基于自由測站的大跨度連續梁上CPⅡ平面網測量方法研究

夏艷平 劉成龍 何永軍

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063； 2.西南交通大學,四川成都 610031)

1 工程概況

南京大勝關長江大橋是京滬高速鐵路的控制性工程,也是世界首座六線高速鐵路大橋,目前既是世界同類高速鐵路大橋中跨度最大(主跨336 m)的鋼桁梁大橋(主橋連續鋼桁梁長度長達1 272 m),又是世界上設計荷載最大和設計時速最高的(最高時速300 km)高速鐵路大橋。為了進行主橋上軌道的精調施工,需要在兩岸基礎控制網CPⅠ的基礎上,布設主橋上線路控制網CPⅡ和軌道控制網CPⅢ。CPⅡ控制網點間距一般為600 m 左右,除隧道外常采用GPS方法進行建網測量,相鄰網點間的邊長相對中誤差要求小于1/10萬；在隧道內則采用導線網的方法進行洞內CPⅡ控制網的測量,此時要求測距中誤差小于5 mm、方向中誤差小于1.3″和相鄰點的相對點位中誤差小于8 mm。大勝關主橋為鋼桁梁大橋,由于鋼桁梁屏蔽GPS信號的原因,導致橋上的CPⅡ控制網無法采用GPS方法進行測量；又由于主橋為特長鋼結構連續梁,導致橋上的CPⅡ點和CPⅢ點受溫度的影響而使其點位具有多值性；因此，大勝關大橋主橋上的CPⅡ和CPⅢ控制網的測量方法,是一個必須解決和有待研究的問題。

以大勝關大橋主橋CPⅡ控制網建網測量為研究對象,主要介紹大跨連續梁上CPⅡ控制網的測量方法,而大跨連續梁上CPⅢ控制網的測量方法,將另文研究。

2 主橋CPⅡ控制點的點位布設

大勝關大橋主橋為兩聯連續鋼桁梁和六跨連續鋼桁拱橋,其中橋梁主跨長達336 m,連續鋼桁梁長度長達1 272 m。針對如此大跨度的鋼桁梁大橋和主橋兩側為混凝土橋的情況,大勝關大橋主橋應成對布設4對CPⅡ控制點,其中兩對應布設在點位穩定和滿足GPS對空測量條件的主橋兩側混凝土橋橋墩頂面上,另外兩對應布設在主橋橋墩頂面上。因此,主橋CPⅡ控制點按小里程向大里程方向順序,分別布設于小里程側的混凝土橋墩上、主橋3號墩、主橋7號和大里程側混凝土橋橋墩上,如圖1(a)和圖1(b)所示(注：3號至7號墩間控制點間距約為720 m)。考慮到主橋上CPⅡ控制網無法采用GPS方法進行測量,擬采用自由測站邊角交會方法進行主橋CPⅡ控制網的測量,而自由測站邊角交會又要求交會邊不宜太長,故在4對CPⅡ控制點間按照一定間隔加入了4對轉點以控制邊角交會測量的距離。

圖1 主橋CPⅡ控制點和轉點布設示意(單位：m)

為了提高主橋上CPⅡ控制網測量的精度和速度,主橋上CPⅡ點和轉點應布設在防撞墻頂面上,并采用類似于CPⅢ標志的強制對中標志。

3 大跨連續梁橋CPⅡ控制網測量的特殊性

南京大勝關長江大橋主橋采用連續鋼桁拱橋,整體鋼橋面板混凝土道砟橋面,南、北岸引橋以32.7 m簡支混凝土箱梁為主。若采用GPS靜態測量模式在連續鋼桁拱橋橋面上測量CPⅡ控制網,GPS信號將受鋼桁梁桿件的影響導致信號很弱。同時，橋體溫度變化對主橋上CPⅡ點的坐標影響亦較大,常規CPⅡ控制網的測量方法將無法在大勝關主橋上實施。

上述布設在混凝土橋上的兩對CPⅡ控制點,點位相對穩定且滿足GPS對空測量的條件,可根據兩岸的CPⅠ控制點，采用常規GPS方法進行這兩對CPⅡ控制點的加密測量。而主橋上兩對CPⅡ點和4對轉點的坐標測量,若采用傳統的導線網方法,由于需要在CPⅡ點或轉點上整平和對中儀器或反光鏡,勢必影響導線測量速度。前已述及，由于鋼梁受溫度影響顯著,測量速度慢了鋼梁上的點位就會發生變化。因此，為了保證主橋上CPⅡ控制網的精度,不能采用導線網的方法進行測量。

針對大勝關大橋主橋CPⅡ控制網測量的特殊性,并借鑒CPⅢ自由測站邊角交會網測量的成功經驗,認為自由測站不需要對中,目標點由于采用強制對中標志反光鏡也不需要對中和整平,因而具有測量速度快和精度高的優點。同時，因采用具有自動照準功能的智能型全站儀進行測量,照準誤差也大為減小。

4 自由測站邊角交會方法測量CPⅡ控制網的原理

采用自由測站邊角交會方法測量主橋上CPⅡ控制網的原理如圖2所示。圖中的左側和右側混凝土引橋上的兩對CPⅡ點(1003P21、1003P22、1004P23、1004P24),其坐標已采用GPS方法測量得到,可作為圖2中自由測站邊角交會網的坐標起算點。為了獲得主橋上另外兩對CPⅡ點(1003P23、1003P24、1004P21、1004P22)的坐標,設計采用方向測量精度不低于1″和測距精度不低于±(1+2×10-6D)mm的智能型全站儀,用自由測站邊角交會的方法對所有主橋CPⅡ點和轉點進行多測回邊角測量,多測回測量時水平方向和距離的限差應滿足表1和表2的要求。

圖2 自由測站邊角交會法測量CPⅡ控制網網形示意

表1自由測站邊角交會方法測量CPⅡ網水平方向觀測技術要求[2]

控制網名稱儀器等級測回數半測回回歸零差不同測回同一方向2C互差同一方向歸零后方向值較差CPⅡ控制網0.5″26″9″6″1″36″9″6″

表2 自由測站邊角交會方法測量CPⅡ網距離觀測技術要求[2]

圖2中的自由測站邊角交會網外業觀測合格后,可根據引橋上的2對已知CPⅡ點作為起算數據,進行自由測站邊角交會網的約束平差計算[7],以解算主橋上CPⅡ點的坐標并進行精度評定。圖2 中的自由測站邊角交會網平差后的實際精度情況如表3所示。

表3 主橋CPⅡ控制網約束平差后的主要精度指標統計

從表3中統計的精度指標可以看出：按照本文的方法建立的大勝關主橋上CPⅡ控制網,其測距中誤差、方向中誤差和相鄰點相對點位中誤差,均小于前述的隧道內CPⅡ控制網測量的相應限差要求。

為了驗證自由測站邊角交會方法在大跨度鋼桁梁上測量CPⅡ控制網的可重復性測量效果,在不同時間段溫度大致相同的情況下,對該CPⅡ控制網用同樣的方法進行了二次測量,兩次測量的CPⅡ點坐標較差統計如表4所示。

表4 主橋上CPⅡ控制網兩次測量的坐標較差

表4中的兩次CPⅡ控制網測量坐標X、Y方向較差均小于5 mm,達到了文獻[2] 中關于CPⅡ控制網復測對絕對點位差異應小于15 mm的要求。

5 結論

鑒于大勝關大橋主橋大跨度連續鋼桁梁上無法進行GPS測量和點位受溫度變化影響的的特點,提出了采用自由測站邊角交會網的方法進行主橋上CPⅡ控制網的測量。自由測站邊角交會網具有儀器和目標不需要對中、圖形強度高和測量速度快的優勢,因此這樣建立的CPⅡ控制網的精度能夠滿足后續CPⅢ控制網測量和規范的要求。

通過對基于自由測站邊角交會網的大跨度連續鋼桁梁上CPⅡ控制網測量新方法的應用分析和測量實踐,認為這是一種CPⅡ控制網測量的新方法,不僅能夠應用在大跨度連續鋼桁梁上進行CPⅡ控制網測量,而且完全可以在隧道中替代當前通常采用的導線網CPⅡ控制網測量方法,且測量效率、精度與可靠性比導線網更優,值得推廣應用。

[1]崔 巍,成傳義,郭 昇.南京大勝關長江大橋控制測量的“三網合一”[J].橋梁建設,2008(13)：8-11

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[6]王 鵬,劉成龍,楊 希.無碴軌道CPⅢ自由設站邊角交會網平差概略坐標計算方法研究[J].鐵道勘察,2008(3)：26-28

[7]武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].武漢：武漢大學出版社,2003