大跨度懸索橋施工測量控制

1、大跨度懸索橋施工測量控制周瑞祥 (中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司 , 湖北武漢 430050 ) 摘要： 針對大跨度懸索橋施工測量控制過程，分析了大跨度懸索橋施工測量控制 的關鍵技術，介紹了施工測量控制過程中采用的測量方法和儀器設備，介紹的施工測 量控制方法具有一定的合理性和較強的實用性，對在建或待建的大跨度懸索橋施工測 量控制工作具有一定的指導作用。關鍵詞： 大跨度，懸索橋，施工測量控制，關鍵技術Survey control for construction of long-span suspension bridgeZhou ruixiang(China railway Wuhan br

2、idge engineering consultation and supervision,Ltd, Wuhan Hubei, 430050)Summary: for long-span suspension bridge construction surveying control procedures, analysis of key technology of survey control for construction of long-span suspension bridge, introduced in the course of construction surveying

3、control of measurement methods and equipment used, describes the construction measuring control method with a certain rationality and practicality of strong, long-span suspension bridges under construction or to be built in the guiding role of construction surveying control work has a certain.Key wo

4、rds: long-span, suspension bridges, construction survey control of key technology隨著改革開放逐步深入，科學技術和經(jīng)濟的良好發(fā)展，交通事業(yè)取得了前所未有 的跨越式的進步， 我國修建大跨度懸索橋的技術步入了世界先進行列。本文針對懸索 橋施工的特點，對大跨度懸索橋施工測量控制網(wǎng)和施工測量控制關鍵技術進行系統(tǒng)分 析和總結，為大跨度懸索橋的施工測量控制提供借鑒和參考作用。1 施工測量控制網(wǎng)施工測量控制網(wǎng)是工程建設的平面和高程基準，大跨度懸索橋一般為城市橋梁， 如已建成的宜昌西陵長江大橋、揚州潤揚長江大橋、虎門大橋、在建的泰

5、州長江大橋、 武漢鸚鵡洲長江大橋等，因此坐標和高程基準還應納入城市坐標和高程系統(tǒng)中，以便 與城市總體規(guī)劃相融合。1.1 施工測量控制網(wǎng)建立建立施工測量控制網(wǎng)的首要目的是為工程建設提供統(tǒng)一的平面和高程基準，工程 的施工放樣提供基礎控制資料；根據(jù)測量原理和使用儀器設備不同，通常施工測量控 制網(wǎng)又分為施工平面控制網(wǎng)和施工高程控制網(wǎng)兩大部分，隨著 GPS 技術的高速發(fā)展和 廣泛應用，大跨度懸索橋施工平面控制網(wǎng)一般采用 GPS 靜態(tài)測量技術，其實施等級為 公路勘測規(guī)范二等，在跨河部分布網(wǎng)形式一般采用雙大地四邊形或者三大地四邊 形，這樣的網(wǎng)形結構穩(wěn)定，有利用提高整個控制網(wǎng)的精度和可靠性。其平面投影高度 為

6、橋面設計高程的平均值，以確保平面基準統(tǒng)一。在進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時要求：衛(wèi)星高度角15。，同時有效衛(wèi)星總長聲>4h，觀測時段數(shù)4，數(shù)據(jù)采樣間隔冬15s , GDOP <6。網(wǎng)平差采用專用商業(yè)軟件進 行，平差時采用各同步觀測網(wǎng)的獨立基線向量與其全協(xié)方差矩陣作為觀測量，先進行 三維無約束平差，求解各加密點的三維空間坐標；然后，在工程坐標系下進行二維約 束平差，求出施工控制網(wǎng)的工程坐標。其平差后精度指標要求：相鄰平面點間基線水平分量中誤差冬10mm,相鄰平面點間基線垂直分量中誤差Omm，平面控制網(wǎng)中最弱邊相對中誤差冬1/150 000 。施工高程控制網(wǎng)又分為陸地部分和跨河部分，陸地部分水準點

7、之間的高差采用二 等水準測量的等級和精度觀測。觀測技術要求嚴格按照國家一、二等水準測量規(guī)范 執(zhí)行。陸地水準測量外業(yè)觀測結束后，對外業(yè)觀測成果進行限差驗算?？绾铀疁什糠质鞘┕y量控制網(wǎng)的關鍵技術，對于寬水域是個技術難題，必須對 跨河水準測量進行專項技術設計。根據(jù)場地條件、跨河距離分別可采用傾斜螺旋法、 經(jīng)緯儀傾角法和測距三角高程法進行觀測?？绾訄龅鼐雌叫兴倪呅螆D形布設。觀測 過程中，操作程序按照國家規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行，觀測中對測回數(shù)與讀數(shù)組數(shù)、限差進行 嚴格要求。大跨度懸索橋一般為城市橋梁，高差起伏較小，一般采用經(jīng)緯儀傾角法，經(jīng)緯儀 傾角法觀測技術要點如下：1 ）布設跨河線并埋設跨河點，每岸均需布

8、設一個立尺點和一個儀器點。此方法的 觀測采用兩臺 Leica TC/TCA2003 全站儀與水準標尺施測。2）觀測近標尺：首先在全站儀盤左的位置，照準近標尺的基本分劃，讀取最后水平視線的標尺厘米分劃讀數(shù) a，再使水平絲分別照準該分劃線的下、上邊緣各兩次；再縱轉望遠鏡以盤右位置，同時照準該分劃線的上、下邊緣各兩次，便完成了一組觀測近標尺只測一組） 。每次照準分劃線邊緣后，應先使垂直度盤指標氣泡精密符合，再 用光學測微器進行垂直度盤讀數(shù)。 盤左或盤右同一邊緣兩次照準讀數(shù)差， 應不大于 31.3 )近標尺讀數(shù) b 由式（ 1.3 ）計算：b a / d式中：分劃線a的傾角，單位為角秒（）；d 經(jīng)緯儀

9、至標尺點的水平距離，單位為厘米（ cm ）；206265，單位為角秒（）。3）觀測遠標尺：盤左位置用水平絲依次照準下、上標志線四次，每次照準均應同 時使垂直度盤指標氣泡精密符合后，再用光學測微器進行垂直角讀盤讀數(shù)，同一標志 線四次讀數(shù)之差不得大于 3 ?？v轉望遠鏡以盤右位置，按相反次序照準上、下標志線 各四次并如前讀數(shù)。以上操作組成一組觀測。依同法進行其他各組的觀測，各組計算 出上、下標志線的傾角 和 ，組間 或 互差不應大于 4 。上述近、遠標尺讀數(shù)操作組成一岸儀器觀測的半測回，兩岸儀器同時對測各半測回，組成一測回。兩個測回連續(xù)觀測時，測回間應間歇 15 分鐘左右。4 ）每測回觀測前，應仔細

10、檢查覘標的指標線是否滑動，并核對指標線在標尺上的 讀數(shù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢，并經(jīng)限差驗算合格后，采用嚴密平差法對改正后的觀測高差 進行整體平差計算，求得未知點的高程，并進行精度評定，其評定精度指標：每千米 水準測量偶然中誤差冬土1.0mm。1.2 施工測量控制網(wǎng)的復測和加密施工控制網(wǎng)復測的目的是為了驗證施工控制網(wǎng)測量成果的可靠性和測量精度，確 保測量成果在網(wǎng)形、精度、質量等方面滿足大橋工程建設的基本要求，通過對復測成 果與原測成果的比較分析，全面評估首級控制點的穩(wěn)定性，并對控制點使用與保護提 出相應建議。施工測量加密網(wǎng)是在原施工測量控制網(wǎng)的基礎上，根據(jù)工程特點與施工 放樣的需要而建立的加密控制網(wǎng)

11、，其主要作用在于彌補施工測量控制網(wǎng)點位密度上的 不足和便于施工放樣需要。施工測量控制網(wǎng)復測和加密的基本原則是：（1）控制網(wǎng)復測和加密應在原網(wǎng)的基礎上進行，宜保持基本網(wǎng)形不變。復測和加 密的精度等級與指標與原網(wǎng)相同，所采用的儀器精度、觀測方法、數(shù)據(jù)處理方法等技 術要求與原測保持一致。（2）原控制網(wǎng)的坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)不得更改，控制網(wǎng)的起算點應與原網(wǎng)一致。 當原網(wǎng)起算點發(fā)生明顯位移時，可改用其它穩(wěn)定可靠的控制點起算，但必須保持位置 基準、方向基準、尺度基準和高度基準不變。（3）復測和加密完成后，應進行嚴密平差，并采用現(xiàn)場勘驗與統(tǒng)計檢驗相結合的 方法對施工控制點進行穩(wěn)定性分析和評定。（ 4）經(jīng)復測和

12、加密后的控制網(wǎng)，應根據(jù)施工進度和控制點穩(wěn)定等情況合理采用復 測和加密成果，建立控制點成果檔案，并提出控制點保護、加固與監(jiān)測措施。施工測量控制網(wǎng)和加密控制網(wǎng)的復測周期原則上規(guī)定為一年一次。當施工中部分 控制點被損壞、視線被遮擋或控制點位移且影響施工時，立即進行復測。工程施工期 間，可根據(jù)點位穩(wěn)定情況與工程建設需要適當增減復測次數(shù)。2 下部結構施工測量控制 下部結構施工包括樁位放樣、護筒檢查、樁頭竣工、承臺施工放樣和竣工、錨碇 施工放樣和竣工等測量，根據(jù)工程特點、場地條件、配置人員和儀器設備可采用全站 儀極坐標放樣法或者單基站 RTK測量方法。單基站RTK測量作業(yè)幵始前與結束后均應 對已知點進行檢

13、測。確保接收機配置、儀器高設置、 GPS 信號等均處于正常狀態(tài)。檢 核點應位于作業(yè)區(qū)域內，每個檢核點至少觀測1個測回，且平面檢測較差應冬10mm ,高程檢測較差應冬20mm 。如果錨碇施工采用深埋基礎，那么就會涉與到深基坑施工，施工和監(jiān)理單位應對 深基坑周圍的地表、地下管線、建筑物或構筑物、圍護結構與其頂部、地下水位等進 行變形監(jiān)測，其主要任務是指導深基坑施工，對質量安全事故防患于未然。變形監(jiān)測 的總體思路是：依照“先整體后局部，先控制后變形”的原則進行，即首先逐次布測 變形監(jiān)測的基準控制網(wǎng)、工作基點，再在基準點或工作基點上觀測監(jiān)測點的沉降和水 平位移。當觀測條件較好時，盡可能少設或不設工作基

14、點，直接利用基準點測量變形 觀測點，以降低工作量和提高變形測量精度?；鶞示W(wǎng)精度等級與指標與施工測量控制 網(wǎng)相同，監(jiān)測精度、工作基點布測、觀測點布設、監(jiān)測周期與頻次、觀測方法、監(jiān)測 數(shù)據(jù)的采集、處理、分析與整理等均應滿足相應規(guī)范要求。3塔柱施工測量控制塔柱平面控制可采用全站儀自由設站法加密。自由設站法其基本原理是全站儀架設在加密控制點上，測量加密控制點至兩已知控制點的距離（見圖1），并測量與兩控制點的夾角，然后采用正弦定理解算三角形內角，最后計算加密控制點的坐標，它實 質上是一種邊角聯(lián)合后方交會，為保證精度，邊角測量應按工程測量規(guī)范中二等 平面控制測量邊角網(wǎng)的技術要求進行（距離觀測進行溫度、氣壓

15、改正，每條邊進行對 向觀測），且要求測站點與兩控制點夾角45 °且435 °，三角形任一內角30 ° o=刃甘刊占二X1一7已詡左科占3 AB /-C -ICE刊占圖1自由設站法根據(jù)正弦定理其坐標由式（3.1 ）計算:方位角計算 : ABA arctan(YB YA)/ (XB XA)AAC ABA A 180°坐標計算 : XC XA b*cos( AAC )YC YA b*sin( AAC)(3.1)為了提高觀測精度和可靠性，可增加已知控制點數(shù)目，如果條件允許，已知控制 點數(shù)不應小于 3 個。且在塔柱平面控制時，由于大跨度懸索橋跨度大，塔柱相隔較遠，

16、 為消除投影誤差，應進行投影改正，達到測量基準統(tǒng)一，確保測量施工放樣精度。由于塔柱中心點坐標測設意義重大，為確保塔柱與橋軸線一致，塔柱中心里程無 偏差；在進行塔柱中線和邊線放樣時，可先對中線和邊線進行放樣，放樣點標志精細 明晰，然后采用自由設站法施測，測量結果與設計值比較分析進行修正后，再進入下 道工序施工。按設計與相應規(guī)范要求，在承臺與塔座頂面上分別埋設有多個沉降觀測點，用其 中穩(wěn)定的點作為塔柱施工測量的高程起算點，高程起算點通過二等跨河水準測量精密 測定 (高程起算點應定期復核 )；隨著塔柱施工進展，應與時向上進行高程傳遞，塔柱高 程傳遞方法采用幾何水準測量法(見圖 2 )。該方法是采用兩

17、臺水準儀，兩把水準尺， 一把檢定鋼尺。首先將鋼尺錨固在固定架上(鋼尺零點朝上) ，下掛一與鋼尺檢定時同 重的重錘，并同時觀測鋼尺表面溫度。水準儀讀完兩水準尺讀數(shù)后，同時觀測鑒定鋼 尺讀數(shù)，每次觀測讀兩組數(shù)，變換鋼尺高度再觀測一次，此為一個測回，共觀測兩個 測回，待求點高程由式( 3.2 )計算。圖2幾何水準測量法Hb Ha hi 傀 h2） h4（3.2）幾何水準測量法高程傳遞完后，應輔以中間設站三角高程測量法進行校核，在距 離已知點和待求點相同距離的地面區(qū)域，選擇穩(wěn)定性良好且便于觀測的地方架設全站 儀，分別對地面已知點和待求點進行測角、測距，觀測時要求正倒鏡，距離觀測四個 測回，角度觀測兩個

18、測回，同時使目標影象處于豎絲附近，且位于豎絲兩側對稱的位 置上，以減弱橫線不水平引起的誤差影響。待求點和已知點應采用同型號等高對中桿 （有刻度），因測站至兩水準點距離基本相等，外加同向觀測，相互基本消除大氣折光 和地球曲率影響，而且不用量測儀器高。兩點間的高差由式（3.3）計算。hD1sinD2 sin212 2 2 2D1 cosD2 cos(3.3)2 R式中：h 測站點至覘標點的咼差，m ;Di、D2測站點至覘標點的斜距，m ;a、觀測的垂直角;vi、V2覘標高，m ;R 參考橢球平均曲率半徑。4 上部結構施工測量控制上部結構施工測量控制主要包括上部結構施工測量加密控制網(wǎng)、上部結構施工過

19、 程中的沉降觀測、貓道施工測量控制、主纜施工測量控制、加勁梁施工測量控制等工 作。大跨度懸索橋的成橋線形是否與設計一致，與上部結構施工測量控制過程密不可 分的；施工測量放樣數(shù)據(jù)根據(jù)施工監(jiān)控指令執(zhí)行，施工監(jiān)控根據(jù)已完成工程的結構狀 態(tài)和施工過程，收集和調整施工監(jiān)控參數(shù)，預測后續(xù)施工過程的結構形狀，提出后續(xù) 施工過程應采用各施工測量參數(shù)，以確保結構的成橋線形符合設計要求。4.1 上部結構施工測量加密控制網(wǎng)大跨度懸索橋上部結構的施工需要進行大量的施工測量控制工作，施工測量控制 基準是布設在地面上穩(wěn)定、方便施測和高精度的施工測量控制網(wǎng)，因此上部結構施工 前，應建立施工測量加密控制網(wǎng)，以便于上部結構安裝

20、施工，通常情況是在塔柱頂端 增設控制點。該網(wǎng)根據(jù)大橋精度要求，按工程測量二等平面和高程控制網(wǎng)的精度等級 施測，采用邊角網(wǎng)建立平面控制網(wǎng)，用常規(guī)幾何水準測量和跨河水準測量相結合的方 法建立高程控制網(wǎng)。對塔柱頂面增設控制點的測量與地面控制網(wǎng)測量同步進行，但是 大跨度懸索橋塔柱高達 200 米左右， 白天受日照、 溫度與風向的影響， 塔身有一定程度 的偏位或扭轉。因此，對塔頂加密控制點的測量在夜間溫度穩(wěn)定且無風或微風的情況 下進行。平差處理時，實測邊長除了進行氣象改正、儀器常數(shù)改正、邊長傾斜改正外，由于塔柱高達 200 米左右， 為保證平面測量基準的統(tǒng)一， 還應進行邊長投影改正， 投影改正由式（ 4

21、.1）計算，將所有邊長投影到橋面設計平均高程面上，這樣所得到加密控制 點與施工測量控制點坐標全部統(tǒng)一到該平面，消除了由于尺度不統(tǒng)一造成的各項理論 誤差，便于施工的順利進行。另外，在構網(wǎng)時，由于同里程塔柱頂部的兩加密控制點 間距太小，影響圖形結構的穩(wěn)定，不宜實測其邊長參與平差處理，平差后精度要求見 施工測量控制網(wǎng)部分章節(jié)。S (Hi H2)/2 Ho*sd s S (4.1)R式中：Hi、H2分別表示兩加密控制點高程；Ho投影面高程；R參考橢球平均曲率半徑；S兩加密控制點實測邊長，D為投影改正后邊長。大跨度懸索橋上部結構施工測量加密控制網(wǎng)的主要作用有：索鞍安裝的基準;基準索股和主纜絕對垂度測量控

22、制與其線形監(jiān)測的基準；索塔位移監(jiān)測的基準;索夾位置放樣的基準。在控制網(wǎng)使用過程中，由于施工對環(huán)境的干擾，而對控制點 穩(wěn)定性有影響，因此在施工過程中應注意加強監(jiān)測。4.2上部結構施工過程中的沉降監(jiān)測在上部結構施工過程中，錨碇和索塔基礎因自重和加載產(chǎn)生一定的沉降，影響懸 索橋上部結構的線形，因此設計和相關規(guī)范要求，需對錨碇和索塔基礎進行沉降監(jiān)測， 以了解錨碇和索塔基礎的下沉量，從而確保上部結構施工的精度和成橋質量。沉降監(jiān)測基準網(wǎng)可直接使用施工測量控制網(wǎng)，采用精密水準測量方法，按二等精 度等級要求，以往返符合水準路線或閉合水準路線的形式，定期地從施工測量控制點 對布設在結構物基礎上的監(jiān)測點進行觀測，

23、第一次觀測所得到的高程值稱為初始值， 由施工、監(jiān)理和施工監(jiān)控單位共同確定，不同周期觀測的監(jiān)測點高程值與初始值的差 值，即為由于荷載作用在錨碇和索塔基礎上所產(chǎn)生的累計沉降量。沉降監(jiān)測點按設計 和相關規(guī)范要求布設在索塔承臺和錨碇基礎上，每次沉降觀測后，計算各監(jiān)測點的相 對沉降量和累計沉降量，并計算沉降速度和繪制時間或荷載沉降曲線圖；最后根據(jù)各 周期的相對沉降量和累計沉降量，由施工監(jiān)控單位進行變形分析和變形的預測預報工 作。4.3 索鞍施工測量 索鞍施工測量控制主要在于安裝過程控制和竣工測量數(shù)據(jù)采集，索鞍安裝時主要 是控制好主索鞍、散索鞍格柵的位置，主索鞍格柵定位利用塔頂上的加密控制點進行， 平面采

24、用全站儀控制，高程控制使用精密水準儀，以滿足精度要求。索鞍安裝過程中 與時進行兩岸塔錨軸線與跨徑聯(lián)測，以便對索鞍安裝進行精確的施工定位，并滿足跨 徑、軸線精度要求。在主索鞍與散索鞍安裝時，主索鞍與散索鞍的幾何中心相對于索 塔與散索鞍墩的幾何中心有一定的偏移量，偏移量的大小，由設計計算給出。根據(jù)索 塔與散索鞍墩的幾何軸線與主索鞍與散索鞍的幾何軸線間的距離，控制主索鞍與散索 鞍在安裝時的預偏量。對主鞍座和散索鞍的竣工測量，在貓道、主纜等施工前，應根據(jù)施工測量加密控 制網(wǎng)，采用極坐標法和精密水準測量法實測主鞍座和散索鞍竣工后的三維位置以與各 主鞍座、各散索鞍的里程、中線和相互間高差。以上竣工測量數(shù)據(jù)

25、是上部構造施工監(jiān) 控計算和變形監(jiān)測的重要依據(jù)和原始數(shù)據(jù)，必須在貓道、主纜等施工前準確地采集完 成，并交由設計和施工監(jiān)控使用。4.4 貓道、主纜、索夾和吊索施工測量 貓道、主纜、索夾和吊索的施工時，由于貓道與主纜端點的平面位置和高程已經(jīng) 由主索鞍和散索鞍所控制，即貓道和主纜的垂直平面已確定了，在自然鉛垂狀態(tài)下， 某固定里程位置到已知控制點的水平距離不會隨高程變化而變化，因此在進行施工測量控制時，我們只需要控制固定里程處的標高就可以達到施工測量控制的目的。由于 固定里程控制點皆不方便架設儀器進行反測，因此目前貓道、主纜、索夾和吊索施工測量控制均采用單向三角高程測量的方法，下面以基準索股為例對該方法

26、進行詳細分析：為了精確測定基準索股中心點的標高，可設計一棱鏡安置器（見圖3），通過機械加工方法，使得兩棱鏡處于嚴格對稱位置，這樣兩棱鏡中心點高程相加取平均即可得到基準索股中心點高程，基準索股中心點高程由式（4.2）計算，根據(jù)實測高程與設計高程進行對比，從而達到調整基準索股線形的目的。1 K 2h D(tg ! tg 2)/2D i v( 4.2)2R式中：a 1、a2分別表示兩棱鏡垂直角；D固定里程點至已知控制點水平距離；R參考橢球平均曲率半徑；K為大氣折光改正系數(shù)；i為儀器咼，v為棱鏡咼。由于大跨度懸索橋線形對溫度變化敏感，因此要求對基準索股進行溫度監(jiān)測，溫度場測量元件精度要求分辨率小于0.1。受地形條件和環(huán)境影響，在基準索股的里程和 高程方向， 不同位置的溫度分布不同。 為了能準確得到索股的綜合平均溫度 , 需要在每 跨分散布置多個溫度測試斷面 , 每個斷面也應布置多個測點。 施工測量控制時 , 取各跨 測點的平均值作為基準索股的綜合溫度。為了確保溫度的穩(wěn)定性，一般施工測量控制 均在夜間十點至凌晨 4 點時間段進行。4.5 加勁梁施工測量加勁梁施工包括制作和安裝。 大跨度懸索橋的加勁梁一般都是鋼制的 , 這樣才能發(fā) 揮其大跨度優(yōu)