鐵路大跨度斜拉橋上無砟軌道精測網測設方法

李 雷

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

大跨度斜拉橋[1]具有橋型美觀、易于修建和維護等特點，因此在公路系統中普遍采用。公路系統的大跨度斜拉橋一般指主跨跨度大于500 m的斜拉橋。由于其跨度大，且一般為漂浮或半漂浮體系，因此不論在施工還是在運營維護過程中，大跨度斜拉橋均存在橋面變形大和主梁結構穩定性差[2-3]的問題。高速鐵路大多采用無砟軌道，而無砟軌道要求線下結構穩定，無變形或變形小，因此迄今為止我國還沒有在跨度大于250 m的斜拉橋上鋪設無砟軌道的先例。同樣的道理，我國目前也沒有在跨度大于250 m的鐵路斜拉橋上測設高精度精密測量控制網[4](簡稱精測網)的先例和經驗。高速鐵路精測網包括基礎平面控制網(CPⅠ)、線路平面控制網(CPⅡ)、軌道三維控制網(CPⅢ)和線路水準基點控制網，其精度要求高[5]，是無砟軌道鋪設和長鋼軌精測與精調的基礎。

為推動在更大跨度高速鐵路橋梁上鋪設無砟軌道，本文依托昌贛客運專線贛江特大橋(為主跨300 m的斜拉橋)進行大跨度斜拉橋上鋪設無砟軌道技術深化研究。為實現在大跨度斜拉橋上鋪設無砟軌道和進行長鋼軌的精測與精調，需要配套研究如何在大跨度斜拉橋上測設滿足無砟軌道鋪設要求的高精度精測網。在大跨度斜拉橋上測設無砟軌道精測網的難點主要有：①根據CPⅢ網點縱向間距一般為60 m左右的布點要求，有些CPⅢ點將不可避免地布設在主梁的不穩定位置，這將導致這些CPⅢ點的三維坐標隨主梁荷載和環境溫度的變化而變化[6-8]；②如何根據主梁的實際荷載情況和環境溫度，快速得到橋上各個CPⅢ點的坐標和高程，使這些CPⅢ點的坐標和高程盡可能地少受測量過程中環境變化的影響。

本文結合贛江特大橋的結構特點，研究如何合理布設橋上CPⅡ,CPⅢ點和水準點的位置，使與該橋無砟軌道鋪設有關的全部CPⅡ點和水準點點位穩定，部分CPⅢ點點位穩定，使這些點不存在其點位隨荷載和環境溫度變化而變化的問題；同時研究合理、可靠的橋上精測網測量方法，使橋上精測網在測量過程中控制點的坐標和高程受環境影響盡可能地小。

1 贛江特大橋工程概況

贛江特大橋全長 2 160 m，其線路立面如圖1所示。主橋結構采用(35+40+60+300+60+40+35)m混合梁斜拉橋，邊跨設置2個過渡墩和1個邊墩，主跨跨徑為300 m。

2 橋上各類控制點布設方法

如前所述，高速鐵路精測網包括CPⅠ,CPⅡ,CPⅢ 和線路水準基點網，下面根據主橋的結構特點、跨徑布置，并基于穩定性方面的考慮，介紹主橋上各類控制點的布設方法。

圖1 線路立面示意

需要說明的是，由于高速鐵路要求在橋梁段相鄰CPⅠ點間的縱向間距為4 km左右，而本項目中斜拉橋全長僅為572 m，所以主橋上無需布設CPⅠ點。

2.1 線路水準基點布設方法

雖然高速鐵路的線路水準基點間縱向間距為2 km 左右，但是考慮到快速測設主橋上CPⅢ點高程的需要，以及主塔是斜拉橋上唯一穩定的結構物，且兩側引橋固定支座防撞墻頂面是穩定的，為此應該在每個主塔略高于主梁的合適位置布設2個水準基點，如圖2所示。除此之外在兩側引橋靠近主橋的固定支座防撞墻頂面各布設1個水準基點，這樣在主橋及其兩側引橋上共布設6個穩定的水準基點，構成主橋上無砟軌道鋪設的線路水準基點網。

圖2 水準基點布設位置示意

2.2 CPⅡ點布設方法

高速鐵路CPⅡ點間的縱向間距為500 m左右，考慮到快速測設主橋上CPⅢ點高程的需要，以及主橋兩側引橋固定支座防撞墻頂面是穩定的，且主塔是穩定結構物，因此在每個主塔略高于主梁的合適位置布設2個CPⅡ點，同時在主橋兩側引橋相距約300 m的固定支座防撞墻頂面各布設2個CPⅡ點，這樣共8個穩定的CPⅡ點組成全橋CPⅡ控制網，如圖3所示。

2.3 CPⅢ點布設方法

高速鐵路要求相鄰CPⅢ點間的縱向間距為60 m左右。斜拉橋雖然整體穩定性差，但是橋上還是有部分位置其縱向和豎向均是穩定的，如主塔與主梁大致等高的塔柱內側；主梁上還有部分位置豎向是穩定的，如各個過渡墩頂部的防撞墻頂面。當然，中跨主梁上的各個位置其縱向和豎向均不穩定。由于鐵路斜拉橋的橋面寬度不大，所以荷載和溫度變化引起的橋梁結構橫向變形較小，根據經驗基本上可忽略不計。為了使主橋上的CPⅢ點盡可能具有較好的穩定性，本文按照以下原則和方法布設橋上CPⅢ點對：

1)在靠近主橋的兩側引橋固定支座正上方的防撞墻頂面，大小里程分別布設1對雙向(縱向和豎向)穩定的CPⅢ點。

2)在大小里程靠近主塔的第1個過渡墩防撞墻頂面，分別布設1對豎向穩定的CPⅢ點。

3)在大小里程的主塔內側面，分別布設1對雙向穩定的CPⅢ點，此處的CPⅢ點可與同樣布設在該位置處的CPⅡ點和水準基點共樁，做到3類控制點共用1個點位。

4)在中跨的五等分處，分別布設1對CPⅢ點，這些CPⅢ點對的雙向均是不穩定的。

這樣主橋上的CPⅢ網共有10對共20個CPⅢ點，具體布設位置如圖4所示。

圖4 主橋上CPⅢ點布設位置示意(單位：m)

3 橋上各類精測網測量方法

根據高速鐵路無砟軌道鋪設的精度要求，同時結合斜拉橋的結構特點、變形規律，以及按照以上方法布設的橋上各類控制點的穩定性情況，制定橋上各類精測網的測量方法。

3.1 線路水準基點網測量方法

目前我國高速鐵路的水準基點網一般情況下是采用電子水準儀，按照二等水準測量方法測量線路沿線。本項目由于斜拉橋的橋長短(570 m)，因此也采用二等水準測量方法測量上述6個水準基點的高程，并將這6個水準基點的高程作為CPⅢ高程網的起算點。

3.2 CPⅡ網測量方法

在路基和橋梁段，高速鐵路的CPⅡ控制網一般采用全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)靜態相對定位的方法，按照三等的精度要求進行外業測量和內業數據處理，起算數據為CPⅡ網附近的CPⅠ點坐標。考慮到斜拉橋主塔內側的4個 CPⅡ點無法采用GNSS的方法測量，因此提出主橋CPⅡ控制網測量方法。

1)利用離主橋最近的2個CPⅠ點(起算點)，采用GNSS靜態相對定位的方法，測量主橋兩側引橋上的4個CPⅡ點的坐標，測量精度為GNSS三等。

2)利用主橋兩側引橋上的4個CPⅡ點(起算點)，采用智能型全站儀固定測站與自由測站相結合的邊角網測量方法，測量主塔內側的4個CPⅡ點的坐標，測量精度為三等邊角網[9]。

固定測站與自由測站相結合的邊角網測量網形如圖5所示。

圖5 主橋CPⅡ控制網測量網形示意

3.3 CPⅢ三維網測量方法

CPⅢ三維網包括CPⅢ平面網和CPⅢ高程網，是高速鐵路無砟軌道鋪設和長鋼軌精測與精調的測量基準。目前一般情況下是采用智能型全站儀自由測站邊角交會網的方法測量CPⅢ平面網，再采用智能型全站儀測量CPⅢ高程網。考慮到主橋上有6對CPⅢ點的縱向坐標和4對CPⅢ點的高程將隨橋面荷載和環境溫度的變化而變化，因此主橋上的CPⅢ三維網應該采用2臺智能型全站儀同時從大小里程向中跨進行測量，在測量CPⅢ平面網的同時，采用全站儀的三維觀測值組建CPⅢ三角高程網[10]，以達到在盡可能短的時間內完成主橋上CPⅢ平面網和高程網的同時測量，使橋面荷載和環境溫度變化對CPⅢ點位的影響降低到最小。

4 結論

根據鐵路大跨度斜拉橋的結構特點、變形規律以及高速鐵路精測網的測量要求，研究了贛江特大橋主橋上精測網的測設方法，該方法具有以下特色及創新點。

1)在布設精測網的各類控制點時，應該將盡可能多的控制點布設于縱向和豎向均穩定的斜拉橋主塔及其兩側引橋固定支座的防撞墻頂面上；在迫不得已的情況下，部分CPⅢ點應布設在豎向穩定的過渡墩頂面。這樣可以減少布設在斜拉橋上的不穩定點的數量。

2)考慮斜拉橋及其兩側引橋的測量條件，分別采用GNSS和邊角網的方式測量主橋的CPⅡ控制網，既切合工程實際又能夠到達精度要求，特別是采用固定測站與自由測站相結合的方法測量主橋的CPⅡ邊角網，網形交互強度大，具有創新性。

本文對贛江特大橋上的精測網測設具有較大的指導價值。下一步將針對橋面上的4對雙向不穩定的CPⅢ 點和過渡墩頂面上的2對縱向不穩定CPⅢ點的實時坐標和高程的獲取方法進行研究，為鐵路大跨度斜拉橋上無砟軌道鋪設和長鋼軌精測與精調提供更多的技術支撐。