懸索橋主塔、主纜測(cè)量難點(diǎn)分析及測(cè)量方法

黃新偉

摘要： 武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋地處市區(qū)中心，位于武漢長(zhǎng)江大橋上游約2.3公里處，是規(guī)劃的新內(nèi)環(huán)線重要組成部分。其施工現(xiàn)場(chǎng)受地形、氣候條件影響較大，橋梁橫跨長(zhǎng)江兩岸，這使得在鋼塔施工和基準(zhǔn)索調(diào)索測(cè)量工作中，傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)測(cè)量和對(duì)向三角高程測(cè)量都變得不可行。為了解決這個(gè)難題，本文提出了一種基于單向三角高程測(cè)量的基準(zhǔn)索線形測(cè)量新方法，它很好地解決了基準(zhǔn)索股單向三角高程測(cè)量、邊跨中跨跨度精密測(cè)量以及跨越江河峽谷的高精度二等水準(zhǔn)測(cè)量等一系列難題，為施工的順利進(jìn)行提供了有力的保證。

Abstract： Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge located in the city center of Wuhan. It is about 2.3 kilometers to the upper reaches of Wuhan Yangtze River Bridge and it is an important part of the planning of the new link. Its construction site is affected by topography， climate conditions， and its bridge across Yangtze River. All of these make the traditional leveling and opposite trigonometric leveling become infeasible in the steel tower construction and benchmark cable adjustment. In order to solve this problem， this paper presents a new method of baseline cable alignment based on unidirectional trigonometric leveling. It is a good way to solve the standard cable strand one-way trigonometric leveling， the precision measurement of sidespan and midspan spans and high-precision second-class measurement of the rivers and valleys and other a series of problems to provide powerful guarantee for the smooth progress of the construction.

關(guān)鍵詞： 懸索橋；基準(zhǔn)索股；鋼塔拼裝；單向三角高程測(cè)量

Key words： suspension bridge；fiducial strand；steel tower assembly；unidirectional trigonometric leveling

中圖分類號(hào)：U448.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0163-04

0 引言

近年來(lái)，為了適應(yīng)大跨越大型跨江工程以及跨海工程建設(shè)的需求，大跨徑懸索橋方案在國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)設(shè)計(jì)被提出來(lái)，現(xiàn)作為武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋的建設(shè)已投入到實(shí)際運(yùn)用中。大跨徑懸索橋的研究也是當(dāng)前橋梁學(xué)科中最重要最活躍的領(lǐng)域之一。本文著重分析了大跨徑懸索橋測(cè)量施工控制技術(shù)，來(lái)提高測(cè)量工作效率及測(cè)量精度。

1 工程概況

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)?00+850+850+200m三塔四跨懸索橋，中塔2#位于長(zhǎng)江中，結(jié)構(gòu)為鋼-砼疊合，下塔柱采用鋼筋混凝土框架，上塔柱采用鋼塔柱。中塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為門式結(jié)構(gòu)，有上、下塔柱及上、下橫梁組成。其中下塔柱及下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱及上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，塔高（從承臺(tái)頂面算起）為152.0m，其中上塔柱鋼結(jié)構(gòu)高105.7m，混凝土塔柱高45m，塔座高1.3m。塔柱間中心距：在塔頂處36m，承臺(tái)頂處40m，上塔柱斜率1：53.5，混凝土下塔柱豎直。上塔柱縱向呈人字形結(jié)構(gòu)，高105.7m（從混凝土塔座中心算至鞍座底），塔頂高程為159.5m，塔柱兩條斜腿中心交點(diǎn)的高程為+87.8m，兩斜腿在塔底的叉開量為17m，斜腿段傾斜度為1：4。

2 高塔施工測(cè)量重點(diǎn)難點(diǎn)

2.1 高塔施工測(cè)量主要特點(diǎn)

①塔高、觀測(cè)仰角大難于照準(zhǔn)目標(biāo)。

②自然條件差，天氣影響大，夜間高空作業(yè)難度大。

③施工干擾嚴(yán)重，大氣折光異常。

④溫差、日照等引起高塔周日變形大。

主橋控制網(wǎng)中看出，最近的控制點(diǎn)DQ11距離2#墩中心有950m，采用全站儀坐標(biāo)測(cè)量時(shí)存在以下缺點(diǎn)：1）由于外界環(huán)境綜合因素影響，對(duì)測(cè)量效率、精度影響大；2）塔身施工線形監(jiān)控采用常規(guī)測(cè)量方法無(wú)法保證成果的準(zhǔn)確性。3）如在岸邊設(shè)站測(cè)量，坐標(biāo)測(cè)量值受江面大氣折光、霧氣等影響大； 4）塔身高程傳遞采用懸掛鋼尺受外界環(huán)境影響大，采用三角高程測(cè)量無(wú)法進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，都難以保證測(cè)量規(guī)范精度。

針對(duì)鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋2#施工測(cè)量難點(diǎn)，結(jié)合不同施工段，我們采取了不同的測(cè)量方法和措施保證測(cè)量的精度。

2.2 平面施工控制網(wǎng)及加密

為了保證工程質(zhì)量和方便施工結(jié)合本橋的特點(diǎn)建立專用施工控制網(wǎng)。首先在圍堰下沉到位穩(wěn)固后在圍堰埋設(shè)4個(gè)加密控制點(diǎn)，其后保證T1、T2精準(zhǔn)的測(cè)量相對(duì)精度，為此在下橫梁頂預(yù)埋4個(gè)加密點(diǎn)。通過(guò)建立三角網(wǎng)，首先由主網(wǎng)加密SH05、XW08，再由此加密測(cè)量點(diǎn)XH06、SW07，最后進(jìn)行嚴(yán)密平差計(jì)算。并在復(fù)測(cè)過(guò)程中，使用靜態(tài)GPS測(cè)量，將加密點(diǎn)納入主網(wǎng)進(jìn)行復(fù)核。

2.3 高程傳遞方法

在橋建設(shè)中，塔柱高程傳遞是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作。由于大橋施工在寬闊的江面上進(jìn)行，其復(fù)雜的觀測(cè)環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)施工的影響使得一般的高程傳遞方法在這里遇到了極大的困難，精度大大降低。對(duì)于該環(huán)境下的高程傳遞應(yīng)使用特殊的測(cè)量方法。高程傳遞采用三角高程跨江水準(zhǔn)測(cè)量（二等）法，將高程點(diǎn)傳遞到加密點(diǎn)上，當(dāng)塔柱拼接到T4階段及往后時(shí)，高程控制采用全站儀天頂測(cè)距法進(jìn)行高程傳遞。

3 錨桿定位安裝測(cè)量控制

定位架是錨桿現(xiàn)場(chǎng)定位的基礎(chǔ)，定位架由立柱、平聯(lián)、斜撐桿及錨梁組成?，F(xiàn)場(chǎng)定位時(shí)首先安裝底梁支架，然后采用限位器和千斤頂進(jìn)行錨梁的初定位和精確定位，隨后，接高定位架、吊裝錨桿、錨桿精確定位。錨桿的施工質(zhì)量直接關(guān)系到錨桿的錨固能力，只有保證施工質(zhì)量才能提高錨固技術(shù)使用的可靠性，才能發(fā)揮錨固技術(shù)較大的經(jīng)濟(jì)效益。鋼塔錨桿是鋼塔拼裝的基礎(chǔ)，必須進(jìn)行精確定位。

錨桿定位前，先定位安裝定位架，定位架安裝好以后，定位錨桿錨固用的錨梁和限位梁再進(jìn)行吊裝錨桿。在錨桿定位完成，進(jìn)行下一步工序，綁扎鋼筋，在混凝土澆筑前復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)大部分錨桿出現(xiàn)位移，需要重新對(duì)錨桿定位，由此增加了測(cè)量人員工作量，造成施工進(jìn)度上不去，工作效率低。分析原因有如下：

①錨桿固定使用鋼板進(jìn)行為一次性固定，若其它物品碰撞錨桿，導(dǎo)致鋼板嵌入錨桿保護(hù)層使錨桿定位產(chǎn)生偏移；

②錨桿在精定位后，開始進(jìn)行鋼筋綁扎工作，波紋管穿設(shè)及模板拉桿安裝等，部分鋼筋、拉桿別住錨桿使錨桿產(chǎn)生偏移；

③錨桿安裝時(shí)天氣炎熱，上午、中午和下午的溫差較大，對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度產(chǎn)生影響。

針對(duì)上述情況制定對(duì)策：

1）優(yōu)化錨桿固定方案；

2）安排專人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，及時(shí)提醒施工人員不合理的施工對(duì)錨桿定位產(chǎn)生影響；

3）在氣溫較高情況下測(cè)量，并配備遮陽(yáng)傘，防止因溫度過(guò)高造成測(cè)量誤差。

針對(duì)錨桿固定方式優(yōu)化錨桿固定方案（在錨桿限位梁上安裝錨桿固定及調(diào)節(jié)一體裝置），優(yōu)化示意圖如下圖1，使用與錨桿同等直徑的鋼管來(lái)固定錨桿，增加與錨桿的接觸面積，防止因他物碰撞錨桿破壞錨桿保護(hù)層使其發(fā)生偏移。通過(guò)焊接在限位梁上的螺栓調(diào)整錨桿，大大提高了錨桿的精調(diào)效率。

4 鋼塔施工測(cè)量及控制

4.1 鋼塔拼裝的特點(diǎn)

①制作現(xiàn)場(chǎng)要對(duì)鋼塔各節(jié)段進(jìn)行立式匹配拼裝測(cè)量，測(cè)量的成果得納入到現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)體系；

②鋼塔拼裝精度要求較高，防止誤差累計(jì)造成調(diào)整節(jié)段調(diào)整困難，影響整體質(zhì)量；

③各分節(jié)段拼裝施工平面和高程精度要求高，必須解決測(cè)量過(guò)程中外界環(huán)境帶來(lái)的影響；

④拼裝測(cè)量的全部工作應(yīng)該在夜間22：00至凌晨5：00完成。

在鋼塔拼裝施工時(shí)，塔柱節(jié)段的內(nèi)外拼接板在該節(jié)段吊裝安裝之前就已預(yù)先拼裝好，使得該節(jié)段在吊裝之后，測(cè)量作業(yè)空間受到極大限制，架設(shè)三腳架不便，影響測(cè)量精度。此時(shí)為能更方便架設(shè)測(cè)量?jī)x器，同時(shí)提高測(cè)量精度，特制定一個(gè)塔柱拼裝專用強(qiáng)制對(duì)中盤如圖2，施工架設(shè)方法如圖3。

4.2 塔柱施工測(cè)量控制

T（n+1）節(jié)段底口對(duì)位Tn節(jié)段頂口，全站儀設(shè)站DQ11，后視DQ8，轉(zhuǎn)點(diǎn)至上游側(cè)頂口，儀器搬站至轉(zhuǎn)點(diǎn)，后視DQ11，建站，以此控制T（n+1）節(jié)段。把小棱鏡放置到橫橋向軸線，首先將節(jié)段順橋向調(diào)正；然后小棱鏡放置順橋向軸線，將節(jié)段橫橋向調(diào)正。其間節(jié)段順橋向會(huì)有變動(dòng)，重新進(jìn)行調(diào)正——如此反復(fù)，直至節(jié)段軸線與設(shè)計(jì)軸線重合，測(cè)量結(jié)果無(wú)誤后，進(jìn)行下一步施工。

5 主纜測(cè)量控制

5.1 主纜調(diào)整注意事項(xiàng)

①主纜架設(shè)時(shí)基準(zhǔn)索股的測(cè)量與調(diào)整，是懸索橋主纜架設(shè)中最關(guān)鍵的一環(huán)。由于一般索股的垂度測(cè)定是以基準(zhǔn)索股為參照基準(zhǔn)，因此基準(zhǔn)索股垂度調(diào)整的精度決定著整個(gè)主纜架設(shè)的精度，所以應(yīng)嚴(yán)格控制基準(zhǔn)索的垂度測(cè)量和調(diào)整精度。

②主纜架設(shè)前應(yīng)選擇氣候條件較為穩(wěn)定的時(shí)段測(cè)定裸塔時(shí)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。

③索股受溫度影響很大，每次調(diào)整索股時(shí)必須測(cè)量索股與基準(zhǔn)索股間的溫差再可調(diào)整。

④測(cè)量時(shí)間盡量安排在夜間風(fēng)速較小、無(wú)雨、霧、溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)，一般在晚上23：30至凌晨3：00完成。

5.2 主纜索股架設(shè)測(cè)量控制

主纜架設(shè)測(cè)量時(shí)應(yīng)在橋址兩岸各選擇適當(dāng)控制點(diǎn)2個(gè)，四臺(tái)測(cè)量機(jī)器人在此分別設(shè)站，同步觀測(cè)主纜上設(shè)置的棱鏡及塔頂上下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的固定塔偏監(jiān)測(cè)用棱鏡。

基準(zhǔn)索股垂度調(diào)整方法是采用絕對(duì)高程法，根據(jù)基準(zhǔn)索股跨中設(shè)計(jì)坐標(biāo)及里程，測(cè)設(shè)基準(zhǔn)索股邊跨及中跨跨中點(diǎn)位，并刻劃標(biāo)志，安裝棱鏡夾如圖4。利用全站儀雙測(cè)站單向三角高程測(cè)量法，測(cè)量基準(zhǔn)索跨中位置棱鏡夾上兩棱鏡中心高程，然后換算出基準(zhǔn)索中跨跨中高程，上下游基準(zhǔn)索股高差；同時(shí)，還應(yīng)測(cè)量塔頂偏移、索股溫度等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)報(bào)監(jiān)控單位用于計(jì)算索股調(diào)整長(zhǎng)度并作溫度和跨度修正?；鶞?zhǔn)索股垂度調(diào)整完成后，應(yīng)對(duì)其線形至少連續(xù)觀測(cè)三個(gè)晚上。一般索股垂度調(diào)整方法是采用相對(duì)于基準(zhǔn)索股進(jìn)行垂度調(diào)整如圖5。

一般索股相對(duì)垂度的調(diào)整，通常采用相對(duì)垂度法，即使用大型卡尺測(cè)定相對(duì)基準(zhǔn)索股與一般索股的高差，并以基準(zhǔn)索股為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整一般索股，該法調(diào)整示如上圖。在主纜索股的整個(gè)架設(shè)過(guò)程中，要經(jīng)常對(duì)基準(zhǔn)索股進(jìn)行監(jiān)控觀測(cè)。在主纜架設(shè)1/3，1/2，2/3時(shí)都要仔細(xì)地測(cè)量，并做好記錄進(jìn)行比較。當(dāng)實(shí)測(cè)1號(hào)基準(zhǔn)索股與理論值存在較大偏差或不便測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)第二根或第三根基準(zhǔn)索，以替代基準(zhǔn)索股作為后期索股架設(shè)的依據(jù)，以確保每一根索股相對(duì)于基準(zhǔn)索的調(diào)整誤差滿足設(shè)計(jì)要求。

6 影響施工測(cè)量精度分析

6.1 影響全站儀天頂測(cè)距法高程傳遞因素

影響全站儀天頂測(cè)距法高程傳遞精度的因素主要有：①測(cè)量距離的誤差；②常數(shù)測(cè)定誤差；③設(shè)置鉛垂線的誤差；④水準(zhǔn)測(cè)量高差的誤差。

測(cè)量距離誤差：氣象代表性誤差主要以比例誤差的形式影響測(cè)距誤差，通常1℃的溫度誤差對(duì)測(cè)距影響約為10-6。對(duì)于豎直傳高，傳遞的高度在500m內(nèi)。這個(gè)距離對(duì)于全站儀測(cè)距來(lái)說(shuō)很短，因此該項(xiàng)影響可以忽略。

設(shè)置鉛垂線的誤差：理論位置（棱鏡中心位置）與全站儀目鏡中心在同一鉛垂線上，如全站儀實(shí)際照準(zhǔn)位置在棱鏡上面有偏差，全站儀測(cè)距讀數(shù)為D，實(shí)際高差就為H=D*cosα，設(shè)置鉛垂線的誤差為

ΔH=-Dsinα=-R

對(duì)于500m高程傳遞產(chǎn)生的誤差為0.4mm的偏差，相對(duì)于帶自動(dòng)補(bǔ)償功能的全站儀而言，這項(xiàng)誤差影響很小。

對(duì)于水準(zhǔn)儀測(cè)量的精度，瞄準(zhǔn)和讀數(shù)誤差是產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源，為了減小誤差可以縮短視距長(zhǎng)度。

6.2 影響全站儀放樣及三角高程測(cè)量因素

三角高程測(cè)量的精度主要是受高度觀測(cè)精度的限制和大氣折光的影響。在測(cè)量作業(yè)前先通過(guò)對(duì)已知點(diǎn)測(cè)量計(jì)算出大氣折光的影響值，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)加以改正。在有太陽(yáng)的中午前后一段時(shí)間，望遠(yuǎn)鏡成像受大氣影響而跳動(dòng)，嚴(yán)重影響觀測(cè)高度角的精度。在日落、日出時(shí)，大氣折光系數(shù)變化較大，因此測(cè)量時(shí)間盡量安排在夜間風(fēng)速較小、無(wú)雨、霧、溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)完成。

①測(cè)距誤差：儀器測(cè)距精度M1：采用徠卡TCA2003全站儀，其測(cè)距精度為1mm+1ppm×D，從DQ11觀測(cè)中塔時(shí)視線長(zhǎng)約為900m，則M1=±（12+（1×0.9）2）0.5mm=±1.345mm，同時(shí)由于有溫度變化、氣壓變化對(duì)測(cè)量產(chǎn)生了測(cè)量誤差的影響，在施工作業(yè)中可以準(zhǔn)確地測(cè)出大氣的溫度、氣壓值，通過(guò)對(duì)儀器設(shè)置數(shù)據(jù)的更改，當(dāng)溫度測(cè)量誤差小于1℃，氣壓測(cè)量誤差小于3.4mbar時(shí)，對(duì)測(cè)距的影響為1ppm，因此M1=±（12+（（1+1）×0.9）2）0.5mm=±2.059mm。

②水平角誤差M2：徠卡TCA2003全站儀標(biāo)稱測(cè)角精度為0.5″，在測(cè)量作業(yè)中每次觀測(cè)都必須測(cè)一個(gè)測(cè)回才能作為最終觀測(cè)結(jié)果，因此取M2=±0.5″。

③豎直角誤差M3：徠卡TCA2003全站儀標(biāo)稱測(cè)角精度為0.5″，在測(cè)量作業(yè)中每次觀測(cè)都必須測(cè)一個(gè)測(cè)回才能作為最終觀測(cè)結(jié)果，因此取M3=±0.5″。

④控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差M4：由于控制點(diǎn)進(jìn)行平差處理后都存在點(diǎn)位誤差，根據(jù)第三期復(fù)測(cè)報(bào)告取DQ7、DQ8、DQ11、DQ12最大值M4x=±0.6mm，M4y=±0.5mm，對(duì)于塔柱的每一個(gè)施工測(cè)量部位而言，均采用坐標(biāo)放樣，因此：X=X0+D×cosI×cosA，Y=Y0+D×cosI×sinA。

采用以上測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器，測(cè)量誤差小于8mm，精度滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語(yǔ)

從以上的實(shí)踐分析中可以得出，采用本文提出的高塔施工測(cè)量方法及控制和單向三角高程測(cè)量的基準(zhǔn)索線形測(cè)量方法，完全能夠克服了橋梁跨度大，施工現(xiàn)場(chǎng)工況差和氣候條件惡劣等各種因素的影響，在實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用中，其測(cè)量結(jié)果也能夠很好的滿足施工的需求，在提高工程測(cè)量精度、社會(huì)效益、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本等方面都得到了很好的控制。

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