顧惠明

中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050

斜拉橋塔梁同步施工是指在橋塔尚未封頂前，按輪次分節(jié)交替施工橋塔、架設主梁并掛設斜拉索，形成多工點立體并聯(lián)作業(yè)。與傳統(tǒng)先橋塔封頂后架設主梁工法相比，塔梁同步施工可有效縮短工期［1］。該工法的主要難點在于施工過程中塔、梁線形測量及控制，特別是跨徑大、恒載重、對施工精度要求高的大跨度公鐵兩用斜拉橋［2］。由于塔柱、懸臂鋼梁整體剛度較弱，在施工狀態(tài)下因受荷載、索力不均等因素影響塔柱和鋼梁產(chǎn)生顯著變形，增加結(jié)構定位及線形控制的難度。已施工主塔、鋼梁節(jié)段的累積線形偏差直接影響下一節(jié)段施工，需充分掌握其變形規(guī)律，并基于可靠的測量手段精確修正線形偏差。同時，在寬闊水域中測距較遠，常規(guī)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）靜態(tài)測量方法誤差大，難以滿足大跨度橋梁定位精度需求。

針對上述問題，依托滬蘇通長江公鐵大橋提出線形測量技術方案及控制要點，并通過實橋數(shù)據(jù)驗證其可行性。

1 工程概況

滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋采用雙塔五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，跨度布置為（140+462+1 092+462+140）m，見圖1。

主梁上、下層橋面分別搭載6車道公路及4線鐵路。主塔采用鉆石形鋼筋混凝土結(jié)構，見圖2。塔身為C60自密實混凝土，下游側(cè)中塔柱上設置27 000 kN·m附壁塔吊。承臺頂以上塔高為330 m，下橫梁頂面以上塔高為270 m。

圖1 主航道橋橋式布置（單位：m）

圖2 主塔結(jié)構示意（單位：m）

主梁采用三主桁N形桁架形式，上層橋面為正交異性板結(jié)構，下層橋面為鋼箱結(jié)構［3］。主梁桁高16 m、桁寬35 m，節(jié)間長度14 m，見圖3。主航道橋共164個節(jié)間，主梁標準節(jié)段由兩個鋼梁節(jié)間組成。主航道橋設計采用432根直徑7 mm 2 000 MPa級平行鋼絲斜拉索，最大索長576 m，最大索質(zhì)量83.5 t［4］。

圖3 主航道橋標準節(jié)段鋼梁橫斷面（單位：cm）

主航道橋主塔分55節(jié)（含塔冠）施工，上塔柱第39節(jié)混凝土澆筑完成且鋼錨梁定位完成后，張拉首層斜拉索，開始塔梁同步施工，如圖4所示。

圖4 塔梁同步施工

在一個塔梁同步施工周期內(nèi)，掛索施工滯后于主塔施工3個節(jié)段。施工上塔柱高6 m標準節(jié)段過程中同步定位安裝兩層鋼錨梁，鋼梁標準節(jié)段吊裝過程中同步掛設斜拉索；架梁吊機前移后，繼續(xù)掛設后方錨拉板處斜拉索，最后張拉到位。測量主塔時應保證斜拉索不掛設張拉，架梁吊機處于非起吊或走行狀態(tài)，斜拉索張拉時應保證橋面荷載分布恒定［5-6］。

2 塔梁同步施工線形測量重難點

1）測量工序多，測量時現(xiàn)場要求高

塔梁同步施工過程中，主塔塔身、鋼錨梁、鋼梁測量工序多，定位安裝精度要求高。主塔主要測量內(nèi)容包括：①主塔已澆筑節(jié)段測量、主塔施工節(jié)段勁性骨架安裝測量；②斜拉索張拉前后、索力調(diào)整后以及架橋機走行前后主塔測量；③鋼錨梁安裝測量及索導管定位測量；④塔柱模板安裝測量。鋼梁主要測量內(nèi)容包括：①架梁吊機走行前后、斜拉索張拉后以及索力調(diào)整后鋼梁線形測量；②鋼梁節(jié)段吊裝完成后鋼梁高程測量。

2）主塔線形影響因素多，高空遠距測控難度大

上塔柱高120 m，水平剛度較弱，引起主塔線形偏差的主要因素包括：①主跨、邊跨鋼梁自重和梁面荷載差異引起的縱向塔偏；②拉索索力不均引起的塔柱空間撓曲及扭轉(zhuǎn)變形；③主塔不平衡荷載引起的塔柱空間撓曲變形；④施工期混凝土收縮徐變作用引起的塔柱空間撓曲變形。

塔梁同步施工階段，主塔變形主要表現(xiàn)為縱向塔偏。已施工的主塔在出現(xiàn)縱向塔偏時，后續(xù)節(jié)段順接將進一步放大偏離量，必須頻繁測量修正?，F(xiàn)場需在主塔非垂直狀態(tài)下施工放樣過程中進行坐標計算、復測控制。同時由于江岸測量控制點與橋塔距離過遠，采用傳統(tǒng)定位測量方法精度難以滿足設計要求。

3）大節(jié)段鋼梁懸臂架設及合龍線形控制難度大

鋼梁大懸臂狀態(tài)下整體線形受索力、臨時荷載和墩頂起頂量影響顯著，塔柱和梁面臨時荷載需頻繁統(tǒng)計并控制，預偏、糾偏難度大。主跨、邊跨鋼梁自重存在差異，為減小塔根縱向彎矩進而減小上塔柱縱向塔偏，需考慮配重控制。

3 塔梁同步施工線形測量實施路線

為確保測得的線形數(shù)據(jù)準確，測量作業(yè)需在風力不高于6級且環(huán)境氣溫相對恒定的夜間進行，保證塔上、梁面荷載以及索力無變化，即滿足“靜態(tài)”條件。塔柱節(jié)段內(nèi)預埋一系列棱鏡作為定位觀測點，塔頂基準控制點三維坐標利用平距差分法、天頂投點法等方法測量，并通過基于圖像識別的塔偏測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)復核，再根據(jù)實測塔偏對施工節(jié)段塔柱特征點坐標進行修正。以塔頂基準控制點坐標反算塔頂結(jié)構物如鋼錨梁、索導管、勁性骨架以及模板的定位坐標?？赏ㄟ^采集懸臂梁端后方兩個節(jié)段的節(jié)點三維坐標，推算梁端拼接口前后相對拱度和整體線形。

4 主塔線形監(jiān)測

4.1 測量控制網(wǎng)的建立

圖5 測量控制網(wǎng)布置

主航道橋施工期間，主墩施工測量以首級控制網(wǎng)控制點作為基準，控制網(wǎng)布置如圖5所示。施工控制點分布于主航道橋南側(cè)大堤、北側(cè)水上平臺處，除南側(cè)大堤處設置兩個專用平面控制點外，其余施工控制點均兼作平面及高程控制點。

主塔在江中開闊水域，與現(xiàn)有岸邊首級控制網(wǎng)控制點最近距離約840 m，無法滿足施工規(guī)范和設計精度要求，須按照點位功能在不同施工區(qū)域（水上平臺、橋墩承臺頂）增設施工控制點（即加密測點），縮短視距。所有施工控制點處均安裝強制歸心裝置，減小對中誤差［7-8］。每次測量先對多個后視點坐標進行復核，然后進行測量。29#墩承臺頂面上下游各設置一個強制歸心控制點，作為主塔線形測量的后視點。在28#墩、29#墩兩座主塔上下游塔柱鐵路面位置增設施工控制點，作為鋼梁線形測量控制點使用。

4.2 塔偏測量施工控制點布置與坐標推算

由于邊跨、中跨鋼梁不平衡力矩作用，上塔柱將產(chǎn)生縱向偏位。為保證成橋狀態(tài)塔柱鉛直，線形滿足設計要求，在塔梁同步施工過程中需修正塔頂鋼錨梁、索導管等結(jié)構的定位坐標，確保已掛索塔柱節(jié)段上方的自由節(jié)段順接，使得主塔回歸理論位置時呈鉛垂狀態(tài)。

自塔柱下橫梁施工開始，依次在下橫梁第9節(jié)、中塔柱第22和32節(jié)、上塔柱第34節(jié)以及塔頂節(jié)段設置20 cm×20 cm預留孔埋設棱鏡，作為主塔線形測量的施工控制點，如圖6所示。各棱鏡定位于相應節(jié)段上、下游側(cè)塔身中軸線上。通過天頂投點法復核塔頂基準控制點坐標，由施工控制點數(shù)據(jù)擬合形成主塔偏位曲線，再按割線法推算出待施工節(jié)段施工控制點的三維坐標，從而實現(xiàn)對理論設計坐標的修正，可指導后續(xù)塔頂結(jié)構物的定位施工。

圖6 塔偏測量施工控制點布置

主塔中塔柱第36節(jié)澆筑完成后，塔肢側(cè)方附壁塔吊標準節(jié)及吊臂拼裝就位，會造成主塔約2 cm側(cè)偏，故需在中塔柱第35節(jié)施工完成后測量其下方各預設棱鏡原始坐標，修正后續(xù)施工狀態(tài)塔柱測量結(jié)果。

塔柱線形測量過程中架梁吊機處于非工作狀態(tài)，附壁升降梯應落至最底部。附壁塔吊不得進行吊裝作業(yè)，塔吊吊臂應垂直于橋軸線且前端指向塔肢內(nèi)側(cè)。

4.3 塔柱遠距離測量

先采用兩臺全站儀分別對施工控制點觀測4個測回，測回間坐標分量之差應小于3 mm。當坐標分量之差超限時應增加測回數(shù)，并剔除超限數(shù)據(jù)。然后分別觀測主塔上下游側(cè)所有棱鏡，繪制主塔線形曲線，并記錄觀測時間、環(huán)境溫度等信息。

上塔柱施工節(jié)段平面投影坐標測量采用平距差分法，如圖7所示。其中：l1、l2分別為28#、30#墩墩頂承臺施工控制點距雙面棱鏡處施工控制點的水平距離。

圖7 平距差分法觀測示意

測量具體方法為：①首先在待測主塔（29#墩處）承臺頂面測點處設置雙面棱鏡，然后在對側(cè)的28#主墩和同側(cè)的31#邊墩承臺頂面測點處采用全站儀觀測雙面棱鏡，并將實測平距之和（l1+l2）、橋軸線偏差和基準值進行差分修正，有效控制平面測量誤差。②通過天頂投點法，先將投點中心設在塔柱幾何中心，然后再觀測待測主塔塔身及塔頂上的棱鏡，確定各棱鏡處坐標，包括塔頂基準控制點坐標。③根據(jù)實際線形修正塔頂主要結(jié)構物理論三維坐標后，采用交會法或GPS靜態(tài)測量法確定施工節(jié)段鋼錨梁、索導管、勁性骨架及模板安裝位置

4.4 塔偏測量

塔梁同步施工過程中主塔會發(fā)生動態(tài)變形，為輔助測控塔柱變形狀態(tài)，研發(fā)了基于圖像識別的塔偏測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高性能處理器、圖像采集裝置、長焦鏡頭、云臺、特征標志件、測距模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和分析軟件組成［9］。在橋塔上塔柱既定位置設置標靶，通過在承臺頂面搭設高精度攝像儀（天文級折光長焦鏡頭）對橋塔縱橫橋向變形進行實時巡測。標靶標記點成像位置與基準圖像中的對應位置發(fā)生變化時，系統(tǒng)自動分析標記點的位移，并實時顯示主塔上多點縱橫橋向位移時程曲線，并與預設的閾值進行對比。若超過閾值系統(tǒng)自動報警，從而實現(xiàn)變形預警功能。該系統(tǒng)測量精度不低于1 mm，有效測量距離不小于300 m，通過全天候跟蹤測量，可有效校驗主塔線形人工測量結(jié)果。

第52節(jié)塔柱澆筑完成后實測的塔頂最大縱向偏位為29 mm（圖8），方向朝南（即朝邊跨側(cè)）。上塔柱變形趨勢穩(wěn)定，線形平順，傾斜度小于1/3 000，線形控制結(jié)果滿足設計要求。

圖8 懸臂架設至E68節(jié)間、中跨合龍后鋼梁線形對比

5 鋼梁線形測量

5.1 大節(jié)段鋼梁懸臂架設線形測量

大節(jié)段鋼梁懸臂架設過程中鋼梁線形的有效控制既是塔偏控制的基礎，也是精準合龍的前提條件。一般通過調(diào)整梁面荷載和斜拉索索力分布實現(xiàn)糾偏［10］。

測量懸臂梁段三桁上下弦的軸偏時，以主墩頂梁面幾何中心點為坐標原點，以對側(cè)主墩梁面幾何中心點作為后視方向建立相對坐標系進行測量。

為減少環(huán)境氣溫及日照對線形測量結(jié)果的影響，準確反映鋼梁實際位置，鋼梁各種狀態(tài)下的測量作業(yè)均在夜間23：00～05：00進行。在鋼梁節(jié)段整體吊裝到位并焊接后，測量該節(jié)段及后方不少于兩個節(jié)段的三桁上下弦共12個節(jié)點的三維坐標，擬合鋼梁線形。測量時還應詳細記錄當前架梁吊機的位置、環(huán)境氣溫、鋼梁表觀溫度和梁面荷載分布情況。

5.2 合龍線形測量

在梁面、塔上荷載基本不變的情況下，合龍前1～2 d連續(xù)測量南北兩個合龍口鋼梁姿態(tài)?？缰泻淆埱霸趹冶哿憾稳焐舷孪液淆埧谠O置里程、中線標志點，24 h連續(xù)測量，記錄標志點三維坐標以及懸臂梁段總體線形，并繪制撓度-溫度-時間圖、軸偏-溫度-時間圖以及與合龍口相鄰的6個節(jié)點里程-溫度-時間圖。分析因環(huán)境溫度及日照變化引起的合龍口姿態(tài)變化規(guī)律，找到最佳合龍時機，并確定懸臂梁段縱向頂推距離。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過張拉斜拉索、梁面配重等措施調(diào)整主梁線形，確保合龍口兩側(cè)鋼梁線形平順、一致。

鋼梁合龍后，對全橋所有鋼梁節(jié)點的三維坐標進行一次通測。橋面附屬結(jié)構施工、成橋索力調(diào)整階段，按照監(jiān)測要求對部分鋼梁節(jié)點有針對性地測量，監(jiān)測鋼梁線形的變化情況。

懸臂架設至E68節(jié)間、中跨合龍后鋼梁線形對比見圖9。在懸臂架設階段，由于受力狀態(tài)與成橋狀態(tài)差異大，且制造誤差不斷累積，鋼梁中桁上下弦最大軸偏為45 mm，發(fā)生在懸臂梁段中部，滿足軸偏不大于L/5 000（L為懸臂梁段長度，475 m）的設計要求。中跨合龍后，索力進一步優(yōu)化調(diào)整，鋼梁應力重分配，鋼梁中桁上下弦最大軸偏回歸至30 mm，總體線形特征與施工階段基本一致，側(cè)面證實了塔梁同步施工過程中鋼梁線形控制的必要性。

圖9 懸臂架設至E68節(jié)間、中跨合龍后鋼梁線形對比

6 結(jié)語

滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋自2018年12月27日開始第35節(jié)塔柱施工，2019年7月7日塔冠封頂，2019年7月18日南側(cè)輔助跨合龍。在塔梁同步施工期間，塔頂最大縱向偏位為29 mm，滿足傾斜度不大于1/3 000的設計要求。鋼梁中桁上下弦最大軸偏45 mm，滿足不大于L/5 000的設計要求。各項成橋?qū)崪y數(shù)據(jù)有效驗證了塔梁同步施工測量技術的可靠性，可為后續(xù)大跨度斜拉橋相關測量技術研究提供參考。