論高速公路懸索橋基準(zhǔn)索卡環(huán)測量定位控制技術(shù)

摘要 懸索橋施工環(huán)節(jié)主纜線形控制極為關(guān)鍵，決定著橋梁整體的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性具有不容忽視的影響。而基準(zhǔn)索股的定位直接決定主纜線形施工質(zhì)量，因此如何對其實施精準(zhǔn)測定，是現(xiàn)階段懸索橋施工中的難題。文章結(jié)合某橋梁工程實踐，對公路懸索橋基準(zhǔn)索卡環(huán)測量定位控制技術(shù)展開全面探討，分析了傳統(tǒng)測量方式的局限性及基準(zhǔn)索卡環(huán)測量定位控制技術(shù)的優(yōu)勢，歸納出該測量技術(shù)要點及注意事項，為后續(xù)同類工程施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞 橋梁工程;懸索橋;主纜基準(zhǔn)索;卡環(huán);精確定位

中圖分類號 U448.25 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0130-03

引言

懸索橋主纜基準(zhǔn)索安裝前必須進行精準(zhǔn)定位，因此需要在溫度恒定、風(fēng)速為零的夜間對其跨中位置的里程及標(biāo)高實施全程跟蹤測量[1-2]。現(xiàn)提出嚴(yán)格按照基準(zhǔn)索索股具體型號、尺寸定做卡環(huán)，環(huán)抱基準(zhǔn)索股，并將其端部位置加裝棱鏡。通過全站儀對棱鏡標(biāo)高及坐標(biāo)實施測量，測得的數(shù)據(jù)中數(shù)便是索股中心位置處的坐標(biāo)和高程。

1 工程概況

某高速公路橋梁工程設(shè)計全長2 390.18 m，結(jié)構(gòu)形式為（1 480+453.6）m雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋，東、西兩側(cè)主橋副孔依次為3×60 m和（32.58+4×60.5）m等截面懸臂現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋面設(shè)計寬度為33.5 m。在進行主纜基準(zhǔn)索定位時，將通過精細定做的卡環(huán)安裝在索股之上，測量時通過全站儀直接對卡環(huán)端部棱鏡實施測量，直接測出索股中心坐標(biāo)及高程，解決了基準(zhǔn)索股難以組裝棱鏡的技術(shù)難題，有效降低了基準(zhǔn)索定位測量的時間，提高了施工效率。

2 施工技術(shù)特點

2.1 定位效率高

將定做好的卡環(huán)套在索股上，并將兩邊的螺栓緊固到位，然后在卡環(huán)上下部位分別安裝棱鏡，即可實施定位測量。傳統(tǒng)的測量方式是通過人工輔助的方式將對中棱鏡立于索股之上，需對各測定位置的索股線型實施測量。而利用該技術(shù)能夠通過卡環(huán)實現(xiàn)對棱鏡的精準(zhǔn)固定，且可進行隨意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)各個方向的精確測量，提高工作效率，節(jié)省人力、物力[3]。

2.2 定位精度高

常規(guī)的測量方式要全面結(jié)合索股規(guī)格、各測點位置處線型垂度，將測量的索股表面坐標(biāo)、高程轉(zhuǎn)換至索股中心部位，測量精度存在較大的人為誤差。而該施工技術(shù)則避免了人為誤差的產(chǎn)生，卡環(huán)中心點和兩棱鏡位于一條直線上，實際測量時直接讀取兩端棱鏡坐標(biāo)和高程，分別取二者中數(shù)即為索股中心坐標(biāo)和高程，這一測量方式，增大了觀測視角，有效提升測量精度。

2.3 適用范圍

該施工技術(shù)主要應(yīng)用于懸索橋主纜基準(zhǔn)索股三維坐標(biāo)測量，同時可應(yīng)用于高空、空間鋼結(jié)構(gòu)以及管線的三維坐標(biāo)定位。

3 工藝原理

該施工技術(shù)的原理是將定做好的卡環(huán)套在索股上，并在其上下部位分別設(shè)置反射棱鏡，確保兩棱鏡與卡環(huán)中心在一條直線上，利用全站儀對上下棱鏡進行坐標(biāo)測量和高程測量，利用測量得出的兩組坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，取中數(shù)得出索股中心點處的坐標(biāo)和高程[4]。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程（見圖1）

4.2 施工操作要點

4.2.1 建立全橋高精度控制網(wǎng)

平面控制網(wǎng)的加密技術(shù)：

（1）主纜基準(zhǔn)索股各個測點的里程測量，須在兩側(cè)分別設(shè)置至少2個控制點。

（2）測量設(shè)備選擇高精度LeicaTS50全站儀并配備單一棱鏡。

（3）測量等級采用二等邊角控制網(wǎng)，通過一點一方向的測量方式對誤差進行合理分配。通過這些措施，有效保證兩端控制網(wǎng)具有較強的精度，此外還可以通過GNSS靜態(tài)網(wǎng)對其實施校核[5]。

高程控制網(wǎng)的加密技術(shù)：

（1）采用跨河水準(zhǔn)和陸地水準(zhǔn)兩種測量形式，二者測量等級均為二級。

（2）水準(zhǔn)點采用平面控制點，觀測墩面水準(zhǔn)標(biāo)志，在橋梁中軸線部位實施高程測量。

（3）在進行跨河水準(zhǔn)測量時，結(jié)合跨河視線的具體工況，常選用“測距三角高程法”，此種方法能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離的水準(zhǔn)測量，其跨河長度最大能夠達到3 500 m。

（4）測量設(shè)備選擇2臺LeicaTS50全站儀在河流兩岸實施同步觀測。

（5）陸地水準(zhǔn)測量，利用各個水準(zhǔn)點實施同路線閉合測量進行精度控制，主要測量儀器為Trimble Dini03數(shù)字水準(zhǔn)儀。

4.2.2 基準(zhǔn)索股卡環(huán)的加工及安裝

（1）卡環(huán)制作：結(jié)合主纜基準(zhǔn)索測量定位的實際需求，制作同型號卡環(huán)6個（各索股端跨和中跨跨中部位均需安裝卡環(huán)），利用鋁材或不銹鋼材料進行卡環(huán)制作，其內(nèi)徑嚴(yán)格按照索股直徑尺寸確定[6]。卡環(huán)主要由兩個對稱半幅組成，外部組裝連接桿，連接桿末端安裝徠卡圓棱鏡，卡環(huán)制作效果圖如圖2所示。

（2）卡環(huán)安裝：通過全站儀依次測量定位基準(zhǔn)索邊跨及中跨跨中位置的設(shè)計里程坐標(biāo)，確保卡環(huán)和基準(zhǔn)索完全貼合，使卡環(huán)完全處于垂直狀態(tài)，并確保棱鏡和地面控制點相對應(yīng)，進而有效保證同一卡環(huán)可觀測不同測點。

4.2.3 大氣折光測量

對懸索橋主纜基準(zhǔn)索，實施坐標(biāo)定位。因測設(shè)環(huán)境條件限制，現(xiàn)階段應(yīng)用全站儀三角高程測量是最高效、最精確的測量方式。測量過程的空氣折射是影響其測量精度最關(guān)鍵因素，所以科學(xué)有效地對大氣折光參數(shù)k值實施測定，成為保證基準(zhǔn)索股測量精度的決定性因素[7]。

借助現(xiàn)場存在的控制點，規(guī)劃測量路線，對邊跨及中跨跨中位置實施k值精準(zhǔn)測量。具體實施方式為：

（1）分別在河流兩岸控制點位置架設(shè)全站儀，然后結(jié)合控制點高程和實際測量所得的高差對大氣折光進行計算。

（2）將實測的誤差調(diào)整系數(shù)，分別代入基準(zhǔn)索高程測量計算式，科學(xué)運算準(zhǔn)確得到索股高程。

4.2.4 主纜基準(zhǔn)索股定位測量

主纜基準(zhǔn)索實施測量定位，準(zhǔn)確測定出邊跨和中跨跨中位置坐標(biāo)和高程，然后進行卡環(huán)安裝。左、右幅主纜基準(zhǔn)索共布置6個測點，各測點均需規(guī)范安裝，利用地面控制點架設(shè)高精度全站儀，先對各邊跨跨中位置坐標(biāo)和高程實施測量，然后再同時測量中跨跨中位置坐標(biāo)和高程[8]。

（1）監(jiān)測左、右幅索股溫差等工況，達到規(guī)定要求后，利用河流兩岸兩臺全站儀，同時測量河岸邊跨跨中位置卡環(huán)上、下棱鏡坐標(biāo)和高程。

（2）繼續(xù)采用同樣的測量方式，對中跨跨中位置卡環(huán)上、下棱鏡進行定位測量。

（3）分別計算出各自棱鏡位置的坐標(biāo)和高程，取各自中數(shù)即為基準(zhǔn)索股中心位置的高程和坐標(biāo)。

（4）待各基準(zhǔn)索股每一跨跨中位置的高程、左右幅高差全部達到條件后，及時對基準(zhǔn)索實施穩(wěn)定性觀測，觀測時間至少72 h，待各時段的觀測高程全部達到規(guī)范要求后，再進行其他索股的施工。

5 材料與設(shè)備

該施工技術(shù)無需特別說明的材料，采用的主要機械設(shè)備見表1及表2。

6 工程質(zhì)量控制

根據(jù)三角高程測量計算公式可知，測量精度主要受儀器精度、控制點精度、儀器高及覘高量取精度、大氣折光測量精度等因素制約[9]。

（1）儀器的選用：選用高精度自動搜索并照準(zhǔn)的帶ATR馬達功能全站儀，減弱人為瞄準(zhǔn)反射棱鏡誤差，如LeicaTS50，測角精度為0.5 s，測距精度為（0.6 mm+

1 ppm）。

（2）控制點的保障：觀測前進行不低于二等精度的跨河水準(zhǔn)測量，確保兩岸控制點精度一致，為多測站測量中跨位置提供精度保障。

（3）儀器高及覘高量取精度保障：控制點均強制對中觀測墩，設(shè)置墩面水準(zhǔn)點，用解析法量取儀器高度精度，控制在0.2 mm范圍內(nèi)。

（4）大氣折光測量精度：在基準(zhǔn)索測量工作前1 h進行大氣折光實時測量，中跨處采用對向觀測，邊跨采用單向觀測，大氣折光測線與測站、基準(zhǔn)索測點的測線盡量保持相近，使測量的k值具有代表性。

（5）大橋主纜基準(zhǔn)索穩(wěn)定性觀測成果見表3。基準(zhǔn)索的各關(guān)鍵點高程、高差均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟效益

以該大橋項目為例，采用卡環(huán)測量懸索橋主纜基準(zhǔn)索股，只增加6個卡環(huán)的加工費用，但相比傳統(tǒng)方法節(jié)省了人工、對中桿等費用。基準(zhǔn)索股調(diào)整測量用時3天，穩(wěn)定性觀測用時3天，工期控制效果明顯，而傳統(tǒng)方法測量需12天。該方案測量精度可靠性高，經(jīng)濟效益分析明細如下：

（1）節(jié)約人工費：6人×6天/人×120元/天=0.432萬元。

（2）節(jié)約測量對中桿費：6個×2 300元/個=1.38萬元。

（3）節(jié)約工期費：6天×6萬元/天=36萬元。

（4）增加了卡環(huán)加工費用：1 300元/個×6個=0.78萬元。

綜合以上，共取得了0.432+1.38+36?0.78≈37萬元的綜合效益。

7.2 社會效益

該施工技術(shù)解決了懸索橋主纜基準(zhǔn)索定位測量儀器反射裝置無法安裝的難題，以及因索股呈自由狀態(tài)時無法測量至索股幾何中心而帶來的換算誤差的難題，提高了測量精度和觀測效率，豐富和發(fā)展了懸索橋主纜基準(zhǔn)索施工技術(shù)，節(jié)約了基準(zhǔn)索定位測量時間[10]。

隨著科技的進步，國內(nèi)各種超高大型建筑物、鋼結(jié)構(gòu)建筑物越來越多，該施工技術(shù)也可以解決此類建筑物管狀結(jié)構(gòu)的精確定位問題。

7.3 節(jié)能環(huán)保效益

采用該施工技術(shù)施工，對環(huán)境影響小，對施工的地理位置要求低。施測過程沒有大功率、高污染設(shè)備投入，降低了聲、光對環(huán)境的污染，降低能耗效果明顯。

8 結(jié)論

該高速橋梁項目，施工環(huán)節(jié)采用加工卡環(huán)固定反射裝置，完成了對主纜基準(zhǔn)索的精準(zhǔn)定位測量控制。測量時共設(shè)置6個主纜基準(zhǔn)索測點，分別布設(shè)于邊跨中間、中跨中部，依次在各測點固定卡環(huán)棱鏡裝置。基準(zhǔn)索計算主要參數(shù)包括：各跨跨中位置里程、各跨跨中位置高程、索塔實際里程、塔頂實測高程等內(nèi)容。通過采用基準(zhǔn)索卡環(huán)測量定位控制技術(shù)，測量各關(guān)鍵點座標(biāo)、高程、高差等均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

參考文獻

[1]車近平. 探討鋼筋混凝土自錨式懸索橋主纜安裝施工技術(shù)[J]. 四川水泥， 2020（7）： 145+147.

[2]周丹， 王苓力. 自錨式懸索橋主纜錨固區(qū)設(shè)計分析[J]. 北方交通， 2021（11）： 48-50+55.

[3]金強， 祝文斌， 郭登峰， 等. 獨塔非對稱自錨式懸索橋主纜施工的監(jiān)控測量調(diào)整[J]. 安裝， 2020（1）： 27-30+33.

[4]馮叢. 鋼筋混凝土自錨式懸索橋主纜安裝施工技術(shù)探討[J]. 四川建材， 2013（3）： 170-171+173.

[5]盧磊， 汪麗君. 西南山區(qū)多雨霧天氣下的懸索橋主纜施工質(zhì)量控制[J]. 公路， 2018（7）： 166-171.

[6]趙燕. 懸索橋主纜架設(shè)施工中的測量控制——以武漢市鸚鵡洲長江大橋主纜架設(shè)測量控制為例說明[J]. 中小企業(yè)管理與科技， 2014（4）： 89-92.

[7]戚斌， 宋亞宏， 岳順. 基于差分技術(shù)的懸索橋主纜高程測量誤差修正方法[J]. 測繪與空間地理信息， 2017（2）： 190-191+194.

[8]鄧小康， 孫杰. 懸索橋基準(zhǔn)索股調(diào)整計算的改進方法[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2021（12）： 90-95.

[9]王海城， 肖軍， 郭湘， 等. 一種新的自錨式懸索橋基準(zhǔn)索股線形控制方法[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2020（7）： 60-65.

[10]郭湘， 王海城， 肖軍， 等. 基于主纜分段無應(yīng)力索長的自錨式懸索橋基準(zhǔn)索分析方法[J]. 公路， 2019（7）： 131-136.

收稿日期：2022-03-15

作者簡介：田波（1994—），男，本科，助理工程師，研究方向：公路工程施工。