、沒有3級以上大風、并且空氣溫度及索塔溫度變化不大的時段里進行索導管高精度定位。因此一般情況下宜選擇在夜里8點到第二天早上5點進行測量定位作業(yè)，以減弱索塔變形對索導管定位精度的影響。

第二，由于在定位測量時不可能做到對向觀測，用三角高程法測量三維坐標時要盡量消除球氣差對高程的影響。

在5、6號墩的0#塊上采用全站儀對向觀測8個測回豎角及斜距計算高差，各項指標應按二等跨河水準技術要求執(zhí)行，并用同樣的方法與7、8號墩0#塊上高程進行聯(lián)測后，在每個主墩0#塊上測設出一個高精度高程控制點H0，在進行索導管三維測量時，測量0#塊上高程控制點的高程H，計算△，再利用公式進行計算。

進行索導管定位時，測點于0#塊上高程控制點之間的地球曲率及折光系數(shù)之差，用計算所得值在全站儀里對設置的K 值進行修正。由于視線所通過的環(huán)境與后視大致相同，可以基本消除球氣差對高程測量的影響。

第三，由于赤石特大橋的平面控制點在平差時已經(jīng)投影到+450m高程面，上塔柱測量時也應該消除投影對距離的影響，因此在上塔柱施工高程大于+500m時，還要進行將距離歸算到+450m高程面的投影改正，提高塔柱的位置和索導管的定位精度。投影改正值為。

式中，h為測站點與被測點的平均高程與450m高程之差。

一般在全站儀里采用對棱鏡常數(shù)進行修正的辦法修正測量距離或是在儀器上設置投影高程面改正。

第四，儀器具有的一些機械誤差可能會由于時間和溫度的變化而變化，因此在進行上塔柱和索導管的定位前應調較儀器的雙軸補償縱橫向指標差、垂直編碼度盤指標差、水平視準差、水平軸傾斜誤差等項目。

第五，三維測量的高精度要求棱鏡必須正對儀器，在對上塔柱和索導管定位時，傾角較大，如果無法準確照準棱鏡中心就會嚴重影響豎直角的觀測精度，同時由于儀器測距發(fā)射管的相位不均勻性以及飛旋標效應而影響測量精度。

除以上應注意的問題外，在安裝定位的過程中還存在施工偏差。

根據(jù)設計要求錨墊板中心偏差小于1mm，因此可以計算施工的偏差不應大于2mm。測量時應盡量調整，當測量值與設計坐標差值小于2mm后可以不做調整，否則必須重新調整再測量。

赤石特大橋主塔施工測量時，采用了最先進的測量機器人徠卡TS30，同時考慮了日照、溫差、球氣差、投影面等因素對測量工作的影響，滿足了整個施工過程中的測量精度要求，將赤石特大橋的優(yōu)美曲線完美的展示在世人面前。