梁茂景，趙鹍鵬

(山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

1 引 言

因早期對(duì)竣工后橋梁位移沉降觀測(cè)重視度的差異，大多數(shù)現(xiàn)役橋梁在施工結(jié)束后未及時(shí)設(shè)置位移沉降觀測(cè)控制點(diǎn)和永久性觀測(cè)點(diǎn)，以致無(wú)法對(duì)現(xiàn)役橋梁的位移沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法對(duì)橋梁的穩(wěn)定性進(jìn)行有效分析，這是橋梁養(yǎng)護(hù)工作中普遍存在的問(wèn)題。為了更好地掌握橋梁在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的位移沉降狀態(tài)，需對(duì)未設(shè)置永久性觀測(cè)點(diǎn)的橋梁按規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)設(shè)，以便完成橋梁的位移沉降觀測(cè)，此項(xiàng)工作對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)十分重要。

關(guān)于橋梁位移沉降觀測(cè)的技術(shù)和方法，國(guó)內(nèi)許多專業(yè)人士對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。楊澤明[1]采用了精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量的方法開(kāi)展了橋梁的沉降觀測(cè)工作，在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，將出現(xiàn)的各種偏差現(xiàn)象控制在相關(guān)要求的范圍之內(nèi)。黃大虎[2]從變形監(jiān)測(cè)理論入手，結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)介紹了橋梁監(jiān)測(cè)中涉及的一些基本概念，包括橋梁監(jiān)測(cè)中基準(zhǔn)點(diǎn)，工作基點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)介紹、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)原則、一般網(wǎng)形示例介紹、引起橋梁不均勻沉降的原因及監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位置安排等內(nèi)容。孫曉暉等[3]詳細(xì)分析了在鐵路客運(yùn)專線中對(duì)橋梁沉降觀測(cè)的內(nèi)容、對(duì)測(cè)繪基點(diǎn)的分布設(shè)置、觀測(cè)時(shí)的精度要求和頻度、橋梁沉降的判斷準(zhǔn)繩以及評(píng)定的方式等，為施工的質(zhì)量打下了很好的基礎(chǔ)。宋劍等[4]在城際鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程沉降觀測(cè)時(shí)，橋梁墩臺(tái)水準(zhǔn)路線觀測(cè)按照二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求形成閉合水準(zhǔn)路線，觀測(cè)數(shù)據(jù)中誤差均小于規(guī)范值±1 mm，觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足了精度要求。郭偉[5]以滬昆高鐵江西段五標(biāo)金仙特大橋以及肖家特大橋的建設(shè)過(guò)程為背景，對(duì)高速鐵路橋梁沉降觀測(cè)技術(shù)做出系統(tǒng)的總結(jié)和分析，并結(jié)合了曲線擬合，灰色系統(tǒng)模型等分析方法，對(duì)橋梁進(jìn)行了建設(shè)過(guò)程沉降的分析以及對(duì)橋梁墩臺(tái)沉降量的進(jìn)行了精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

上述文獻(xiàn)對(duì)橋梁位移沉降觀測(cè)進(jìn)行了深入研究，但在位移沉降觀測(cè)時(shí)只對(duì)橋梁部分主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，未將橋面高程與橋墩高程進(jìn)行聯(lián)測(cè)。另外，橋梁竣工后施工基準(zhǔn)點(diǎn)基本不做保留，增加了運(yùn)營(yíng)期橋梁沉降觀測(cè)工作的難度。本文結(jié)合龍青高速墨水河大橋位移沉降觀測(cè)項(xiàng)目，通過(guò)建立獨(dú)立坐標(biāo)網(wǎng)并測(cè)量測(cè)點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)的方法對(duì)橋梁進(jìn)行位移沉降觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了橋梁的沉降、位移及傾斜度的全面監(jiān)測(cè)。

2 儀器選用

測(cè)量?jī)x器的精度直接決定了測(cè)量結(jié)果的精確度，為保證在役橋梁位移沉降觀測(cè)結(jié)果的測(cè)量精度，需根據(jù)各類儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行選用。橋梁橋面測(cè)點(diǎn)間高程變化較小，橋面沉降的測(cè)量選用天寶DiNi03精密電子水準(zhǔn)儀(1 km的往返測(cè)中差為0.3 mm)。橋墩測(cè)點(diǎn)依托橋下地形布設(shè)，其高程相差較大，橋墩的沉降、位移及傾斜度的測(cè)量選用徠卡TM30系列(0.5″)高精度精密全站儀。在保證測(cè)量精度的前提下兩種儀器配合使用，既能提高工作效率，又能實(shí)現(xiàn)橋梁的沉降、位移及傾斜度的全面觀測(cè)。

3 控制網(wǎng)建立

3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)在整個(gè)位移沉降觀測(cè)工作中起到了至關(guān)重要的作用，基準(zhǔn)點(diǎn)的位移或損壞都會(huì)使位移沉降觀測(cè)結(jié)果受到影響，甚至造成整個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)失去作用。位移沉降觀測(cè)必須確?？刂泣c(diǎn)的可靠性，才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。國(guó)家基準(zhǔn)點(diǎn)可靠性高，但高速公路路線較長(zhǎng)，并非每座橋梁附近都有國(guó)家基準(zhǔn)點(diǎn)，如果用國(guó)家基準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)，不僅會(huì)增大測(cè)量誤差，還會(huì)使測(cè)量工作更加繁重。橋梁變形量是一個(gè)相對(duì)值，可在橋位附近布設(shè)永久性基準(zhǔn)點(diǎn)，建立獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，采用相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果對(duì)比，即可得出橋梁的沉降、位移及傾斜度的變化值。

基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)位置及類型應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況進(jìn)行確定，不僅要考慮土層的穩(wěn)定性和測(cè)量的方便性，還要確保三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)通視且布設(shè)位置盡量隱蔽，便于保護(hù)。可參考水準(zhǔn)點(diǎn)的類型(基巖水準(zhǔn)點(diǎn)、基本水準(zhǔn)點(diǎn)、普通水準(zhǔn)點(diǎn))確定永久基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)類型，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》[6]中第5.2.1節(jié)規(guī)定“沉降觀測(cè)應(yīng)設(shè)置沉降基準(zhǔn)點(diǎn)。特等、一等沉降觀測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)不應(yīng)少于4個(gè)；其他等級(jí)沉降觀測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)”。為了后期直觀地觀測(cè)橋梁傾斜度的變化方向，布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意BM1和BM3的連線須與橋梁的縱向軸線垂直，且∠BM2-BM1-BM3宜為銳角。

3.2 坐標(biāo)網(wǎng)建立

采用假定高程系統(tǒng)，假定BM1的高程為20.000 00 m，使用精密電子水準(zhǔn)儀對(duì)三個(gè)永久基準(zhǔn)點(diǎn)采用閉合水準(zhǔn)路線二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行往返聯(lián)測(cè)，閉合誤差需符合相關(guān)規(guī)范的要求，經(jīng)平差計(jì)算后的高程數(shù)據(jù)作為該橋梁基準(zhǔn)點(diǎn)的高程。經(jīng)測(cè)量并平差后BM2的高程為20.569 24 m，BM3的高程為21.397 18 m。

采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，假定BM1的坐標(biāo)為(20.000 00，20.000 00，20.000 00)，使用高精度精密全站儀里的測(cè)距和測(cè)角功能，分別測(cè)出BM1和BM2之間的水平距離HD為120.624 52 m，水平夾角α為85°45′51″，根據(jù)公式(1)和公式(2)可計(jì)算出BM2的平面坐標(biāo)(28.909 56，140.295 03，20.569 24)，再用全站儀以BM1和BM2為控制點(diǎn)“對(duì)中整平，后視定向”，測(cè)出BM3的坐標(biāo)為(100.638 18，20.000 00，21.397 18)。

X=20.000 00+HD×cosα

(1)

Y=20.000 00+HD×sinα

(2)

式中：HD為BM1與BM2之間的水平距離，m；α為水平夾角∠BM2-BM1-BM3，°。

在確定基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)并相互校核，且測(cè)量次數(shù)不少于3次，取讀數(shù)穩(wěn)定的2組數(shù)的平均值作為永久基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 測(cè)點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

4.1 位移沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

位移沉降觀測(cè)點(diǎn)包括橋面高程永久測(cè)點(diǎn)、墩臺(tái)高程永久測(cè)點(diǎn)和墩臺(tái)傾斜度觀測(cè)點(diǎn)。

橋面高程永久測(cè)點(diǎn)是相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)而設(shè)立的高程測(cè)點(diǎn)，一方面用于觀測(cè)橋面線形的平順度，另一方面主要用于觀測(cè)橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的連續(xù)沉降。由于橋梁已全部竣工通車，橋面高程永久測(cè)點(diǎn)采用十字測(cè)釘釘入方式進(jìn)行設(shè)置。觀測(cè)點(diǎn)的縱向位置在橋跨的支點(diǎn)、1/4L、1/2L、3/4L處，橫向位置在橋梁兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)側(cè)約20 cm處。

橋梁墩臺(tái)高程永久測(cè)點(diǎn)是相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)而設(shè)立的高程測(cè)點(diǎn)，主要用于觀測(cè)橋墩在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的沉降。橋梁墩臺(tái)傾斜度觀測(cè)點(diǎn)與橋梁墩臺(tái)高程測(cè)點(diǎn)共用，橋梁墩臺(tái)高程及傾斜度永久測(cè)點(diǎn)采用反射片進(jìn)行設(shè)置，墩臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)分上下兩個(gè)反射片，兩個(gè)反射片的高程差宜為1 m左右。橋臺(tái)永久測(cè)點(diǎn)設(shè)置于橋臺(tái)臺(tái)帽外側(cè)，橋墩永久測(cè)點(diǎn)設(shè)置于每排橋墩兩外側(cè)墩柱上，主要用于觀測(cè)橋梁墩臺(tái)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的水平傾斜變位及沉降。

4.2 位移沉降觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量

橋面高程永久測(cè)點(diǎn)的測(cè)量采用閉合水準(zhǔn)路線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理選擇測(cè)量路線?？紤]橋面與橋下的高程差較大，同時(shí)為了減少測(cè)量的工作量，可先將橋下基準(zhǔn)點(diǎn)的高程引測(cè)至橋面的臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)上，引測(cè)路線須閉合，閉合誤差須符合二等水準(zhǔn)要求。橋面高程永久測(cè)點(diǎn)高程測(cè)量時(shí)用臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)閉合，觀測(cè)方法為：往測(cè)測(cè)站數(shù)為奇數(shù)時(shí)“后—前—前—后”，測(cè)站數(shù)為偶數(shù)站時(shí)“前—后—后—前”；返測(cè)測(cè)站數(shù)為奇數(shù)站時(shí)“后—前—前—后”，測(cè)站數(shù)為偶數(shù)站時(shí)“前—后—后—前”。往測(cè)改為返測(cè)時(shí)，兩根銦鋼尺須互換。

橋梁墩臺(tái)高程永久測(cè)點(diǎn)需測(cè)出觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，水平坐標(biāo)(X，Y)用于計(jì)算橋墩傾斜度的變化，高程數(shù)據(jù)Z用于計(jì)算橋墩的沉降值。因橋下地勢(shì)限制，測(cè)量方法采用后方交會(huì)法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)測(cè)站點(diǎn)與兩個(gè)控制點(diǎn)之間的夾角一般為60°～120°之間，夾角過(guò)大或過(guò)小都容易對(duì)精度造成影響，架設(shè)儀器時(shí)還需考慮測(cè)量過(guò)程中的“長(zhǎng)邊控制短邊”，可提高測(cè)量精度。

測(cè)量頻率一般為1次/年，如遇特殊情況或有其他要求時(shí)可增加測(cè)量頻次，可保證測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性，但每次測(cè)量的方法及程序須固定不變。

4.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法

沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)須進(jìn)行嚴(yán)格的平差計(jì)算，將誤差分配至各個(gè)測(cè)點(diǎn)，得出最終結(jié)果。當(dāng)精度不符合要求時(shí)須及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)或重測(cè)。

兩反射片連線的傾斜度初始值需通過(guò)兩個(gè)反射片的坐標(biāo)差值計(jì)算得出，用兩次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出兩反射片連線傾斜度的變化值即為橋梁墩臺(tái)傾斜度的變化值。假設(shè)橋墩反射片的初測(cè)坐標(biāo)為：下反射片(X1，Y1，Z1)，上反射片(X2，Y2，Z2)，根據(jù)公式(3)、公式(4)可計(jì)算反射片橫向和縱向傾斜度的初始值

β1=arctan[(X2-X1)/(Z2-Z1)]

(3)

β2=arctan[(Y2-Y1)/(Z2-Z1)]

(4)

式中：β1為橫橋向傾斜度初始值，°；β2為縱橋向傾斜度初始值，°。

兩次測(cè)量橋面高程永久測(cè)點(diǎn)和橋梁墩臺(tái)高程永久測(cè)點(diǎn)即可得出橋梁橋面沉降值、橋墩沉降值和橋墩傾斜度變化數(shù)據(jù)。兩次測(cè)量結(jié)果的差值如通過(guò)曲線、表格等方式處理，可更直觀的看出數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

4.4 測(cè)量結(jié)果的匯總與分析

對(duì)龍青高速墨水河大橋的沉降和位移進(jìn)行初測(cè)和復(fù)測(cè)，匯總兩次測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比分析，觀測(cè)數(shù)據(jù)變化值匯總結(jié)果如表1所示。

表1 墨水河大橋沉降位移觀測(cè)數(shù)據(jù)變化值匯總表

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可知，橋面高程最大變化值為2.95 mm，橋墩高程最大變化值為1.60 mm，橋墩傾斜度最大變化值為0.070°。因測(cè)量時(shí)橋面處于通車狀態(tài)，并考慮溫度因素和測(cè)量誤差的影響，判定橋梁沉降位移的變化值處于正常范圍之內(nèi)，橋梁處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)變化值較大的位置在下次復(fù)測(cè)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行原因分析。

(2)為確保橋梁沉降位移觀測(cè)的連續(xù)性，更好的掌握橋梁的變位情況，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋梁基準(zhǔn)點(diǎn)、橋面永久測(cè)點(diǎn)、橋墩永久測(cè)點(diǎn)的保護(hù)。

(3)該測(cè)量方法在墨水河大橋上的運(yùn)用，精確地測(cè)量了橋梁沉降、位移及傾斜度，得到了在役橋梁的變形數(shù)據(jù)，為橋梁的日常養(yǎng)護(hù)和維修加固工作提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了橋面高程和橋墩高程的聯(lián)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的效果。