李施展

（中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北武漢 430050）

0 引言

在現(xiàn)代橋梁施工中，錨固系統(tǒng)作為橋梁重要的受力結(jié)構(gòu)，定位精度要求高，其定位測(cè)量環(huán)境及相關(guān)工作要求往往對(duì)測(cè)量工作的實(shí)施造成較大的困難（高空、風(fēng)大、視線遮擋）。尤其在大型的懸索橋、斜拉橋、拱橋施工過(guò)程中，錨固系統(tǒng)需要精密定位。根據(jù)誤差傳播定律，錨固系統(tǒng)精密定位涉及多個(gè)方面，全要素精密控制才能達(dá)到預(yù)期的測(cè)量精度，其誤差來(lái)源主要有：測(cè)量控制網(wǎng)、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量輔助工裝及人員操作。而其精密定位的對(duì)象，一般為索道管精密定位或錨桿精密定位。研究索道管定位特征點(diǎn)獲取測(cè)量技術(shù)，主要目的是盡可能減少后三種因素帶來(lái)的誤差影響。

1 技術(shù)背景

在索道管定位測(cè)量中，傳統(tǒng)的特征點(diǎn)獲取及觀測(cè)方法主要采用現(xiàn)場(chǎng)人工分中或十字分中的定位板和人工置鏡進(jìn)行定位測(cè)量[1]。

但傳統(tǒng)的特征點(diǎn)獲取方法存在以下的問(wèn)題或風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 軸線特征點(diǎn)不易尋找

對(duì)端部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分中時(shí)，測(cè)量人員手持棱鏡立在分中點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量定位，存在現(xiàn)場(chǎng)分中誤差。且在高空、多風(fēng)的環(huán)境下，人工置鏡的對(duì)點(diǎn)方式，置鏡人員不能完全扶穩(wěn)，測(cè)量精度有一定的局限性，并存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 傳統(tǒng)定位板的問(wèn)題

采用傳統(tǒng)定位板獲取索道管定位特征點(diǎn)，可以解決部分環(huán)境下特征點(diǎn)獲取的問(wèn)題。大跨徑斜拉橋的索道管直徑尺寸較為多變，測(cè)量人員需手持棱鏡立在定位板標(biāo)記點(diǎn)上，定位板尺寸不能變徑，需要加工多套定位板配合現(xiàn)場(chǎng)施工定位。傳統(tǒng)定位板重量大，攜帶不便，且在高空、多風(fēng)的環(huán)境下同樣存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

在不同項(xiàng)目索道管定位的實(shí)踐中，提出了在不良環(huán)境下，索道管定位特征點(diǎn)獲取測(cè)量技術(shù)，以解決上述困難。從測(cè)量環(huán)境、測(cè)量輔助工裝、人員操作三個(gè)方面，提高測(cè)量精度。

2 索道管定位方案

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在索道管施工前，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的參數(shù)，復(fù)核計(jì)算每一個(gè)索道管兩端部坐標(biāo)、長(zhǎng)度和傾斜角度，并歸納出索道管的空間直線方程。

2.2 加密控制點(diǎn)

根據(jù)索道管施工測(cè)量工作需求，在作業(yè)區(qū)附近加密高精度控制點(diǎn)。加密方法可采用GPS 靜態(tài)測(cè)量或全站儀邊角網(wǎng)測(cè)量，并結(jié)合二等水準(zhǔn)測(cè)量。

2.3 定位支架安裝

一般情況下，大型橋梁的索道管構(gòu)件重量較重，需要先安裝定位支架，對(duì)其進(jìn)行支撐及定位。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，自主設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)加工定位支架[2]。

2.4 索道管定位測(cè)量

在實(shí)際索道管定位測(cè)量過(guò)程中，可以通過(guò)建立以索道管軸線為基準(zhǔn)的三維參考線，確定索道管實(shí)測(cè)軸線和理論軸線的空間位置關(guān)系（見圖1）。

圖1 測(cè)點(diǎn)與空間參考線位置關(guān)系示意圖

具體計(jì)算可以通過(guò)計(jì)算器編程的方式求出測(cè)點(diǎn)與參考線之間的相對(duì)位置關(guān)系。還可使用徠卡全站儀加載三維的參考線程序進(jìn)行測(cè)量，直接輸出測(cè)點(diǎn)在空間參考線上的里程、平面投影偏距、點(diǎn)到線的垂距，便于調(diào)整。

3 不良環(huán)境下索道管定位特征點(diǎn)獲取測(cè)量技術(shù)及案例

主要依托的工程項(xiàng)目為：太原攝樂大橋、宜昌香溪河大橋、山西左云十里河橋、湖北秭歸童莊河大橋。針對(duì)不同項(xiàng)目索道管及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)（管徑大小、特征點(diǎn)位置侵占等）和作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)（高空、大風(fēng)、視線遮擋等），提出了不同的解決方案，并發(fā)明了相關(guān)的測(cè)量輔助工裝，配套使用。

3.1 索道管定位相關(guān)案例的技術(shù)背景及存在問(wèn)題

3.1.1 香溪河大橋

香溪河大橋?yàn)橹骺?70m 雙塔組合混合梁斜拉橋，空間雙索面，東、西索塔各有17 對(duì)斜拉索。1#、2#斜拉索錨固于塔柱合龍段索道管端頭[3]其余15 對(duì)斜拉索錨固于預(yù)埋于主塔內(nèi)的鋼錨梁中。合龍段高10.0m，采用鋼結(jié)構(gòu)牛腿支架法施工。首先，安裝圓弧底模；其次，安裝勁性骨架。利用塔柱勁性骨架進(jìn)行1#索道管定位，由于1#索道管出塔口與圓弧底模嚴(yán)密貼實(shí)，無(wú)法通過(guò)常規(guī)測(cè)量方法，測(cè)量管口中心坐標(biāo)進(jìn)行定位。

3.1.2 左云十里河橋

左云十里河橋橋梁全長(zhǎng)180m，跨徑布置為3×30m+3×30m，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，并設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)裝飾拱。鋼拱下錨管管徑較小，常規(guī)方法中的鋼結(jié)構(gòu)定位板不易現(xiàn)場(chǎng)切割加工。

3.1.3 攝樂大橋

攝樂大橋?yàn)楠?dú)塔空間扭索面斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置30+150+150+30=360m，斜拉索布置形成空間曲面[4]?，F(xiàn)場(chǎng)先安裝鋼主梁，后安裝索道管。安裝索道管時(shí)，錨固點(diǎn)已被翼緣板遮擋，僅從梁面露出索道管出口，無(wú)法使用常規(guī)方法直接測(cè)量錨固點(diǎn)。

3.1.4 童莊河大橋

童莊河大橋全長(zhǎng)651m，主橋?yàn)镠 型雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，跨徑布置45m+100m+320m+100m+45m[5]。主梁施工工藝為牽索掛籃施工。在索道管定位時(shí)，需要先行將斜拉索穿過(guò)索道管，并錨固于牽索掛籃弧形首處，導(dǎo)致索道管的軸線特征點(diǎn)位置被斜拉索占用，無(wú)法直接測(cè)量，需要在索道管軸線以外任意位置獲取特征點(diǎn)[6]。

3.2 針對(duì)性解決措施

橋梁索道管設(shè)計(jì)位置一般為空間三維傾斜姿態(tài)，大多需要高空作業(yè)，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并加工索道管測(cè)量輔助工裝，使索道管定位測(cè)量工作滿足精度要求的同時(shí)，盡可能提高測(cè)量工作的效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還應(yīng)考慮大風(fēng)、視線遮擋等不利因素。結(jié)合不同橋梁項(xiàng)目的施工環(huán)境介紹了3 種類型的測(cè)量輔助工裝。

3.2.1 端部外卡式測(cè)量輔助工裝

左云十里河橋使用了一種索導(dǎo)管定位測(cè)量夾具[7]，用于索道管定位測(cè)量。

對(duì)于小管徑索道管定位測(cè)量，發(fā)明了一種索道管上口中心點(diǎn)坐標(biāo)定位夾具，夾具由圓木板、直角角碼、螺絲釘組成，材料簡(jiǎn)單，易獲得。夾具中心標(biāo)記點(diǎn)用于放置棱鏡，測(cè)量出的數(shù)據(jù)即為索道管上口中心點(diǎn)數(shù)據(jù)。

在索道管出口安裝定位夾具，測(cè)量索道管出口的三維坐標(biāo)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精調(diào)。夾具安拆便捷，攜帶方便。

3.2.2 管身外卡式測(cè)量輔助工裝

在香溪河大橋和童莊河大橋索道管定位中，存在端部測(cè)量視線受限或軸線位置被占用無(wú)法直接測(cè)量的問(wèn)題（見圖2）。

圖2 牽索掛籃索道管定位時(shí)斜拉索已穿入管道

工程實(shí)踐中采用了一種U 形卡具輔助定位工裝（見圖3），可安置在索道管管身處。通過(guò)測(cè)量卡具兩側(cè)對(duì)稱棱鏡快速獲取任意高度處索道管軸線坐標(biāo)，適用于索道管端部通視困難和索道管軸線位置被占用的情況。

圖3 索道管定位測(cè)量U 型卡具

3.2.3 穿心軸線內(nèi)撐式測(cè)量輔助工裝

該裝置可放置在圓形管件內(nèi)部，通過(guò)變換棱鏡高，測(cè)量2 次棱鏡坐標(biāo)及其棱鏡桿的長(zhǎng)度（見圖4）。利用共線方程及空間距離方程進(jìn)行傾斜測(cè)量，計(jì)算索道管內(nèi)隱蔽點(diǎn)坐標(biāo)。

圖4 穿心軸線內(nèi)撐式測(cè)量輔助工裝

共線方程：

空間距離方程：

式（1）～式（2）中：x、y、z 為待求的隱蔽點(diǎn)坐標(biāo)；x1、y1、z1、L1為第1 次測(cè)量時(shí)采集的棱鏡頭坐標(biāo)及棱鏡桿長(zhǎng)度；x2、y2、z2、為第2 次測(cè)量時(shí)采集的棱鏡頭坐標(biāo)。

該測(cè)量輔助工裝在攝樂大橋的主梁索道管定位中成功應(yīng)用。

考慮到同類型項(xiàng)目需要用于不同的索道管內(nèi)徑，可以將內(nèi)撐支架設(shè)計(jì)成可變徑的結(jié)構(gòu)[8]。

4 結(jié)論

根據(jù)不良環(huán)境下（高空、大風(fēng)、視線遮擋等）的測(cè)量工作需求，研究了索道管定位特征點(diǎn)獲取測(cè)量技術(shù)，介紹了多種索道管測(cè)量輔助工裝及相關(guān)的適用情況：

其一，針對(duì)小管徑索道管定位測(cè)量，介紹了一種索道管定位測(cè)量夾具，易于現(xiàn)場(chǎng)加工制作及攜帶方便。

其二，針對(duì)索道管管口通視困難或索道管軸線位置被占用情況，介紹了一種U 型卡具輔助定位工裝，可安置在索道管管身處，通過(guò)測(cè)量卡具兩側(cè)對(duì)稱棱鏡，快速獲取任意高度處索道管軸線坐標(biāo)。

其三，針對(duì)索道管內(nèi)隱蔽的錨固點(diǎn)測(cè)量，介紹了一種軸線內(nèi)撐式分中測(cè)量裝置，通過(guò)2 次測(cè)量，利用共線方程及空間距離方程，計(jì)算得到隱蔽點(diǎn)（如錨墊板）中心坐標(biāo)、索道管傾角，解決了索道管管身絕大部分被遮擋的難題。

該技術(shù)通過(guò)不同項(xiàng)目的工程實(shí)踐，并根據(jù)不良環(huán)境下（高空、大風(fēng)、視線遮擋、測(cè)量點(diǎn)位置被占等）的測(cè)量工作需求，研發(fā)了一系列測(cè)量輔助工裝，有針對(duì)性地解決各種不良環(huán)境下的索道管特征點(diǎn)獲取的問(wèn)題，使測(cè)量工作安全、高效，大幅度減弱測(cè)量環(huán)境、測(cè)量輔助工裝及人員操作對(duì)測(cè)量精度的影響，提高了索道管定位的測(cè)量精度和測(cè)量效率。同時(shí)，可以解放測(cè)量人員的雙手，有效降低高空作業(yè)、危險(xiǎn)源附近作業(yè)等不良環(huán)境下人工置鏡的安全風(fēng)險(xiǎn)。