周瑞祥，彭江華，丁 寧

（1.中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司, 湖北 武漢 430050；2.湖北省測繪局，湖北 武漢 430071；3.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

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(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)分析和總結(jié)，為大跨度懸索橋的施工測量控制提供借鑒和參考。

1 施工測量控制網(wǎng)

1.1 施工測量控制網(wǎng)的建立

建立施工測量控制網(wǎng)的首要目的是為工程建設(shè)提供統(tǒng)一的平面和高程基準，為工程的施工放樣提供基礎(chǔ)控制資料。根據(jù)測量原理和使用儀器設(shè)備不同，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)2大部分。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(shù)，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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有利于提高整個控制網(wǎng)的精度和可靠性；其平面投影高度為橋面設(shè)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°，且有效衛(wèi)星總數(shù)≥4，時段長度≥4 h，觀測時段數(shù)≥4，數(shù)據(jù)采樣間隔≤15 s，GDOP≤6。網(wǎng)平差采用專用商業(yè)軟件進行，平差時以各同步觀測網(wǎng)的獨立基線向量及其全協(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。平差后精度指標要求為：相鄰平面點間基線水平分量中誤差≤10 mm，相鄰平面點間基線垂直分量中誤差≤20 mm，平面控制網(wǎng)中最弱邊相對中誤差≤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(shù)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(jié)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(guān)鍵，對于寬水域是個技術(shù)難題，必須對跨河水準測量進行專項技術(shù)設(shè)計。根據(jù)場地條件、跨河距離，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，跨河場地均按平行四邊形圖形布設(shè)。觀測過程中，操作程序按照國家規(guī)范執(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，其觀測技術(shù)要點如下：

1）布設(shè)跨河線并埋設(shè)跨河點，每岸均需布設(shè)一個立尺點和一個儀器點；采用2臺Leica TC/TCA2003全站儀及水準標尺施測。

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2次；再縱轉(zhuǎn)望遠鏡至盤右位置，同時照準該分劃線的上、下邊緣各2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(yīng)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2次照準讀數(shù)差應(yīng)不大于3″。近標尺讀數(shù)b由式（1）計算：

式中，θ為分劃線a的傾角，單位為″；d為經(jīng)緯儀至標尺點的水平距離，單位為cm；ρ為206 265，單位為″。

3）觀測遠標尺。盤左位置用水平絲依次照準下、上標志線4次，每次照準均應(yīng)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4次讀數(shù)之差不得大于3″?？v轉(zhuǎn)望遠鏡至盤右位置，按相反次序照準上、下標志線各4次并如前讀數(shù)，從而得到一組觀測。同法進行其他各組的觀測，各組計算出上、下標志線的傾角α和β，組間α或β互差不應(yīng)大于4″。

上述近、遠標尺讀數(shù)操作組成一岸儀器觀測的0.5測回，兩岸儀器同時對測各0.5測回，組成1測回。2個測回連續(xù)觀測時，測回間應(yīng)間歇15 min左右。

4）每測回觀測前，應(yīng)仔細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，其評定精度指標為每km水準測量偶然中誤差≤±1.0 mm。

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(zhì)量等方面滿足大橋工程建設(shè)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(yīng)建議。施工測量加密網(wǎng)是在原施工測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程特點及施工放樣的需要而建立的加密控制網(wǎng)，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。

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(yīng)在原網(wǎng)的基礎(chǔ)上進行，保持基本網(wǎng)形不變。復測和加密的精度等級及指標與原網(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(shù)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(yīng)與原網(wǎng)一致。當原網(wǎng)起算點發(fā)生明顯位移時，可改用其他穩(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(yīng)進行嚴密平差，并采用現(xiàn)場勘驗與統(tǒng)計檢驗相結(jié)合的方法對施工控制點進行穩(wěn)定性分析和評定。

4）經(jīng)復測和加密后的控制網(wǎng)，應(yīng)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、加固及監(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，應(yīng)立即進行復測。工程施工期間，可根據(jù)點位穩(wěn)定情況及工程建設(shè)需要適當增減復測次數(shù)。

2 下部結(jié)構(gòu)施工測量控制

下部結(jié)構(gòu)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(shè)備可采用全站儀極坐標放樣法或單基站RTK測量方法。單基站RTK測量作業(yè)開始前與結(jié)束后均應(yīng)對已知點進行檢測，確保接收機配置、儀器高設(shè)置、GPS信號等均處于正常狀態(tài)。檢核點應(yīng)位于作業(yè)區(qū)域內(nèi)，每個檢核點至少觀測1個測回，且平面檢測較差≤10 mm，高程檢測較差≤20 mm。

如果錨碇施工采用深埋基礎(chǔ)，那么就會涉及到深基坑施工，施工和監(jiān)理單位應(yīng)對深基坑周圍的地表、地下管線、建筑物或構(gòu)筑物、圍護結(jié)構(gòu)及其頂部、地下水位等進行變形監(jiān)測，其主要任務(wù)是指導深基坑施工，對質(zhì)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(shè)或不設(shè)工作基點，直接利用基準點測量變形觀測點，以減少工作量和提高變形測量精度?；鶞示W(wǎng)精度等級及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(shè)、監(jiān)測周期及頻次、觀測方法、監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理、分析及整理等均應(yīng)滿足相應(yīng)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(shè)站法加密。自由設(shè)站法基本原理是全站儀架設(shè)在加密控制點上，測量加密控制點至2個已知控制點的距離（見圖1），并測量與2個控制點的夾角，然后采用正弦定理解算三角形內(nèi)角，最后計算加密控制點的坐標。它實質(zhì)上是一種邊角聯(lián)合后方交會，為保證精度，邊角測量應(yīng)按《工程測量規(guī)范》中二等平面控制測量邊角網(wǎng)的技術(shù)要求進行（距離觀測進行溫度﹑氣壓改正，每條邊進行對向觀測），且要求測站點與2個控制點夾角≥45°且≤135°，三角形任一內(nèi)角≥30°。

根據(jù)正弦定理其坐標，由式（2）計算：

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(yīng)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，為消除投影誤差，應(yīng)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(shè)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(shè)站法施測，測量結(jié)果與設(shè)計值比較并進行修正后，再進入下道工序施工。

按設(shè)計及相應(yīng)規(guī)范要求，在承臺與塔座頂面上分別埋設(shè)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(yīng)定期復核)；隨著塔柱施工進展，應(yīng)及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）。該方法需要2臺水準儀，2把水準尺和1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1個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2個水準尺讀數(shù)后，同時觀測檢定鋼尺讀數(shù)，每次觀測讀2組數(shù)，變換鋼尺高度再觀測1次，此為1個測回。共觀測2個測回，待求點高程由式（3）計算：

幾何水準測量法高程傳遞完后，應(yīng)輔以中間設(shè)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(shè)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4個測回，角度觀測2個測回，同時使目標影像處于豎絲附近，且位于豎絲兩側(cè)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(yīng)采用同型號等高對中桿（有刻度），因測站至2個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，且不用量測儀器高。2點間的高差由式（4）計算。

式中，h 為測站點至覘標點的高差，單位為m；D1、D2為測站點至覘標點的斜距，單位為m；α、β為觀測的垂直角；v1、v2為覘標高，單位為m；R 為參考橢球平均曲率半徑。

4 上部結(jié)構(gòu)施工測量控制

上部結(jié)構(gòu)施工測量控制主要包括上部結(jié)構(gòu)施工測量加密控制網(wǎng)、上部結(jié)構(gòu)施工過程中的沉降觀測、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(shè)計一致，與上部結(jié)構(gòu)施工測量控制過程密不可分；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(jié)構(gòu)狀態(tài)和施工過程，收集和調(diào)整施工監(jiān)控參數(shù)，預測后續(xù)施工過程的結(jié)構(gòu)形狀，提出后續(xù)施工過程應(yīng)采用各施工測量參數(shù)，以確保結(jié)構(gòu)的成橋線形符合設(shè)計要求。

4.1 上部結(jié)構(gòu)施工測量加密控制網(wǎng)

大跨度懸索橋上部結(jié)構(gòu)的施工需要進行大量的施工測量控制工作，其基準是布設(shè)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(jié)構(gòu)施工前，應(yīng)建立施工測量加密控制網(wǎng)，以便于上部結(jié)構(gòu)安裝施工，通常是在塔柱頂端增設(shè)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(jié)合的方法建立高程控制網(wǎng)。塔柱頂面增設(shè)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 m左右，白天受日照、溫度及風向的影響，塔身有一定程度的偏位或扭轉(zhuǎn)。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，由于塔柱較高，為保證平面測量基準的統(tǒng)一，還應(yīng)進行邊長投影改正。將所有邊長投影到橋面設(shè)計平均高程面上，這樣所得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(gòu)網(wǎng)時，由于同里程塔柱頂部的2個加密控制點間距太小，影響圖形結(jié)構(gòu)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)。

式中，H1、H2分別表示2個加密控制點高程；H0為投影面高程；R 為參考橢球平均曲率半徑；S為2個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(jié)構(gòu)施工測量加密控制網(wǎng)是索鞍安裝的基準、基準索股和主纜絕對垂度測量控制及其線形監(jiān)測的基準、索塔位移監(jiān)測的基準和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(yīng)注意加強監(jiān)測。

4.2 上部結(jié)構(gòu)施工過程中的沉降監(jiān)測

在上部結(jié)構(gòu)施工過程中，錨碇和索塔基礎(chǔ)因自重和加載會產(chǎn)生一定的沉降，影響懸索橋上部結(jié)構(gòu)的線形。因此根據(jù)設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求，需對錨碇和索塔基礎(chǔ)進行沉降監(jiān)測，以了解錨碇和索塔基礎(chǔ)的下沉量，從而確保上部結(jié)構(gòu)施工的精度和成橋質(zhì)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，定期從施工測量控制點對布設(shè)在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)上的監(jiān)測點進行觀測，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(chǔ)上所產(chǎn)生的累計沉降量。沉降監(jiān)測點按設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求布設(shè)在索塔承臺和錨碇基礎(chǔ)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，主索鞍格柵利用塔頂上的加密控制點進行定位，平面采用全站儀控制，高程使用精密水準儀控制，以滿足精度要求。索鞍安裝過程需及時進行兩岸塔錨軸線及跨徑聯(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。在主索鞍及散索鞍安裝時，主索鞍及散索鞍的幾何中心相對于索塔及散索鞍墩的幾何中心有一定的偏移量，偏移量的大小由設(shè)計計算給出。根據(jù)索塔及散索鞍墩的幾何軸線與主索鞍及散索鞍的幾何軸線間的距離，控制主索鞍及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(yīng)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及各主鞍座、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)是上部構(gòu)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、主纜等施工前準確采集完成，并交由設(shè)計和施工監(jiān)控使用。

4.4 貓道、主纜、索夾和吊索施工測量

由于貓道及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，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，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(shè)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進行詳細分析：為了精確測定基準索股中心點的標高，可設(shè)計1個棱鏡安置器（見圖3），通過機械加工方法，使得2個棱鏡處于嚴格對稱位置，這樣2個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（6）計算，通過對比實測高程與設(shè)計高程，進而達到調(diào)整基準索股線形的目的。

式中，α1、α2分別表示2個棱鏡垂直角；D為固定里程點至已知控制點水平距離；R 為參考橢球平均曲率半徑；K為大氣折光改正系數(shù)；i為儀器高；v為棱鏡高。

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＜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(yīng)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22：00～凌晨4：00時間段進行。

4.5 加勁梁施工測量

大跨度懸索橋的加勁梁一般是鋼制的, 這樣才能發(fā)揮其大跨度優(yōu)勢。在加勁梁的安裝過程中，需對梁的尺寸、坡度、左右2幅梁的高差和吊點耳板平面位置進行控制，特別是吊點耳板平面誤差要求控制在2 mm以內(nèi)。在加勁梁的安裝過程中,由于索夾和吊索位置已經(jīng)固定，即加勁梁的平面位置已確定，因而對加勁梁與吊索的連接構(gòu)造段吊裝的順序與方法都要進行專門設(shè)計, 要特別注意吊裝過程中的抗風措施。由于吊裝過程中鋼纜承受的荷載是逐步增加的, 所以必須在每次加載后量測鋼纜線形的變化并與設(shè)計線形相對照, 若出入較大, 則應(yīng)考慮調(diào)整吊裝順序。

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