長距離多幅線性高架橋梁水平位移監(jiān)測方法研究

吳乃龍

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著國民經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化進程愈加快速，高架橋梁在各大中城市交通路網(wǎng)中起著愈加重要的作用。而如高架橋梁此類的大型建(構)筑物，在竣工后均需長期的監(jiān)測[1]，以便掌握其使用期間的變形數(shù)據(jù)，確保安全運營。但長距離多幅線性高架橋梁的監(jiān)測，傳統(tǒng)方法[2，3]往往需要投入大量人力或設備，效率較低，尋求一種操作和計算均較為簡便的監(jiān)測方法，對于城市交通安全發(fā)展運營顯得尤為重要。

為此，文中提出一種基于GNSS和導線測量布設水平位移基準網(wǎng)的方向觀測法[4]，該方法操作常規(guī)、坐標系易統(tǒng)一[5]、后期數(shù)據(jù)處理方便，有效提高了長距離多幅線性高架橋梁監(jiān)測作業(yè)效率，并以福州環(huán)島路第一標高架段工程為例，驗證了此方法的高效性。

2 傳統(tǒng)監(jiān)測方法

2.1 自由設站法[6]

全站儀自由設站法是在一個任意點上設站，對多個已知平面控制點(至少兩個)和待定點進行邊角觀測，將觀測得到的方向值、距離值和天頂距按間接平差或條件平差[7，8]方法進行計算，從而得到設站點和待定點的坐標值。

圖1中P為任意設站點，Oi為已知點，di為待定點，Wi為方向值，Si為距離，KP為測站定向角，ai為方位角，i=1，2，…，n。

基于自由設站法單站多方向觀測原理，此方法主要適用于距離較短的線性高架橋梁或范圍較小的匝道等。若長距離線多幅性高架橋梁采用自由設站法進行

圖1 自由設站法觀測示意圖

觀測，則需在測區(qū)內(nèi)選取多個測站，而每個測站的水平位移基準網(wǎng)均為獨立。此時，將多個水平位移基準網(wǎng)統(tǒng)一坐標系是一個較為繁雜的步驟，其次，選取比測站還多的水平位移基準點也是較為困難且繁重的工作。

由上可見，若采用全站儀自由設站法對長距離多幅線性高架橋梁進行監(jiān)測，則選埋基準點工作量大、后期數(shù)據(jù)處理運算也較困難。

2.2 基于GNSS布設水平位移基準網(wǎng)的極坐標法[9，10]

由于長距離多幅線性高架橋梁測區(qū)范圍一般較廣，故可考慮采用在測區(qū)兩側選取水平位移基準網(wǎng)控制點，采用GNSS觀測方法獲取統(tǒng)一坐標系下的水平位移基準網(wǎng)數(shù)據(jù)，而后利用已知數(shù)據(jù)采用極坐標法對測區(qū)進行監(jiān)測。

該方法雖然在建立統(tǒng)一坐標系上較方便，但對點位選取的要求很高。首先，因受觀測精度影響，選取的點位間隔不能太近，而選取間隔太遠，則通視條件必然受到影響，如不能通視，則無法完成定向；其次，同樣受觀測精度影響，不能距離高架橋梁下方太近，故只能布設于高架橋梁附近上方或者較遠的位置。若選取高架橋梁附近上方布設，則箱梁下方的橋墩頂部位移則無法觀測，若選取距離高架橋梁較遠的位置，則觀測精度會受到一定影響。GNSS水平位移基準網(wǎng)布設示意圖如圖2所示。

圖2 GNSS水平位移基準網(wǎng)布設示意圖

由上可見，若采用基于GNSS布設水平位移基準網(wǎng)的極坐標法對長距離多幅線性高架橋梁進行監(jiān)測，則對選埋的水平位移基準點要求高，且觀測精度不能保證。

3 一種基于GNSS和導線測量布設水平位移基準網(wǎng)的方向觀測法

3.1 水平位移布設基準網(wǎng)方法

(1)GNSS控制點選取

根據(jù)長距離線性多幅高架橋梁結構特點，分別在結構兩端監(jiān)測體外部穩(wěn)固區(qū)域選取2個相互通視的GNSS控制點，即各選取一條起算邊，要求兩端起算邊能與測區(qū)各自端頭附近的某座內(nèi)側橋墩通視即可。

(2)導線點選取

根據(jù)測區(qū)通視條件，在多幅高架橋梁內(nèi)側即結構橫斷面中選取導線點，并隨測區(qū)線路方向逐點布設，間距設為 150 m～300 m，相鄰導線點間兩兩通視。為此，可與GNSS控制點組成一條(或多條)附合導線。

3.2 方向觀測法

以已布設的附合導線為水平位移基準網(wǎng)，監(jiān)測時以導線點作為工作基點，以其相鄰一端的通視導線點為定向點，以其相鄰另一端的通視導線點為檢核點，采用方向觀測法對測區(qū)監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集。

4 工程實例

4.1 工程概況

福州市環(huán)島路工程第一標段全長 1 534.852 m，其中里程K0+391至K1+289為高架段，主線橋分左、右兩幅，并于里程K0+540斷面有兩幅長度均為 320 m(高架段長度分別 233 m、165 m)的G、H附屬匝道橋。主線橋左、右幅各設有30排(31座)橋墩，G、H匝道各設有5座橋墩，并建有上下行路基段。為獲取工程主附橋梁運營期結構變形數(shù)據(jù)，需對其進行水平位移和豎向位移監(jiān)測。(本工程豎向位移采用幾何水準測量法進行觀測，因?qū)嵤┹^為簡易，故不再贅述。)

4.2 水平位移基準網(wǎng)布設

根據(jù)工程線性結構特征，水平位移基準網(wǎng)采用GNSS控制網(wǎng)結合附合導線測量法進行布設。其中在小里程端和大里程端測區(qū)外，分別選取2個GNSS控制點GNA、GNB、GNC、GND作為起算邊，在主線橋左幅內(nèi)側里程K0+360、K0+713和主線橋右幅內(nèi)側里程K0+525、K1+080橋墩上各選取1個導線點，組成一條附合導線(如圖3所示)。

圖3 水平位移基準網(wǎng)布設示意圖

4.3 水平位移基準網(wǎng)測量

(1)GNSS控制網(wǎng)測量

采用Trimble R4型接收機(標稱靜態(tài)精度：3 mm+0.5 ppm)，按《建筑變形測量規(guī)范》-JGJ8-2016二等測量作業(yè)要求進行，如表1所示。

GNSS靜態(tài)測量技術要求 表1

其中本次施測觀測時段為60 min，采樣間隔為 15 s。GNSS控制網(wǎng)獨立觀測2次。以城市連續(xù)運行CORS站為起算數(shù)據(jù)，經(jīng)基線解算、三維無約束平差和二維約束平差，獲得GNA、GNB、GNC、GND起算點坐標，如表2、表3所示。

三維無約束平差最弱精度統(tǒng)計一覽表 表2

二維約束平差最弱邊精度統(tǒng)計一覽表 表3

(2)附合導線測量

采用Leica TM50高精度全站儀(標稱精度：0.5″，0.6 mm+1 ppm)，以GNA-GNB、GNC-GND為起算邊，ZEJ1、ZEJ2、ZEJ3、ZEJ4為導線點，按《工程測量標準》GB50026-2020四等導線測量要求進行獨立觀測2次，經(jīng)約束平差，獲得各導線點坐標。本項目水平位移基準網(wǎng)觀測精度如表4所示：

水平位移基準網(wǎng)精度統(tǒng)計表 表4

4.4 水平位移監(jiān)測點布設與觀測

(1)水平位移監(jiān)測點布設

本工程水平位移監(jiān)測點布設原則：在各橋墩頂部布設1個監(jiān)測點，箱涵伸縮縫左右兩側各布設1個監(jiān)測點，路基段與箱涵銜接處布設1個監(jiān)測點。本項目主線橋共布設96個監(jiān)測點，附屬匝道橋共布設12個監(jiān)測點，合計108個監(jiān)測點。

(2)水平位移監(jiān)測點觀測

采用Leica TM50高精度全站儀，分別以GNSS控制點已知點、導線點作為工作基點和定向點，按《建筑變形測量規(guī)范》-JGJ8-2016二等水平位移監(jiān)測要求，以方向觀測法進行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)平差數(shù)據(jù)處理，最弱點精度符合規(guī)范(坐標中誤差 3 mm)要求，如表5所示：

水平位移監(jiān)測網(wǎng)精度統(tǒng)計表 表5

5 結 語

隨著國內(nèi)各大城市交通路網(wǎng)完善，提高土地空間利用率，線性多幅高架橋梁也越來越多，其安全運營有著至關重要的意義。傳統(tǒng)監(jiān)測方法對于大型線性建(構)筑物有諸多受限情形，采用文中所述方法可提高作業(yè)效率。

(1)采用儀器設備均為常見設備，主要在于基準網(wǎng)布設的方法不同。導線點布設于結構內(nèi)部相對布設在測區(qū)兩側，內(nèi)側布點可增加單站觀測點數(shù)，減少設站次數(shù)。

(2)工作基點間通視，可對工作基點穩(wěn)定性檢核，同時還能將相鄰設站個別通視受限的監(jiān)測點補測完整，減少漏測率。

(3)水平位移基準網(wǎng)坐標系具有統(tǒng)一性，大大減少了后期數(shù)據(jù)處理的工作量。

(4)若測區(qū)是超長距離多幅線性高架橋梁，可能需要布設超過10個以上的導線點時，則可在中部增加GNSS控制邊，保證水平基準網(wǎng)精度。

此外，文中所述方法主要適用于陸地部分的長距離線性高架橋梁，水面部分主要還是采用傳統(tǒng)兩側、兩岸的觀測方法，仍處于低效率作業(yè)階段，提高其水面部分的作業(yè)效率還有待進一步研究。