三維空間坐標測量在本溪北地跨線橋鋼拱塔施工測量中的應用

王傳杰

摘要：文章通過對三維空間坐標測量基本原理的分析，確定測量誤差的主要來源，在施測過程中制定相應的質量控制措施，保證三維空間坐標測量滿足橋梁工程測量的精度要求，成橋后線型達到設計理想的線型，并以本溪北地跨線橋為例進行說明。

關鍵詞：三維空間坐標測量;精度分析;獨塔斜拉橋;鋼拱塔;橋梁工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U445 文章編號：1009-2374（2016）04-0092-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.047

1 概述

斜拉橋是高次超靜定的力學體系。本溪橋塔、梁、索同步施工，施工過程中塔、梁、索、力與變形相互影響，同時又受溫度和眾多施工隨機因素的影響，使得線型控制難以達到理想的范疇。通過采用三維空間坐標法很好地解決了這個問題。最終成橋后，主體結構的線型達到了設計理想的線型，即達到了成橋合理狀態。

北地跨線橋工程位于本溪市城市中心區域，南起北地廣場，向西北方向連續跨越本溪火車站、本溪鐵路車輛段、本鋼本部車場、太子河，終點位于太子河北岸，主橋結構形式為獨塔斜拉橋，引橋采用鋼筋混凝土現澆箱梁和預應力混凝土現澆箱梁。主橋跨徑布置為（32.5+40+30.76）m+（152+48+42）m。

鋼拱塔單肢斷面為單箱多室布置;鋼拱塔共分為43個施工節段，其中單肢劃分為21個節段（T1～T21），設20個拼接接縫，節段長度為2.6～5.4m，節段重量為21.8～47.0t（T1節段）;合攏段一節（T22），設2個拼接接縫，節段高度3.648m，重24.5t。

鋼拱塔T1節段伸入混凝土下塔墩內4m，與混凝土塔墩采用40束3Φs15.2預應力鋼束錨固于承臺混凝土內形成鋼混結合段，張拉端位于T2節段1.8m處箱內錨板處，張拉控制應力為1357.8MPa。

2 施工特點及施工測量的內容

2.1 施工特點

鋼拱塔分節段在工廠集中制造成構件單元，通過便道運輸至現場，在20#墩布置動臂塔吊，提升吊裝鋼塔節段，進行原位節段拼裝，部分斜拉索掛索與鋼塔節段拼裝同步進行，拼裝時通過斜拉索利用已滑移到位的鋼箱梁作為配重。鋼塔首節通過勁性骨架預埋在下塔墩內，第二節鋼塔吊裝定位后與首節塔柱焊接，依次施工其他節段，直至鋼塔施工完成。鋼拱塔原位拼裝過程中，兩肢之間設置臨時支撐。鋼拱塔拼裝完成后再掛設剩余斜拉索。

施工總體流程：鋼混結合段施工（T1、T2節段施工，塔-墩固結）→安裝T3～T21節段→安裝合攏段T22。

2.2 施工測量的內容

北地跨線橋鋼拱塔施工測量的主要內容：鋼拱塔節段單元定位測量，鋼拱塔監控測量。

3 塔柱施工測量及監控測量的精度要求

3.1 塔柱施工測量精度要求

主塔軸線水平偏位≤±10mm;兩根塔柱橫橋向中心距≤±5mm;塔柱軸線縱、橫向傾斜度≤H/3000;塔頂高程偏差≤±10mm;塔柱截面尺寸≤±20mm。

3.2 塔柱監控測量的精度要求

索塔的縱向、橫向偏差應控制在H/2500以內;索塔高度H偏差小于10mm;塔柱中心距（接縫處）偏差小于4mm。

4 三維空間坐標法測量的精度分析

4.1 極坐標放樣的精度分析

全站儀進行極坐標放樣，影響放樣點位精度的主要誤差來源包括儀器安置在測站上的對中誤差對放樣點位的影響、測設方位角的測角誤差影響、測距誤差影響以及放樣點標定的誤差等。

4.2 EDM三角高程放樣精度分析

4.2.1 EDM三角高程測量計算公式

EDM三角高程測量是通過觀測兩點間的水平距離和天頂距（或者高度角）求定兩點間高差的方法。由于測量距離比較長，必須顧及地球彎曲差和大氣垂直折光的影響。

圖3所示：A為測站;HA為測站高程;HI為測站儀器高度;B點為置鏡點;HB為待測點高程，即前點高程;HR為棱鏡高度;L為儀器與棱鏡間的斜距;D為儀器高程面的水平距離;Z為儀器瞄準棱鏡的天頂距;△f1為地球曲率引起的高差;△f2為大氣折光引起的高差。B點的高程計算公式為：

由上式看出，采用單向三角高程測量時，由于地球曲率及大氣垂直折光的影響，往往會使測得高差與實際值不符，且隨著距離的加大而成級數增加。實際測量時，只需對全站儀進行儀高、棱鏡高、氣象參數進行設置后，全站儀直接顯示兩點間的高差。

4.2.2 EDM三角高程測量的中誤差分析

將HB計算公式進行全微分得：

5 提高三維空間坐標法測量精度的措施

5.1 提高極坐標放樣精度的措施

5.1.1 選擇有利的觀測時間，一天中上午日出后半小時至1個半小時，下午日落前3小時至半小時為最佳觀測時間，陰天、有微風時，全天都可以觀測。

5.1.2 選擇有利的觀測條件，安穩腳架、打傘遮陽等，使外界條件的影響降低到最小程度。

5.1.3 測線以遠離地面為宜，離開地面的高度不應小于2m。

5.1.4 在測線兩端分別量取溫度和氣壓，然后取平均值。

5.1.5 儀器參數設置。（1）氣象改正。直接將溫度、氣壓、輸入到儀器中;（2）加常數。當使用不同的棱鏡時，則應在儀器內設置不同的反射棱鏡常數。為了在距離顯示值中消除加常數的影響，直接輸入儀器中;（3）補償器及軸系誤差改正功能應處于“開”的狀態。

5.1.6 測站和鋼拱塔上的測量點距離控制在500m

以內。

5.1.7 測量時采用盤左、盤右測量，構成一個測回，則mo/=2.12mm，放樣限值或容許誤差取2mo/，即md=±2×2.12=±4.2mm。

5.2 提高EDM三角高程放樣精度的措施

5.2.1 選擇有利的觀測時間，一天中上午日出后半小時至1個半小時，下午日落前3小時至半小時為最佳觀測時間，陰天、有微風時，全天都可以觀測。

5.2.2 選擇有利的觀測條件，安穩腳架、打傘遮陽等，使外界條件的影響降低至最小程度。

5.2.3 測線以遠離地面為宜，離開地面的高度不應小于2m。

5.2.4 在測線兩端分別量取溫度和氣壓，然后取平均值。

5.2.5 儀器參數設置。（1）氣象改正。直接將溫度、氣壓輸入到儀器中;（2）加常數。當使用不同的棱鏡時，則應在儀器內設置不同的反射棱鏡常數。為了在距離顯示值中消除加常數的影響，直接輸入儀器中;（3）補償器及軸系誤差改正功能應處于“開”的狀態。

5.2.6 量儀器高和標桿或棱鏡高度，應從不同的方向測量，取其平均值。

5.2.7 測站和鋼拱塔上的測量點距離控制在500m以內。

5.2.8 測量時采用正倒鏡觀測，mo=2.96/=2.09mm，極限誤差或容許誤差取2倍中誤差，2mo=4.2mm。

6 三維空間坐標法在本溪北地跨線橋鋼拱塔施工測量中的應用

6.1 鋼拱塔施工測量

下塔墩采用定型鋼模施工，分兩次澆筑，首次澆筑至鋼拱塔T1節段底口處，利用動臂塔吊吊裝T1節段，鋼拱塔底節T1定位裝置由高0.5m、0.3m的焊接H400×150型鋼及其底座預埋件組成。塔墩澆筑第一次混凝土時預埋導向限位裝置預埋件，預埋件由鋼板和錨固鋼筋組成。

首節安裝時使用三維空間坐標法在預埋件上放樣出T1節段下口四角點三維坐標，利用動臂塔吊吊裝節段鋼拱塔至放樣點位，然后按上述方法測量T1節段上口四角點三維坐標，與設計坐標相比較，若超出誤差范圍，利用千斤頂進行空間位置的調整，逐步逼近，使之達到要求，立即鎖定焊接。安裝T2節段時，底口與T1節段上口臨時鎖定，使用三維空間坐標法測量T2節段上口四角點三維坐標，若滿足誤差要求，可以焊接兩節段鋼拱塔，否則通過設置在節段上的千斤頂調整上口位置直至合格。以此類推完成鋼拱塔施工。

6.2 鋼拱塔監控測量

T10節段吊裝就位，掛設C6#～C7#、C6`#～C7`#斜拉索并張拉至控制噸位，在T10節段設置第一道橫撐。鋼塔線型監測，使用三維空間坐標法測量T10節段反射片，觀測數據提供給監控單位。

T11～T12節段吊裝就位，掛設C8#～C9#、C8`#～C9`#斜拉索并張拉至控制噸位;T13～T14節段吊裝就位，掛設C10#～C11#、C10`#～C11`#斜拉索并張拉至控制噸位;T15節段吊裝就位，掛設C12#～C13#、C12`#～C13`#斜拉索并張拉至控制噸位，在T15節段設置第二道橫撐。鋼塔線型監測使用三維空間坐標法測量T10、T15節段反射片，觀測數據提供給監控單位。

T16節段吊裝就位，掛設C14#～C15#、C14`#～C15`#斜拉索并張拉至控制噸位;T17節段吊裝就位，掛設C16#～C18#、C16`#～C18`#斜拉索并張拉至控制噸位;T18～T20節段吊裝就位，在T20節段設置第三道橫撐。鋼塔線型監測，使用三維空間坐標法測量T10、T15、T20節段反射片，觀測數據提供給監控單位。

T21節段吊裝就位，調整合攏口并精確定位，吊裝合攏段T22。鋼塔線型監測，使用三維空間坐標法測量T10、T15、T20節段反射片，觀測數據提供給監控單位。

掛設C1#～C5#、C1`#～C5`#斜拉索并張拉至設計噸位;補張拉C6#～C18#、C6`#～C18`#斜拉索至設計噸位;掛設C19#～C22#、C19`#～C22`#斜拉索并張拉至設計噸位，成橋。鋼塔線型監測，使用三維空間坐標法測量T10、T15、T20節段反射片，觀測數據提供給監控單位。

6.3 測量成果

鋼拱塔定位測量及監控測量時平面坐標限值取2mo/，即md=±2×2.12=±4.2mm，高程極限誤差取2倍中誤差，2mo=4.2mm，滿足鋼拱塔定位及監控測量的精度要求。最終成橋后，主體結構的線型達到了設計理想的線型，即達到了成橋合理狀態。該橋被評為省優質工程。

7 結語

在本溪北地跨線橋鋼拱塔施工測量中，針對徠卡TCR1201全站儀三維空間坐標法測量的特點及鋼拱塔施工測量、鋼拱塔監控測量不同的精度要求，采取不同的精度控制措施，并且測量效率高，已經得到了廣泛的運用。此項技術在復雜橋梁測量中將發揮重要作用，省時省力、精度可靠，降低了施工測量成本。該橋測量方法的運用取得了理想的效果，可為今后同類工程施工測量提供借鑒。

參考文獻

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（責任編輯：秦遜玉）