超大跨公鐵兩用鋼桁梁懸索橋CPⅢ測量技術研究

朱克成

（中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 引言

隨著世界經濟建設的發展，近年來，世界各國均修建了主孔跨度接近或超過千米的公鐵兩用橋梁。大跨度橋梁具有工程規模巨大、體系復雜、結構輕柔、位移量及結構內力較大、安全性十分重要等顯著特點。本文研究的五峰山長江大橋全長6.4 km，主橋全長1 428 m，為（84＋84＋1 092＋84＋84）m 鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，是我國首座公鐵兩用懸索橋，也是目前世界上荷載最重、行車速度最快的公鐵兩用懸索橋。在溫度、風及列車等荷載作用下，橋梁會產生較大的變形，從而引起橋上軌道結構發生變形，形成較大的軌道幾何不平順。如何通過保證CPⅢ測量成果精度以進行軌道精調，從而確保大橋的施工、運營安全及優異的服役使用性能尤為重要。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

新建連云港至鎮江鐵路（簡稱連鎮鐵路）全線施工難度最大橋梁為五峰山長江大橋，全長6.4 km，主橋長1 428 m，采用（84＋84＋1 092＋84＋84）鋼桁梁懸索橋橫跨長江航道，公鐵合建段長2.817 km，為上下兩層，上層公路為雙向八車道高速公路，設計速度100 km/h；下層鐵路為左側連鎮雙線客運專線＋右側預留雙線客運專線，設計速度250 km/h。如圖1所示。

圖1 五峰山長江特大橋

2.2 CPⅢ測量重難點分析

五峰山長江大橋荷載工況包括溫度荷載、風荷載、公路荷載、鐵路列車荷載和荷載組合［1－3］。主橋為鋼桁梁懸索橋，（84＋84＋1 092＋84＋84）m 橋跨較長，橋面較寬，在溫度等環境因素作用下會導致軌道結構產生較大的變形，其CPⅢ測量存在以下難題：

（1）大跨度鋼桁梁結構變形較大導致CPⅢ測量的技術指標難以滿足規范限差要求。

（2）鋼桁梁懸索橋結構因溫度等環境因素的變化產生較大形變導致CPⅢ點的位置不穩定［4－5］。

（3）軌道精調的精度要求難以達到規范標準要求。

3 CPⅢ測量技術

大跨度的鋼桁梁大橋橋上CPⅢ控制點的位置受溫度、日照等外界環境因素的影響是非常顯著的，即在不同的溫度、日照等外界環境因素下，橋上CPⅢ控制點的三維坐標是不斷變化的，使橋上高速鐵路軌道的精調施工無法進行。為了解決這一問題，需CPⅢ點位位置以及溫度等環境因素的變化進行持續觀測，而外界環境的變化在一段時間內呈現周期性，例如相鄰幾天會出現相同的氣溫等；同時顧及到外界環境可以通過一定的環境參數表達且可以較方便地獲取到，基于環境參數的周期性，利用環境變化數據分析CPⅢ控制網測設技術的可實施性。

3.1 CPⅢ點位布設

本段CPⅢ共布設72對CPⅢ點，其中北引橋布設24對CPⅢ點，主橋布設26對CPⅢ點，南引橋布設22對CPⅢ點。為保證CPⅢ點在豎向變形最小，主橋CPⅢ埋設斷面布設在吊索正下方的鋼質擋砟墻頂面，因主橋上相鄰吊索距離14 m，為滿足規范要求，每間隔4對吊索（即56 m）埋設一對CPⅢ點，中跨共計79對吊索，布設20對CPⅢ點，主橋邊跨各布設3對CPⅢ點，主橋總計布設26對CPⅢ點。如圖2所示。

圖2 五峰山長江大橋CPⅢ布置

3.2 儀器設備選型

考慮到CPⅢ控制網測量的精度，以及設備的穩定性，采用TM50測量機器人（見圖3），技術參數如下：0.5″的角度精度；0.6 mm＋ 1 ppm 的距離精度；自動瞄準（ATR）和射程3 km，具有高分辨率、自動全景圖像捕捉等功能。

圖3 TM50測量機器人

橋位處氣溫，采用溫濕度計選用美國YOUNG公司的41382VC型溫濕度計（見圖4）。

圖4 41382VC型溫度計

3.3 CPⅢ測量方法

3.3.1 測量方案

五峰山長江大橋總共6 407 m，建網一次性拉通測量不分段。CPⅢ平面、高程測量必須在鋼桁梁變形穩定時段且風力較小（應小于4級）的時候進行測量，短時間無明顯溫度差異。

CPⅢ網建網平面和高程均應獨立測量兩次，兩次測量成果較差小于3 mm時，取其均值作為建網最終成果。若兩次測量成果較差僅個別大于3 mm時，僅需對較差偏大的點及兩端各4對點，采用同精度內插的方式進行加密觀測；若兩次測量成果較差普遍大于3 mm時，需要重新進行獨立測量。

為了更好了解連續鋼桁梁受溫度影響的變化情況，對鋼桁梁做一次24 h靜態觀測，以便掌握鋼桁梁1 d時間里變形穩定的具體時間［6－8］。不同季節低變形時間也不相同，夏天鋼桁梁變形穩定是在晚上23點以后至次日太陽升起之前。

為解決CPⅢ網技術指標難以滿足規范限差要求的問題，現場采用快速測量方法，平面及高程測量選擇在夜間溫度相對穩定的時間段以極快的速度完成；同時在軌道精調整理時，選擇與CPⅢ網測量近似的時間、相近的溫度快速精調完成，同時進行監測。

3.3.2 變形觀測

對CPⅢ點的三維坐標進行24 h的靜態觀測，設站方式和架站位置見圖5。在通視條件良好的情況下，盡可能多地觀測邊跨以及主跨范圍內的測點。白天溫度變化較快時，每30 min觀測一次；太陽下山以后1 h觀測一次。觀測時需要記錄時間、環境溫度、鋼桁梁溫度、X坐標、Y坐標、Z坐標，其中X坐標主要是了解鋼桁梁受溫度影響縱向伸縮變形情況。

圖5 CPⅢ點觀測示意

根據對外界環境因素的綜合分析，本文確定了溫度、梁體形變作為影響橋上CPⅢ控制點位置變化的主要環境參數。為了揭示橋上CPⅢ點位置與參數的關系，可對橋上CPⅢ點的三維坐標進行平均氣溫每變化1℃觀測一次，連續觀測6個月的時間進行監測實驗，具體時長以數據的有效性為準。在監測實驗的同時記錄相關環境參數值，為后續的數據處理和分析做準備。

3.3.3 觀測周期及頻次

以48 h為一個周期，每月選擇在不同的溫度范圍內進行觀測，在CPⅢ點安裝后開始初始值觀測，初始值觀測不少于3次，并取其穩定值作為初始數據。各監測項目的監測周期及頻次，見表1。

表1 監測周期及頻次

3.3.4 實測數據分析

根據表2觀測數據可知，溫度變化小時高程變化較小，CPⅢ網測量選擇在凌晨1：00—4：00，氣溫變化趨于穩定，風力、水汽、霧等其他環境因素影響較小。

表2 梁體豎向變形及溫度變化（部分）

4 CPⅢ平差成果分析

4.1 平面控制網平差

CPⅢ控制網采用加密CPⅡ點作為基準，本段加密CPⅡ點采用了GPS加密和自由測站邊角交會兩種方式，數據處理采用工程測量平差數據處理軟件進行，并對觀測數據進行了各項指標差檢核，經檢核所有測站數據都滿足限差要求。平差處理并統計各項指標差見表3、表4；CPⅢ平面控制網約束后點間相對精度見圖6。

表3 CPⅢ平面自由網平差精度統計

表4 CPⅡ約束平差精度統計

圖6 CPⅢ平面控制網約束后點間相對精度

通過表3、表4可知本段CPⅢ軌道控制網自由網平差距離和方向改正數均滿足規范要求，通過圖6可知CPⅢ網平面測量中CPⅡ約束平差各項精度指標滿足規范要求［9－12］。除此之外本段CPⅢ平面網大、小里程端各連續6對CPⅢ重疊點中獨立平差坐標成果較差≤3.0 mm，滿足規范要求，進行下一步搭接處理，采用了與搭接區段重疊的大、小里程各4個CPⅢ點作為起算點，其搭接約束平差的各項精度指標均滿足相關規范要求，CPⅢ平面網重疊點搭接平差成果較差最大值1.9 mm。

4.2 高程控制網平差

本段CPⅢ水準測量采用工程測量平差數據處理軟件進行前后視距差、前后視距累計差、視線高度的檢核，經檢查原始觀測數據滿足精密水準規范要求，進行平差處理并統計各項指標差，見表5～表7。

表5 CPⅢ高程測量精度統計 mm

表6 相鄰CPⅢ點的水準環最大閉合差 mm

表7 約束平差附和路線閉合差統計（部分）

由圖7可知高程控制網中相鄰CPⅢ點高差中誤差最大為0.39 mm。

圖7 CPⅢ高程控制網平差高差中誤差

本段CPⅢ高程網大、小里程端各連續9對CPⅢ重疊點中獨立平差高程成果較差≤3.0 mm，滿足規范要求，進行下一步搭接處理，采用了與搭接區段重疊的大、小里程各兩個CPⅢ點作為起算點，其搭接約束平差的各項精度指標均滿足相關規范要求。

5 結束語

連鎮鐵路已開通運營，通過CPⅢ測量和軌道精調整理的順利實施可得出以下結論：

（1）CPⅢ控制網測設中，應選擇在夜間溫度相對穩定的時間段內快速完成，避免溫度變化大對測量成果產生影響；并選擇無風天氣進行測設，減小風荷載的影響。

（2）CPⅢ測量成果應及時用于軌道精調整理及后續工程施工，使用成果的時間、溫度、風力、環境等必須與CPⅢ測量時一致，加強對CPⅢ控制點的保護工作，施工前必須自檢，確保點位無因溫度、施工過程及其他原因的破壞引起的點位變動；施工過程中被破壞的點位應及時按同精度擴展方式進行恢復測量。

（3）五峰山長江大橋作為目前世界上荷載最重、行車速度最快的公鐵兩用懸索橋已經順利運營，平順性良好，采用CPⅢ控制網測量新技術保證了軌道精調施工的順利進行。過程中需要繼續加強監測檢測，制定科學合理的養護方案，在今后的類似工程中推廣應用。