大型斜拉橋轉體施工定位測量技術

仲維玲

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

橋梁轉體施工工藝是在非設計軸線位置將橋梁T構澆筑制作成形后，通過轉體實現橋位至設計軸線位置、然后合龍成橋的一種施工工法，常運用于跨徑較大的單孔或多孔鋼筋混凝土橋梁施工，并在深谷急流、難以吊裝的河道跨越中應用廣泛[1-2]。自20世紀40年代以后，橋梁轉體施工工藝作為一種架橋工藝逐步發(fā)展成熟，并不斷朝著超大跨徑、超大重量、復雜結構等方向不斷創(chuàng)新、發(fā)展，并不斷刷新、突破記錄[3]。

轉體施工靠結構自身利用球鉸旋轉就位，具有諸多優(yōu)點，近年來在跨越鐵路、公路等障礙物時，也開始越來越多地使用橋梁上跨的轉體施工方法[4]，它不僅具有減小施工對鐵路、公路運輸的干擾影響，還能降低運營安全風險的作用，此外還可以節(jié)省大量的支架棚護材料，大大節(jié)省吊裝費用等諸多優(yōu)點[5]。下面以丹陽斜拉橋轉體施工為例，論述轉體施工定位測量技術，供同類橋梁轉體控制測量參考。

2 工程概況

丹陽立交橋位于山東省菏澤市境內，全長2 032.383 m，起訖里程K0＋0.000～K2＋032.383，設計道路等級為城市主干道Ⅱ級，時速40 km，并以斜拉橋主跨240 m上跨京九鐵路，采用轉體施工。其轉體斜拉橋工程西起丹陽路與人民路交叉口，沿丹陽路向東延伸，依次跨越振興路、桂陵路、菏澤站貨場、京九鐵路、新日鐵路、電廠鐵路和長沙路等多條城市道路、鐵路和場所，東止丹陽路與武漢路(已規(guī)劃)交叉口。

丹陽斜拉橋總長520 m，總寬32 m，整幅布置，其跨徑組合為(38＋102＋240＋102＋38)m，主橋采用雙塔單索面斜拉橋。為保證施工期間鐵路運輸安全，在靠近京九鐵路側的橋塔及兩側懸臂主梁采用轉體施工。其單轉體長度238 m，轉體重量2.48萬t，轉動結構主塔高度87.5 m，轉動體系鋼球鉸直徑4.5 m，創(chuàng)當時轉體橋梁最重、單球鉸轉動體最長以及球鉸整體鑄造加工直徑最大共3項紀錄。

3 主橋施工控制網建立

丹陽斜拉橋采用復測設計成果中D級GPS點作為已知邊進行約束，并布設覆蓋測區(qū)的主橋獨立施工控制網，見圖1。其圖中所示雙線為約束邊，單線為加密控制點，其余為加密施工控制點；本控制網中采用6臺靜態(tài)GNSS天寶GPS對控制網采用邊聯式進行加密，形成規(guī)則的大地四邊形，便于施工過程中主墩樁基、承臺放樣，以及滑道、球鉸安裝和定位；施工控制測量采用極坐標放樣法，儀器為2″級高精度全站儀。

圖1 主橋控制網布設

4 球鉸定位和滑道水平控制

4.1 球鉸定位

橋梁轉體控制測量，關鍵在于下部結構施工中的球鉸旋轉中心定位[6-7]。球鉸中心也就是橋梁轉體時的旋轉中心位置，但容易粗略認為下部結構幾何中心就是球鉸中心，如在曲線型橋梁中，其下部結構幾何中心與球鉸中心存在一定橫向偏差。球鉸中心定位一旦出現較大誤差，加之墩高及受力等因素影響，橋梁旋轉后就會產生橫向偏差，也就容易在邊跨合龍時出現錯位的現象。

為了減少橫向偏心誤差，提高球鉸定位精度，避免棱鏡鉛錘度影響，測量時需采用對中桿高0.1 m、常數17.5 mm的高精度徠卡小棱鏡定位，而非通常對中桿高1.35 m、常數0的大棱鏡。為防止混凝土澆筑過程中球鉸發(fā)生錯位現象，測量人員必須在球鉸施工過程中全程跟蹤測量。

4.2 滑道水平控制

滑道作為橋梁轉體的一道保護措施，與撐腳之間的間隙以及自身高程控制是主橋轉體能否正常進行的關鍵，轉體過程中若滑道較高時將會增加鋼撐腳與滑道間的摩擦力，過高時可能會出現“卡住”現象，過低時將會降低保護功能，旋轉時梁體出現“翹頭”現象的可能性、幅度將會加大，因此對滑道的高程、平整度要求較為嚴格，一般規(guī)范要求滑道表面測點相對高差不大于1 mm。

針對規(guī)范要求，使用常規(guī)光學水準儀，測設中由于視覺誤差、偶然誤差等累積，其誤差范圍已不能滿足要求。在控制滑道高程及平整度時，采用DINI 03電子水準儀在滑道安裝時，使用水準儀跟蹤測量，按弧長每50 cm設內外兩個測點進行精確測設。同時，在鋼板焊接頭處使用手提式砂輪機進行局部修整，確保滑道整體相對高程、絕對標高的準確性，施工完成后測其相對高差最大值為0.42 mm，絕對高程最大誤差值為0.49 mm，均小于橋梁規(guī)范±1 mm要求。

5 斜拉索導管三維定位

橋梁斜拉索的線性主要由塔上、梁上斜拉索導管兩端的管道空間位置決定，因此斜拉索導管空間位置的精密測量定位是影響橋梁施工質量和線形的重要因素，這是斜拉橋梁體施工測量的核心。斜拉索導管定位方法如下:

(1)采用全站儀測設出索導管的上口、下口中心點位置，并用塔吊將索導管吊至設計位置，然后利用手拉葫蘆調整導管上口、下口的高程和方向，再利用角鋼、鋼筋等措施進行加固，確保索導管基本固定在放樣位置附近，但注意必須為后續(xù)微調留下移動空間。

(2)將小棱鏡置于索導管的十字框上，并調整氣泡居中，然后利用全站儀分別確定上口、下口的平面位置和高程，再利用手拉葫蘆調節(jié)至設計位置后加以固定。

(3)重新核對上口、下口幾何位置維度，若偏差較大時需反復調整，直至X軸、Y軸、Z軸三個方向增量均小于5 mm。對于鋼筋用量較多的斜拉索需從各個角度對索導管形成支頂和拉掛，使索導管完全加固，但加固時不得隨意在索導管上焊接，以免損壞導管。

6 梁體線形監(jiān)控

由于受多種因素影響，梁體在施工過程中容易產生形變，從而導致梁體實際位置與預期有所偏差，小者危及橋梁合龍，重者使梁體線形不符合設計要求[8]。為使橋梁線形符合設計規(guī)范要求，需加強主梁施工線形控制。在梁體線形監(jiān)控中，采用高精度電子水準儀對主梁的高程進行測量，并同時采用三維坐標法監(jiān)測主梁軸線的平面位置和高程。

6.1 線形控制網及高程控制基準點復核

主橋的線形控制網布設在橋梁北側空地，其水準基點為引測高程基準點，為了檢查高程基準點是否完好，線形測試前采用高精度電子水準儀對已知高程控制基準點進行復核，且每年復核頻次不得少于6次[9]。

6.2 主梁立模標高與截面尺寸的放樣監(jiān)測

施工測量過程中，需重點控制各節(jié)段橋梁的軸線方向，以及底板兩側邊線控制點位置。結合設計提供的數據資料及后續(xù)可能變形等進行綜合計算，計算出待澆筑節(jié)段立模前端底板、頂板位置各點坐標，見圖2。

圖2 箱梁截面立模控制點布設

測量時，為保證待澆筑箱梁的平面、高程以及局部結構尺寸的位置準確，其平面位置只需利用全站儀測設各關鍵控制點，高程采用高等級的水準基點來控制，細部結構尺寸采用鋼尺法確定。在澆筑過程中模板會發(fā)生彈性或者非彈性變形，一般主要通過壓重試驗來判斷，放樣過程中應將這些變形考慮進去，以減小箱梁截面在澆筑過程中產生的截面特性施工誤差。

6.3 主梁高程控制點的監(jiān)測

主梁高程控制的基準點布設在墩頂中線處，并以此點向其余點引測，為保證準確性需采用高精度電子水準儀施測，且每月對基準點高程不少于一次復測。

6.4 中線偏差及主梁標高監(jiān)測

采用全站儀測量出主梁的中線標志相對于基準線之間的偏角。操作步驟為:先將儀器安置在一側墩身中心位置，轉動全站儀，將望遠鏡視線指向另一側墩身所架設的棱鏡，并瞄準棱鏡中心，然后測量出已架設好的主梁中心線與全站儀視準軸基準線之間的偏角度數αi，最后根據公式(1)算出二者之間的差值Li為:

式中，ρ″為弧度單位秒，其值為206 265；Si為測端到測點之間的距離。

每節(jié)段施工完成后，按照混凝土澆筑后、張拉預應力后和斜拉索張拉后的順序對主梁標高測量，主要測量剛結束節(jié)段高程值，以及相鄰3個節(jié)段的高程變化值。測量前做好測點預埋，預埋件大多采用φ16鋼筋加工，鋼筋頭部打磨平整后加刻“十字絲”，預埋時露出混凝土頂面3～5 cm為宜，每個節(jié)段按照A、B、C、D、E五點預埋，其中D、E兩點作為該節(jié)段的校核點，A、B、C三點作為后續(xù)節(jié)段施工參考點，各預埋點設置見圖3。

圖3 主梁標高測點布置

6.5 合龍前后線形聯測

氣溫作為梁體線性膨脹系數關鍵因素之一，不同溫度條件下梁體長度、撓度等有所差異，因此在中跨、邊跨合龍之前均應進行一次24 h的聯測。同時，為了得出主梁隨溫度變化的線形數據，對比分析監(jiān)控計算與監(jiān)測結果之間差異，因此在合龍前后聯測是必要的。

7 橋梁轉體過程控制

7.1 梁體控制點布設

為控制梁體平面位置和高程，在梁體頂板表面布設控制點(見圖4)，并采用全站儀坐標法和方位角法進行觀測。具體操作方法為:在邊跨現澆段伸縮縫向跨中方向2 m處軸線方向架設全站儀，在邊跨現澆段任意位置架設水準儀，棱鏡架設在旋轉梁體軸線控制點上，與梁端向主墩方向2 m處軸線方向重合，梁端撓度觀測點兩端布設水準點。

圖4 轉體控制點布設示意

7.2 合龍前后平面線形聯測

該主橋位于直線段上，為更好地確保轉體后線形，首先采用全站儀精確放樣出T構在旋轉之前的橋梁軸線，以及邊跨現澆段在主線上的梁體軸線。其次，在邊跨現澆段架設全站儀，為防止轉后視線遮擋，在轉體T構兩端需架設不等高的覘牌，通過全站儀對兩個覘牌進行實時跟蹤觀測，使用直線定向穿線法對其梁體精確定位。梁體轉體就位后，還需采用坐標法對兩覘牌進行坐標校核，校核無誤后轉體方可結束[10]。

為防止出現過轉現象，在轉體即將到位時，千斤頂拉伸需采用時間點動模式，但點動時間間隔的確定需提前模擬計算，一般以不同時間點動梁端位移行程距離、慣性滑動距離確定，本橋最終點動時間間隔分別設置為10 s、5 s和3 s三種。

規(guī)范要求主梁軸線水平方向允許偏差±10 mm，本橋通過主梁定位坐標復核Δx＝6 mm，Δy＝3 mm，定位后軸線均符合設計規(guī)范要求[11]。

7.3 合龍前后高程聯測

一方面為了保證成橋線形，另一方面作為轉體安全的保證措施之一，橋梁轉體前后均需進行高程量測。主梁轉體前，在主梁兩端分別布設4個高程控制點，將水準儀架設在邊跨現澆段上，在轉體過程中使用水準儀對梁體兩端標高進行跟蹤觀測，時刻觀察梁體中跨和邊跨梁端高程變化情況，直至轉體結束[12]。

轉體完成后，通過對主梁中跨及邊跨標高進行測量，其相對高差僅為12 mm，遠小于參照設計規(guī)范計算出的48 mm(即:±L/5 000＝4.8 cm)，說明通過高程監(jiān)控實施，達到了預期效果。

8 結束語

本文通過對山東省菏澤市丹陽路立交的斜拉橋轉體全過程中的施工控制網建立、球鉸定位和滑道水平控制、斜拉索索導管定位、梁體線形監(jiān)控和轉體過程控制等方面進行了詳細的論述，解決了斜拉索孔道的定位測量、梁體線形監(jiān)控等測量控制難點，保證了橋梁轉體定位后軸線位置、平面位置和標高等滿足設計及相關規(guī)范要求，為今后類似橋梁施工測量控制起到借鑒作用。