黃 維

（1.中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050）

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋基準(zhǔn)索股定位測(cè)量

黃 維1

（1.中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050）

設(shè)計(jì)了一種專用觀測(cè)工具——棱鏡安置器，采用單向三角高程測(cè)量方法進(jìn)行基準(zhǔn)索股定位，能很好地解決武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋因施工現(xiàn)場(chǎng)受地形、氣候條件影響，無(wú)法采用精密水準(zhǔn)測(cè)量和對(duì)向三角高程測(cè)量進(jìn)行基準(zhǔn)索定位測(cè)量這一技術(shù)難題，對(duì)其他類似橋梁建設(shè)也具有指導(dǎo)和借鑒意義。

懸索橋基準(zhǔn)索股；棱鏡安置器；單向三角高程測(cè)量

武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋?yàn)槲錆h市新內(nèi)環(huán)線的控制性工程，跨越長(zhǎng)江天塹，橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高位置與江面高差達(dá)50 m，長(zhǎng)江兩岸距離約2 km，受城市光照和江面行船影響較為嚴(yán)重，江面風(fēng)速較大。這些因素給精密的測(cè)量工作帶來(lái)很大的困難，使傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)測(cè)量和對(duì)向三角高程測(cè)量基本變得不可行。

本文在已有測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，充分考慮了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋所處的環(huán)境和施工條件的限制，設(shè)計(jì)了專用測(cè)量工具——棱鏡安置器，采用單向三角高程測(cè)量新方法進(jìn)行基準(zhǔn)索股定位。較好地解決了不能采用幾何水準(zhǔn)和對(duì)向三角測(cè)量進(jìn)行定位的技術(shù)難題，并在實(shí)際施工中得到驗(yàn)證，成果優(yōu)良，技術(shù)可靠。

1 基準(zhǔn)索線形測(cè)量的主要內(nèi)容

在橋梁施工中，主纜的線形控制至關(guān)重要，它直接與懸索橋整體受力及橋梁結(jié)構(gòu)安全息息相關(guān)，是一項(xiàng)復(fù)雜、繁瑣的系統(tǒng)工程，而基準(zhǔn)索股的定位則直接影響著主纜的線形，是整個(gè)主纜線性控制的重中之重?；鶞?zhǔn)索線形測(cè)量的內(nèi)容主要包括中跨和邊跨的跨度測(cè)量、基準(zhǔn)索股里程和高程放樣測(cè)量。跨度測(cè)量主要通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量塔柱、錨碇上的主索鞍、散索鞍里程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。散索鞍在基準(zhǔn)索調(diào)整期間可以認(rèn)為是穩(wěn)定不動(dòng)的，主索鞍與索塔間也是相對(duì)固定的，因而可以通過(guò)觀測(cè)索塔偏位來(lái)獲得實(shí)時(shí)跨度?；鶞?zhǔn)索股里程和高程測(cè)量根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求，在中跨和邊跨跨中處分別布設(shè)點(diǎn)位，全橋共布設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。

2 基準(zhǔn)索線形測(cè)量的主要難點(diǎn)

1）同步對(duì)中跨跨中測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，兩岸高程基準(zhǔn)必須統(tǒng)一，跨河水準(zhǔn)精度等級(jí)要求為二等，高精度跨河水準(zhǔn)測(cè)量成為確保基準(zhǔn)索定位精度的關(guān)鍵因素之一。

2）武昌岸地形條件復(fù)雜，氣象條件變化異常，基準(zhǔn)索股高程測(cè)量無(wú)法采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量或?qū)ο蛉歉叱虦y(cè)量，只能采用單向三角高程測(cè)量，如何解決大氣折光對(duì)單向三角高程測(cè)量的影響是基準(zhǔn)索股線形控制的另外一個(gè)關(guān)鍵因素。

3）跨度測(cè)量與索股高程測(cè)量在兩岸同步進(jìn)行，中跨、邊跨跨度必須精確、快速測(cè)量才能精確計(jì)算實(shí)時(shí)理論基準(zhǔn)索高程，基準(zhǔn)索的定位對(duì)于外界天氣必須具備精確高效性

圖1 基準(zhǔn)索測(cè)量點(diǎn)位布置示意圖

3 高精度高程基準(zhǔn)的建立

根據(jù)橋位區(qū)地形條件和基準(zhǔn)索測(cè)量測(cè)站點(diǎn)位置，分別在漢陽(yáng)岸、武昌岸各布置2個(gè)點(diǎn)位（見(jiàn)圖2），均為強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩。漢陽(yáng)岸點(diǎn)位設(shè)置在江灘邊，武昌岸設(shè)置在堤防擋土墻上，其中DQ7、DQ8設(shè)在北岸長(zhǎng)江大堤內(nèi)，在橋軸線左右兩側(cè)江堤邊；江南岸武昌側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)QBM4、DQ13分別設(shè)在長(zhǎng)江堤防擋土墻頂部，以利于觀測(cè)。

圖2 水準(zhǔn)測(cè)量示意圖

由于大橋所處江面特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)特殊地形條件，最終以經(jīng)緯儀傾角法按二等跨河水準(zhǔn)精度要求實(shí)施跨河水準(zhǔn)。該方法技術(shù)要求如下：

1）布設(shè)跨河線并埋設(shè)跨河點(diǎn)，每岸均需布設(shè)一個(gè)立尺點(diǎn)和一個(gè)儀器點(diǎn)。采用2臺(tái)高精度全站儀及水準(zhǔn)標(biāo)尺施測(cè)。

2）觀測(cè)近標(biāo)尺。首先在全站儀盤左位置照準(zhǔn)近標(biāo)尺的基本分劃，讀取最后水平視線的標(biāo)尺cm分劃讀數(shù)a，使水平絲分別照準(zhǔn)該分劃線的下、上邊緣各2次；再縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡以盤右位置同時(shí)照準(zhǔn)該分劃線的上、下邊緣各2次，便完成了一組觀測(cè)（近標(biāo)尺只測(cè)1組）。每次照準(zhǔn)分劃線邊緣后，應(yīng)先使垂直度盤指標(biāo)氣泡精密符合，再用光學(xué)測(cè)微器進(jìn)行垂直度盤讀數(shù)。盤左或盤右同一邊緣2次照準(zhǔn)讀數(shù)差應(yīng)不大于3″。

近標(biāo)尺讀數(shù)b為：

式中，θ為分劃線a的傾角（單位："）；d為經(jīng)緯儀至標(biāo)尺點(diǎn)的水平距離（單位：cm）；ρ=206 265"[1]。

3）觀測(cè)遠(yuǎn)標(biāo)尺。盤左位置用水平絲依次照準(zhǔn)下、上標(biāo)志線4次，每次照準(zhǔn)均應(yīng)同時(shí)使垂直度盤指標(biāo)氣泡精密符合后，再用光學(xué)測(cè)微器進(jìn)行垂直角讀盤讀數(shù)，同一標(biāo)志線4次讀數(shù)之差不得大于3"?？v轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，以盤右位置按相反次序照準(zhǔn)上、下標(biāo)志線各4次并如前讀數(shù)。以上操作組成1組觀測(cè)，按照同樣的方法進(jìn)行其他各組觀測(cè)，再計(jì)算出各組上、下標(biāo)志線的傾角α和β，組間α或β互差應(yīng)不大于4"。近、遠(yuǎn)標(biāo)尺讀數(shù)操作組成一岸儀器觀測(cè)的半測(cè)回，兩岸儀器同時(shí)對(duì)測(cè)各半測(cè)回，組成一測(cè)回。兩個(gè)測(cè)回連續(xù)觀測(cè)時(shí)，測(cè)回間應(yīng)間隔15 min左右。

4）每測(cè)回觀測(cè)前，應(yīng)仔細(xì)檢查覘標(biāo)的指標(biāo)線是否滑動(dòng)，并核對(duì)指標(biāo)線在標(biāo)尺上的讀數(shù)。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢，并經(jīng)限差驗(yàn)算合格后，采用嚴(yán)密平差法對(duì)改正后的觀測(cè)高差進(jìn)行整體平差計(jì)算，求得未知點(diǎn)的高程，進(jìn)行精度評(píng)定（每km水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差≤±1.0 mm）。

本次跨河水準(zhǔn)兩岸各用1臺(tái)Leica TC/TCA2003全站儀進(jìn)行同步觀測(cè)點(diǎn)的反射覘板上、下標(biāo)志線，完成4組觀測(cè)，上、下午完成2個(gè)測(cè)回觀測(cè)，夜間完成3個(gè)測(cè)回，用時(shí)3 d，有效雙測(cè)回?cái)?shù)24個(gè)。

完成跨河水準(zhǔn)后，漢陽(yáng)岸跨河點(diǎn)即為基準(zhǔn)索觀測(cè)站點(diǎn)，武昌岸采用跨河點(diǎn)QBM4和二等幾何水準(zhǔn)加密控制點(diǎn)A1（圖2）。高精度跨河水準(zhǔn)測(cè)量有效保證兩岸高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

4 基準(zhǔn)索線形測(cè)股定位測(cè)量

4.1 實(shí)時(shí)跨度測(cè)量

主橋跨度測(cè)量的精度是基準(zhǔn)索股實(shí)時(shí)計(jì)算的重要依據(jù)，跨度會(huì)隨索股變化、索塔偏位等因素隨時(shí)變化，而每次基準(zhǔn)索調(diào)整前均需測(cè)量實(shí)時(shí)跨度。

跨度的測(cè)量主要是通過(guò)測(cè)量散、主索鞍實(shí)時(shí)位置來(lái)獲得，散索鞍在基準(zhǔn)索股架設(shè)、調(diào)整階段位移量甚微，可以認(rèn)為是穩(wěn)定不動(dòng)的，而主索鞍會(huì)隨著塔柱溫度、風(fēng)力、基準(zhǔn)索股自身變化而隨時(shí)變化，因此，跨度測(cè)量的主要工作便是測(cè)量主索鞍的實(shí)時(shí)位置。主索鞍與索塔自身已穩(wěn)定固結(jié)，通過(guò)測(cè)量埋設(shè)在混凝土索塔頂面外側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量，便能間接計(jì)算出主索鞍位移量，從而獲得邊、中跨實(shí)時(shí)跨度。

以第一次塔錨聯(lián)測(cè)（塔、錨均為裸塔無(wú)荷載狀態(tài)）的主索鞍底板坐標(biāo)為基準(zhǔn)，在混凝土索塔頂面外側(cè)布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1～T6，將加工的連接桿直接焊接于混凝土索塔頂?shù)念A(yù)埋件上，連接桿頂端安置徠卡圓棱鏡，為永久裝置，同時(shí)測(cè)量主索鞍和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲得兩者間相對(duì)幾何關(guān)系，通過(guò)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可獲得主索鞍實(shí)時(shí)坐標(biāo)（圖3）。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)，在一個(gè)測(cè)站完成后，采集各測(cè)點(diǎn)及測(cè)站溫度、氣壓、濕度分別輸入全站儀自動(dòng)改正。由于索塔橫向位移很小且對(duì)跨度影響甚微，因而，在測(cè)站采用全站儀分別觀測(cè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的邊長(zhǎng)，其中位于漢陽(yáng)岸索塔的T1、T2點(diǎn)測(cè)量斜距，武昌岸的T5、T6測(cè)量平距，丈量?jī)x高，將水準(zhǔn)高程引測(cè)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡中心處，通過(guò)斜距、高差計(jì)算出水平距離，通過(guò)全站儀測(cè)距常數(shù)、邊長(zhǎng)投影等改正計(jì)算后，得出測(cè)站至各點(diǎn)修正后的水平距離。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)及測(cè)站的y坐標(biāo)值計(jì)算x坐標(biāo)，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)與各主索鞍底板的相對(duì)幾何關(guān)系計(jì)算出實(shí)時(shí)主索鞍里程值，根據(jù)散索鞍里程可計(jì)算出左、右幅的中、邊跨實(shí)時(shí)跨度。

圖3 實(shí)時(shí)跨度測(cè)量示意圖

索塔偏位測(cè)量采用Leica TS30全站儀進(jìn)行觀測(cè)，反射裝置采用徠卡原裝圓棱鏡。

4.2 基準(zhǔn)索高程測(cè)量

為確保外業(yè)測(cè)量精度，設(shè)4個(gè)測(cè)站同步對(duì)中跨跨中測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，漢陽(yáng)岸在DQ7、DQ8，武昌岸在DQ1、QBM4、DQ13點(diǎn)進(jìn)行。3點(diǎn)均為二等平面、高程精度，且均在同一平面、高程網(wǎng)內(nèi)完成平差計(jì)算。

4.2.1 棱鏡安置器的制作

根據(jù)基準(zhǔn)索六邊形的特性及尺寸，項(xiàng)目部設(shè)計(jì)了一批棱鏡安置器，它剛好與基準(zhǔn)索相套、兩端均設(shè)有反射棱鏡的六邊形卡環(huán)，卡環(huán)兩端各焊接10 cm長(zhǎng)與徠卡圓棱鏡相連的鐵桿，兩鐵桿端點(diǎn)連線穿過(guò)卡環(huán)中心（圖4）。測(cè)量時(shí)，通過(guò)卡環(huán)兩端棱鏡進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量點(diǎn)位的邊長(zhǎng)、高程取中數(shù)，即為基準(zhǔn)索股在該里程的中心點(diǎn)高程，且無(wú)需棱鏡處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，立鏡誤差可忽略不計(jì)，以減少內(nèi)業(yè)計(jì)算量，提高野外觀測(cè)效率。

圖4 棱鏡安置器

4.2.2 實(shí)時(shí)折光系數(shù)K值的測(cè)定

因大氣折光系數(shù)隨氣候、時(shí)間、地區(qū)等因素變化而不同，即使精確測(cè)定了某一測(cè)線折光系數(shù)，但隨著時(shí)間和測(cè)線穿越地物的不同也會(huì)無(wú)規(guī)律地變化 。位于長(zhǎng)江上空的基準(zhǔn)索股測(cè)線，氣候變化無(wú)法預(yù)測(cè)，無(wú)法在每次高程測(cè)量時(shí)及時(shí)測(cè)量每個(gè)測(cè)站至覘點(diǎn)的折光系數(shù)，這成為三角高程測(cè)量精度提高的瓶頸。而基準(zhǔn)索的測(cè)量目前除單向EDM三角高程外，暫時(shí)沒(méi)有更好的高程測(cè)量方法，如何精確有效地測(cè)定折光系數(shù)，成為基準(zhǔn)索線形定位精度的關(guān)鍵[2]。

在基準(zhǔn)索測(cè)量正式測(cè)量前1 h內(nèi)測(cè)量實(shí)時(shí)折光系數(shù)，往返測(cè)量DQ8、DQ11兩點(diǎn)斜距、天頂距，采用2臺(tái)同精度Leica TCA2003全站儀觀測(cè)，用儀器ATR自動(dòng)照準(zhǔn)功能測(cè)量圓棱鏡，用三角板丈量?jī)x器、棱鏡高，讀數(shù)至0.1 mm，2點(diǎn)理論平距為1 764.2 m。其中漢陽(yáng)岸DQ8位于橋軸線右側(cè)87 m，距離中北跨跨中點(diǎn)463 m，至中跨高差為-40 m，距離漢陽(yáng)岸邊跨跨中點(diǎn)124 m；武昌岸DQ11點(diǎn)位于橋軸線右側(cè)165 m，距離南中跨跨中點(diǎn)584 m，至中跨高差為-35 m。由此可見(jiàn)，選擇以DQ8～DQ11測(cè)線折光系數(shù)代替基準(zhǔn)索跨中點(diǎn)高程具有一定的代表性，由于兩測(cè)站距離中跨跨中點(diǎn)邊長(zhǎng)差值為120 m，僅為總長(zhǎng)度的1/10，取兩岸測(cè)量高差中數(shù)同時(shí)也能在很大程度上削弱因大氣折光帶來(lái)的高程誤差。兩已知水準(zhǔn)點(diǎn)往返觀測(cè)折光系數(shù)K值為：

式中，s為觀測(cè)斜距；i為儀器高；l為覘高；α為垂直角；R為觀測(cè)曲率半徑。

式中，C為光速；e'為扁率；B為緯度[3]。

4.2.3 基準(zhǔn)索單向三角高程測(cè)量

在左右幅索股溫差、風(fēng)力等現(xiàn)場(chǎng)條件滿足要求后，首先對(duì)中跨跨中點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。將加工的卡環(huán)固定在基準(zhǔn)索上，套上徠卡原棱鏡，兩岸同時(shí)分別對(duì)卡環(huán)的上、下棱鏡進(jìn)行斜距、天頂距的觀測(cè)，每岸觀測(cè)6個(gè)全測(cè)回，完成后旋轉(zhuǎn)上、下棱鏡對(duì)準(zhǔn)另一岸測(cè)站，繼續(xù)觀測(cè)6個(gè)全測(cè)回，再同法照準(zhǔn)另一幅完成觀測(cè)（圖5）。在此原始測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上還需要添加大氣折光K值的改正，其計(jì)算方法如下：

圖5 基準(zhǔn)索中跨跨中點(diǎn)布置示意圖

式中，s為觀測(cè)斜距；α為垂直角；i為儀器高；K為大氣折光值；R為地球曲率半徑[4]。

在南北中跨跨中點(diǎn)觀測(cè)完成后，漢陽(yáng)岸在DQ8點(diǎn)以DQ12為定向點(diǎn)觀測(cè)邊跨跨中點(diǎn)，武昌岸在DQ11以DQ7定向觀測(cè)邊跨跨中點(diǎn)。鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋基準(zhǔn)索股調(diào)整測(cè)量共用了7 d時(shí)間，穩(wěn)定觀測(cè)用了4 d時(shí)間。在穩(wěn)定觀測(cè)期間，共觀測(cè)8組數(shù)據(jù)，兩岸測(cè)量同一點(diǎn)位最大高程差值為27 mm，平均差值為7.6 mm。穩(wěn)定觀測(cè)期間中跨跨中點(diǎn)與理論最大差值為11 mm，平均差值為5.9 mm，左右幅最大相對(duì)高差為10.3 mm，平均高差為6.2 mm。其穩(wěn)定觀測(cè)成果如表1。

表1 中跨跨中高程穩(wěn)定觀測(cè)成果表

4.2.4 結(jié)果分析

從表1實(shí)測(cè)高程和理論高程的差值中可以看出，整體上差值都不大于20 mm，只有2013-04-27第一時(shí)段的觀測(cè)結(jié)果略超，且是左右幅均超過(guò)，應(yīng)該是溫度影響所造成的。因當(dāng)天測(cè)量時(shí)間稍微提前，其主纜的余溫可能仍未散去，使主纜存在略微的膨脹，而導(dǎo)致測(cè)量高程略高于理論高程。

表1的相對(duì)垂度數(shù)據(jù)欄中，相對(duì)高程之差除了2013-04-27超過(guò)10 mm外其余均小于10 mm，完全滿足施工測(cè)量的精度要求。且2013-04-28相對(duì)垂度只有1.4 mm，也驗(yàn)證了前文的說(shuō)法，因?yàn)橥瑫r(shí)段觀測(cè)量求差可抵消系統(tǒng)誤差，這就使得其相對(duì)垂度相當(dāng)小。

從以上的分析中可以看出，采用本文設(shè)計(jì)的采用單向三角高程測(cè)量新方法進(jìn)行基準(zhǔn)索股定位，完全能夠解決不能采用精密水準(zhǔn)和對(duì)向三角測(cè)量進(jìn)行基準(zhǔn)索股定位的技術(shù)難題，在實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用中，測(cè)量結(jié)果優(yōu)良，能滿足施工的需求。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體現(xiàn)，對(duì)同類橋梁建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

[1] 王文中.控制測(cè)量[M].北京:地質(zhì)出版社,1995

[2] 張坤宜.交通土木工程測(cè)量[M].北京:人民交通出版社,1999

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[6] GB/T17942-2000.國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范[S].

P258

B

1672-4623（2015）03-0159-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.056

黃維，工程師，主要從事施工測(cè)量監(jiān)理工作。

2014-01-07。