梁茂景，趙鹍鵬

(山東交通學(xué)院，山東 濟南 250357)

1 引 言

因早期對竣工后橋梁位移沉降觀測重視度的差異，大多數(shù)現(xiàn)役橋梁在施工結(jié)束后未及時設(shè)置位移沉降觀測控制點和永久性觀測點，以致無法對現(xiàn)役橋梁的位移沉降進行監(jiān)測，無法對橋梁的穩(wěn)定性進行有效分析，這是橋梁養(yǎng)護工作中普遍存在的問題。為了更好地掌握橋梁在營運過程中的位移沉降狀態(tài)，需對未設(shè)置永久性觀測點的橋梁按規(guī)定進行補設(shè)，以便完成橋梁的位移沉降觀測，此項工作對橋梁養(yǎng)護十分重要。

關(guān)于橋梁位移沉降觀測的技術(shù)和方法，國內(nèi)許多專業(yè)人士對其進行了廣泛研究。楊澤明[1]采用了精密幾何水準測量的方法開展了橋梁的沉降觀測工作，在進行觀測時，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)測理論入手，結(jié)合多年實踐經(jīng)驗介紹了橋梁監(jiān)測中涉及的一些基本概念，包括橋梁監(jiān)測中基準點，工作基點和變形觀測點介紹、監(jiān)測網(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)測網(wǎng)點位置安排等內(nèi)容。孫曉暉等[3]詳細分析了在鐵路客運專線中對橋梁沉降觀測的內(nèi)容、對測繪基點的分布設(shè)置、觀測時的精度要求和頻度、橋梁沉降的判斷準繩以及評定的方式等，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)施工過程沉降觀測時，橋梁墩臺水準路線觀測按照二等水準測量精度要求形成閉合水準路線，觀測數(shù)據(jù)中誤差均小于規(guī)范值±1 mm，觀測數(shù)據(jù)滿足了精度要求。郭偉[5]以滬昆高鐵江西段五標金仙特大橋以及肖家特大橋的建設(shè)過程為背景，對高速鐵路橋梁沉降觀測技術(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，對橋梁進行了建設(shè)過程沉降的分析以及對橋梁墩臺沉降量的進行了精準預(yù)測。

上述文獻對橋梁位移沉降觀測進行了深入研究，但在位移沉降觀測時只對橋梁部分主體結(jié)構(gòu)進行觀測，未將橋面高程與橋墩高程進行聯(lián)測。另外，橋梁竣工后施工基準點基本不做保留，增加了運營期橋梁沉降觀測工作的難度。本文結(jié)合龍青高速墨水河大橋位移沉降觀測項目，通過建立獨立坐標網(wǎng)并測量測點相對坐標的方法對橋梁進行位移沉降觀測，實現(xiàn)了橋梁的沉降、位移及傾斜度的全面監(jiān)測。

2 儀器選用

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

3 控制網(wǎng)建立

3.1 基準點布設(shè)

基準點在整個位移沉降觀測工作中起到了至關(guān)重要的作用，基準點的位移或損壞都會使位移沉降觀測結(jié)果受到影響，甚至造成整個坐標系統(tǒng)失去作用。位移沉降觀測必須確?？刂泣c的可靠性，才能保證測量結(jié)果的準確性。國家基準點可靠性高，但高速公路路線較長，并非每座橋梁附近都有國家基準點，如果用國家基準點引測臨時基準點，不僅會增大測量誤差，還會使測量工作更加繁重。橋梁變形量是一個相對值，可在橋位附近布設(shè)永久性基準點，建立獨立坐標系統(tǒng)，采用相對坐標進行測量結(jié)果對比，即可得出橋梁的沉降、位移及傾斜度的變化值。

基準點的布設(shè)位置及類型應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況進行確定，不僅要考慮土層的穩(wěn)定性和測量的方便性，還要確保三個基準點通視且布設(shè)位置盡量隱蔽，便于保護。可參考水準點的類型(基巖水準點、基本水準點、普通水準點)確定永久基準點的布設(shè)類型，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》[6]中第5.2.1節(jié)規(guī)定“沉降觀測應(yīng)設(shè)置沉降基準點。特等、一等沉降觀測，基準點不應(yīng)少于4個；其他等級沉降觀測，基準點不應(yīng)少于3個”。為了后期直觀地觀測橋梁傾斜度的變化方向，布設(shè)基準點時應(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，使用精密電子水準儀對三個永久基準點采用閉合水準路線二等水準要求進行往返聯(lián)測，閉合誤差需符合相關(guān)規(guī)范的要求，經(jīng)平差計算后的高程數(shù)據(jù)作為該橋梁基準點的高程。經(jīng)測量并平差后BM2的高程為20.569 24 m，BM3的高程為21.397 18 m。

采用獨立坐標系統(tǒng)，假定BM1的坐標為(20.000 00，20.000 00，20.000 00)，使用高精度精密全站儀里的測距和測角功能，分別測出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)可計算出BM2的平面坐標(28.909 56，140.295 03，20.569 24)，再用全站儀以BM1和BM2為控制點“對中整平，后視定向”，測出BM3的坐標為(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，°。

在確定基準點的坐標時應(yīng)對基準點進行聯(lián)測并相互校核，且測量次數(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點的坐標。

4 測點布設(shè)及測量

4.1 位移沉降觀測點布設(shè)

位移沉降觀測點包括橋面高程永久測點、墩臺高程永久測點和墩臺傾斜度觀測點。

橋面高程永久測點是相對于基準點而設(shè)立的高程測點，一方面用于觀測橋面線形的平順度，另一方面主要用于觀測橋梁在運營過程中的連續(xù)沉降。由于橋梁已全部竣工通車，橋面高程永久測點采用十字測釘釘入方式進行設(shè)置。觀測點的縱向位置在橋跨的支點、1/4L、1/2L、3/4L處，橫向位置在橋梁兩側(cè)護欄內(nèi)側(cè)約20 cm處。

橋梁墩臺高程永久測點是相對于基準點而設(shè)立的高程測點，主要用于觀測橋墩在運營過程中的沉降。橋梁墩臺傾斜度觀測點與橋梁墩臺高程測點共用，橋梁墩臺高程及傾斜度永久測點采用反射片進行設(shè)置，墩臺觀測點分上下兩個反射片，兩個反射片的高程差宜為1 m左右。橋臺永久測點設(shè)置于橋臺臺帽外側(cè)，橋墩永久測點設(shè)置于每排橋墩兩外側(cè)墩柱上，主要用于觀測橋梁墩臺在運營過程中的水平傾斜變位及沉降。

4.2 位移沉降觀測點測量

橋面高程永久測點的測量采用閉合水準路線，根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理選擇測量路線?？紤]橋面與橋下的高程差較大，同時為了減少測量的工作量，可先將橋下基準點的高程引測至橋面的臨時基準點上，引測路線須閉合，閉合誤差須符合二等水準要求。橋面高程永久測點高程測量時用臨時基準點閉合，觀測方法為：往測測站數(shù)為奇數(shù)時“后—前—前—后”，測站數(shù)為偶數(shù)站時“前—后—后—前”；返測測站數(shù)為奇數(shù)站時“后—前—前—后”，測站數(shù)為偶數(shù)站時“前—后—后—前”。往測改為返測時，兩根銦鋼尺須互換。

橋梁墩臺高程永久測點需測出觀測點的三維坐標，水平坐標(X，Y)用于計算橋墩傾斜度的變化，高程數(shù)據(jù)Z用于計算橋墩的沉降值。因橋下地勢限制，測量方法采用后方交會法進行測量，測量時測站點與兩個控制點之間的夾角一般為60°～120°之間，夾角過大或過小都容易對精度造成影響，架設(shè)儀器時還需考慮測量過程中的“長邊控制短邊”，可提高測量精度。

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

4.3 測量數(shù)據(jù)的處理方法

沉降觀測數(shù)據(jù)須進行嚴格的平差計算，將誤差分配至各個測點，得出最終結(jié)果。當精度不符合要求時須及時進行補測或重測。

兩反射片連線的傾斜度初始值需通過兩個反射片的坐標差值計算得出，用兩次測量數(shù)據(jù)計算得出兩反射片連線傾斜度的變化值即為橋梁墩臺傾斜度的變化值。假設(shè)橋墩反射片的初測坐標為：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，°。

兩次測量橋面高程永久測點和橋梁墩臺高程永久測點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)。兩次測量結(jié)果的差值如通過曲線、表格等方式處理，可更直觀的看出數(shù)據(jù)變化趨勢。

4.4 測量結(jié)果的匯總與分析

對龍青高速墨水河大橋的沉降和位移進行初測和復(fù)測，匯總兩次測量數(shù)據(jù)并進行對比分析，觀測數(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數(shù)據(jù)變化值匯總表

通過表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°。因測量時橋面處于通車狀態(tài)，并考慮溫度因素和測量誤差的影響，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

(1)變化值較大的位置在下次復(fù)測時應(yīng)加強觀測，并及時進行原因分析。

(2)為確保橋梁沉降位移觀測的連續(xù)性，更好的掌握橋梁的變位情況，應(yīng)加強對橋梁基準點、橋面永久測點、橋墩永久測點的保護。

(3)該測量方法在墨水河大橋上的運用，精確地測量了橋梁沉降、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)護和維修加固工作提供了準確的數(shù)據(jù)支持。同時也實現(xiàn)了橋面高程和橋墩高程的聯(lián)測，達到了預(yù)期的效果。