深谷大跨鋼管拱橋拱肋懸臂拼裝線形精確測控技術(shù)研究

姚旸 、傾濤、李鵬、張付軍、頡沛、許卓

（1.中鐵大橋局集團第一工程有限公司，河南 鄭州 450000；2.甘肅長達路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司，甘肅蘭州 730000）

1 工程概況

尖山溝特大橋為主跨220m 上承式鋼管混凝土拱橋，拱軸線采用懸鏈線，主拱圈采用等寬等高空間桁架結(jié)構(gòu)，單個節(jié)段含左右兩榀及風(fēng)撐，全橋共分14 個節(jié)段，采用扣掛法自拱腳向跨中對稱懸臂拼裝，跨中合龍見圖1，拱肋施工流程見圖2。

圖1 拱肋施工布置圖（單位：標(biāo)高m，尺寸mm）

圖2 拱肋施工流程

2 拱肋拼裝控制網(wǎng)及坐標(biāo)系統(tǒng)

該橋拱肋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求定位精度高，測量難度大。控制網(wǎng)坐標(biāo)為施工獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，中央子午線為105°，投影面高程為870m，高程系統(tǒng)為1985 國家高程基準(zhǔn)。

為保證鋼管拱安裝的精度，以首級控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，在橋位兩側(cè)加密布設(shè)主橋?qū)Ｓ每刂凭W(wǎng)，供施工放樣和監(jiān)測使用，如圖3 控制點點位與橋梁位置關(guān)系所示：GPS018 為設(shè)計院交樁控制點，Y6、JM1、JM2-1、DX204-1 組成大地四邊形為鋼管拱拼裝線形控制專用控制網(wǎng)，為減小鋼管拱的拼裝誤差，在拼裝過程中固定施工控制點，右幅固定使用JM1、JM2-1、YD6 三個控制點，左幅固定使用DX204-1、JM2-1、YD6 三個控制點；為提高測量精度，以上控制點均設(shè)置為強制墩（見圖3）。

圖3 控制點與橋梁位置關(guān)系圖

根據(jù)規(guī)范要求，路線平面控制測量網(wǎng)應(yīng)使測區(qū)內(nèi)投影長度變形值不大于2.5cm/km；大型構(gòu)造物平面控制測量坐標(biāo)系，其投影長度變形值不應(yīng)大于10mm/km。針對鋼管拱專用控制網(wǎng)的投影長度變形情況，選取GPS018～JM1 邊進行檢測，檢測邊測量采用徠卡TCRA1201+（1″）全站儀進行往返觀測，成果取中數(shù)采用。測距前應(yīng)在全站儀里修改溫度氣壓等氣象參數(shù)。檢核邊往返測較差見表1、表2。

表1 電磁波測距邊往返差

表2 電磁波測距邊與坐標(biāo)反算距離較差

比較結(jié)果表明投影長度變形值為6.8mm/km，小于10mm/km，測區(qū)內(nèi)投影長度變形值滿足規(guī)范要求。

3 拱肋線形控制

鋼管拱懸拼施工的首要控制目標(biāo)就是使裸拱線形達到理想成拱軸線，即裸拱一次成拱時的計算軸線。

制造拱軸線=設(shè)計坐標(biāo)+設(shè)計預(yù)拱度

理想成拱軸線=制造拱軸線+空鋼管一次成拱撓度

所以該階段的拱肋線形調(diào)整必須按照監(jiān)控指令為準(zhǔn)。

3.1 鋼管拱拱肋坐標(biāo)復(fù)核

該橋主橋處于直線段，拱肋坐標(biāo)設(shè)置在上、下弦管中心，坐標(biāo)原點在鋼管拱理論狀態(tài)下的跨中拱肋中心處，里程增加方向為正方向；Y 軸垂直于X 軸，正方向向下。拱肋坐標(biāo)計算如下：

懸鏈線方程：

式（1）中：f為拱軸線高度，由拱頂?shù)狡鸸包c豎直高度為44m；

m拱軸系數(shù)為1.28；

拱軸線長度l=100m，為拱頂?shù)狡鸸包c的水平距離。

拱軸線坐標(biāo)復(fù)核驗算無誤后，根據(jù)設(shè)計圖所給的懸鏈線坐標(biāo)及預(yù)拱度相加，與放樣坐標(biāo)表相比較，驗證線形是否相吻合，并同樣按1∶1 的比例繪制出施工線形圖，作為后續(xù)的拼裝放樣斷面圖。

3.2 拱肋節(jié)段預(yù)拼線形測量

為了校正鋼管拱肋加工誤差和運輸?shù)淖冃危：斯袄邫M聯(lián)位置，在工地現(xiàn)場進行平拼。按照設(shè)計加工圖制做1∶1 胎模大樣，將鋼管拱肋節(jié)段依次試拼。在預(yù)拼之前，要先用全站儀檢驗預(yù)拼段鋼管拱肋的胎模大樣是否與設(shè)計吻合。在預(yù)拼之后，對胎體上的鋼管拱節(jié)段進行逐段檢測其各個部位平面位置和標(biāo)高，以保證符合設(shè)計圖。通過試拼工藝檢驗試拼拱肋是否與設(shè)計吻合，確保拱軸線形符合設(shè)計要求。試拼工序是保證鋼管混凝土拱肋整體吊裝成功的關(guān)鍵[1]。

全站儀檢驗預(yù)拼段鋼管拱肋的胎模大樣時，利用AB 兩點建立參考線，根據(jù)圖紙所標(biāo)注尺寸對鋼管拱肋的胎模大樣的各個結(jié)點位置進行檢測，檢測合格后根據(jù)各結(jié)點彈出鋼管拱肋的胎模線。鋼管拱肋預(yù)拼完成后，通過吊線墜對比胎模線進行對鋼管拱肋預(yù)拼成果進行檢驗（見圖4）。

圖4 主拱分段匹配定位地樣線圖

3.3 拱肋拼裝線形測量方法

為了方便快捷地指導(dǎo)現(xiàn)場拱肋線形精調(diào)工作，拱肋線形測量參考隧道斷面測量工作思路，依據(jù)鋼管拱制作線形（包括設(shè)計預(yù)拱度）制作一個標(biāo)準(zhǔn)斷面，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)斷面對比得出需要精調(diào)的數(shù)據(jù)。具體操作如下：

（1）繪制鋼管拱拱肋線形標(biāo)準(zhǔn)斷面圖：依據(jù)復(fù)核后的各節(jié)段拱肋坐標(biāo)與設(shè)計預(yù)拱度繪制拱肋線形標(biāo)準(zhǔn)斷面圖。

（2）建立測量線路：在手機測量APP 中建立鋼管拱測量線路，包括平曲線參數(shù)、豎曲線參數(shù)；線路建立完成后，拱肋的設(shè)計軸線轉(zhuǎn)換成獨立線路里面的里程。上下游拱肋弦管根據(jù)軸線偏距對應(yīng)的里程分別為K0+001、K0+003、K0+006、K0+011。

（3）編輯標(biāo)準(zhǔn)斷面：將拱肋線形標(biāo)準(zhǔn)斷面參數(shù)輸入手機測量APP 中，輸入后如圖5 所示。

圖5 編輯完后的拱肋線形標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

（4）利用手機測量APP 對鋼管拱拱肋線形進行測量。根據(jù)監(jiān)控單位出具的監(jiān)控指令（考慮了拼裝預(yù)抬值），使用鋼管拱測量線路中的里程和“超欠挖值”對鋼管拱的偏位和標(biāo)高進行調(diào)整；如圖6 所示，其中“超欠挖值”對應(yīng)的為拱肋標(biāo)高差值，里程為拱軸線位置。

圖6 手機APP 輔助測量圖

3.4 拱肋線形測量的棱鏡裝置

為提高測量精度，研發(fā)了一種應(yīng)用于鋼管拱橋拱肋測量的棱鏡裝置-兩點歸心棱鏡裝置（見圖7）。線形調(diào)整時，該棱鏡裝置可依靠自身結(jié)構(gòu)箍在拱肋懸臂端上，并通過測量兩個對稱的徠卡圓棱鏡坐標(biāo)取中值得到鋼管拱拱肋中心三維坐標(biāo)，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

圖7 兩點歸心棱鏡裝置的安裝圖

3.5 鋼管拱拱肋合龍測量

拱肋合龍成功與否是整個施工過程中的關(guān)鍵控制點，合龍狀態(tài)誤差的大小，將直接影響成拱后拱肋的內(nèi)力狀態(tài)。因此，該橋拱肋合龍控制，是整個施工控制的重點。

拱肋合龍溫度應(yīng)接近設(shè)計合龍溫度（15℃）。合龍之前，全面檢查全橋拱肋的標(biāo)高、軸線，根據(jù)合龍口的長度對合龍段進行配切，最終完成拱肋的合龍。

在合龍段兩側(cè)對稱位置的拱肋弦管中線處安裝徠卡圓棱鏡，拱肋標(biāo)高的測量控制用徠卡TCRA1201+全站儀進行三角高程方法進行測量。為減小氣象改正誤差、儀器誤差的影響，采用差分三角高程測量，使用大小里程的JM2-1、YD6 作為高程基準(zhǔn)點。為確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，每次觀測固定觀測人員、固定測量儀器、固定測站安置位置。

首先在JM2-1 附近架設(shè)儀器，測出JM2-1 與YD6之間距離L、JM2-1 分別與拱肋合龍段大小里程的高差Δh小、Δh大，距 離L小、L大，JM2-1 與YD6 之 間 高 差ΔH實測，已知JM2-1 與YD6 之間的理論高差ΔH理論，由式（2）得出：

由式（3）得出Δh均

由式（4）得出Δh改

由式（5）得出Δh實

按照以上計算順序得出合龍段量測與JM2-1 之間的實際高差，再根據(jù)JM2-1 的高程加實際高差計算出合龍段兩側(cè)的標(biāo)高。高差差分光電測距三角高程傳遞應(yīng)進行兩組獨立觀測，兩組高差較差不應(yīng)大于2.0mm，滿足限差要求后，取兩組高差平均值作為傳遞高差。

為避免外界環(huán)境對合龍口的影響，凌晨完成右幅鋼管拱的合龍，主拱合龍前對主拱合龍口標(biāo)高和軸線偏位進行調(diào)整和測量，合龍完成后對合龍段的線形復(fù)測，合龍標(biāo)高誤差分別為-5mm、-1mm、-3mm、-6mm，軸線偏差為-6mm、-2mm、-5mm、-3mm，標(biāo)高及軸線合龍偏差均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3.6 鋼管拱合龍松索后線形測量

在拱肋各節(jié)段包板、合龍口、K 撐焊接完成，并在所有焊縫檢驗合格后，進行拱肋各節(jié)段的扣、錨索松索拆除施工；按照第7 節(jié)至第1 節(jié)的順序大小里程、扣錨索對稱松索；在松索過程中對扣塔偏移、鋼管拱線形進行監(jiān)測。在各節(jié)段扣錨索拆除完成后，對拱肋各節(jié)段的線形進行測量。在松索完成后，第1 節(jié)至第3節(jié)標(biāo)高明顯下降，第5 節(jié)至第7 節(jié)標(biāo)高明顯上升，最大上升值為15mm，各節(jié)段的松索后線形（縱向）變化與計算數(shù)據(jù)相吻合[2]。

4 結(jié)論

尖山溝特大橋在橋高（距離地面200m）、兩岸地形陡峭、施工場地狹小的深谷環(huán)境下，采取明確合理的測控程序及測量技術(shù)手段，確保鋼管拱拱肋線形滿足設(shè)計要求。

其一，通過對拱腳預(yù)埋節(jié)段的精確定位，保證拱肋首節(jié)段和預(yù)埋段順利對接，使安裝的拱肋符合設(shè)計線形。

其二，拱肋起吊前，先行復(fù)核上一段拱肋軸線、標(biāo)高及扣塔偏移量。拱肋內(nèi)法蘭初步連接、扣索受力后，將拱肋軸線及高程偏差分階段提供給吊裝總指揮。在逐步調(diào)整索力期間，實時報告拱肋軸線、高程偏差值及扣塔偏移量，供吊裝作業(yè)組及時對扣索、錨索進行張拉，對鋼管拱拱肋線形進行精調(diào)。拱肋線形精調(diào)到位后，由監(jiān)理、監(jiān)控單位確認(rèn)無誤后，錨固扣索、錨索，完成安裝施工。

其三，考慮外界環(huán)境對測量精度的影響，拱肋的線形精調(diào)作業(yè)選擇在夜間或陰天時進行，減小測量誤差的影響，但在吊裝過程中由于施工荷載的增加、焊接變形及風(fēng)力的影響，均有可能使拱肋節(jié)段空間位置產(chǎn)生變化，采用標(biāo)準(zhǔn)斷面法對鋼管拱進行線形控制，可實時得出拱肋線形狀況。該方法結(jié)合手機測量APP 實現(xiàn)測量結(jié)果圖像化顯示，更直觀、更高效、更準(zhǔn)確地指導(dǎo)現(xiàn)場拱肋精調(diào)。

其四，研發(fā)兩點歸心棱鏡裝置。該棱鏡裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，避免了人工扶棱鏡產(chǎn)生的誤差，提高鋼管拱線形控制的精度，降低了高空、夜間作業(yè)安全風(fēng)險。此裝置已得到國家專利局實用新型專利授權(quán)。

其五，優(yōu)化建立鋼管拱拼裝獨立控制網(wǎng)系統(tǒng)，對控制網(wǎng)投影變形進行分析，削弱系統(tǒng)誤差對鋼管拱線形控制測量的影響。