大型橋梁工程施工關(guān)鍵點測量和檢測方法

向鑫

(上海市測繪院，上海 200063)

1 引言

目前，隨著國家綜合經(jīng)濟(jì)實力不斷提高，各城市的基礎(chǔ)建設(shè)也在不斷地加快，一些前所未有的大型工程項目紛紛投入建設(shè)之中。在橋梁建設(shè)方面，各種特大型橋梁飛跨南北，成為國家交通網(wǎng)絡(luò)中的重要樞紐，例如已建成的東海大橋、杭州灣跨海大橋、上海長江大橋等等，其建設(shè)工藝已處于世界領(lǐng)先水平，標(biāo)志著我國橋梁建設(shè)已經(jīng)邁入了一個全新的歷史階段。

2 大型橋梁工程的特點

大型橋梁建設(shè)過程是一個系統(tǒng)工程，往往需要多學(xué)科融合、多工種協(xié)作才能完成，這些工程一般具有以下特點:

(1)涉及的范圍相對較大。例如東海大橋全線長達(dá)31 km，杭州灣跨海大橋全長36 km(海上部分為31.5 km)，上海長江隧橋工程全長 25.5 km，連接長興、崇明二島，其中大橋部分長約16.5 km;

(2)采用全新技術(shù)，對施工精度要求較高。例如在上海長江大橋非通航孔橋中采用等截面的105 m長鋼砼疊合梁，屬國內(nèi)首創(chuàng)，非通航孔橋采用60 m節(jié)段梁，在上海市也屬全新課題;

(3)存在以往從未遇到的技術(shù)難題，常規(guī)測量方式無法施行。例如長距離跨海高程傳遞、上海長江大橋730 m超長跨距橋面合龍等;

(4)施工測量受多種因素制約。由于是江海上作業(yè)，測區(qū)環(huán)境及地理條件復(fù)雜給測量工作造成影響，如工程進(jìn)度、控制點的使用、通視情況、天氣影響、觀測時機(jī)等。

測量工作是大型橋梁建設(shè)中一個重要的組成部分，對于這些大型工程項目而言，如何系統(tǒng)地完成其整個工程施工階段的測量設(shè)計和檢測，確保施工測量、數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制等各個環(huán)節(jié)都在建設(shè)要求的精度范圍內(nèi)，是關(guān)系到整個工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，將對整個橋梁工程有著深遠(yuǎn)的影響。

3 大型橋梁工程關(guān)鍵點施工測量及檢測

大型橋梁工程從基礎(chǔ)到上部結(jié)構(gòu)需經(jīng)過多道不同工序，而全橋工程重要施工關(guān)鍵點主要包括墩身、墩頂塊、混凝土箱梁、鋼混疊合梁、主塔等重要部件的定位、安裝以及主跨合龍等等，筆者結(jié)合上海長江大橋測量工程的實踐，對大型橋梁施工測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并簡要介紹其測量和檢測方法。

3.1 墩身施工測量和檢測方法

經(jīng)過打樁船打樁定位及沉箱灌漿澆注承臺等環(huán)節(jié)后，大橋工程將進(jìn)入承臺上部結(jié)構(gòu)建設(shè)階段，較下部結(jié)構(gòu)定位多采用GPS－RTK等測量方法而言，無論是在測量和檢測的方法上，還是在測量工作要求的精度上，對后階段測量工作的要求要相對高得多。因此，在承臺竣工后，應(yīng)準(zhǔn)確測定其中心的實際坐標(biāo)及其間的實際距離，丈量承臺各部分的尺寸，繪制竣工平面圖。同時，在優(yōu)先施工墩上及時布設(shè)加密平高控制點，采用GPS和測距三角高程完成加密工作，為架設(shè)上部結(jié)構(gòu)提供高精度基準(zhǔn)。

根據(jù)設(shè)計方案，上海長江大橋淺水區(qū)預(yù)制橋墩采用空心截面，對低墩區(qū)橋墩整體吊裝，對高墩區(qū)橋墩分節(jié)吊裝，接縫現(xiàn)澆。深水區(qū)橋墩采用預(yù)制拼裝工藝，分1段～4段預(yù)制墩身、現(xiàn)場拼裝，其中4節(jié)墩身高達(dá)40.6 m。

在墩身施工放樣過程中，主要采用極坐標(biāo)法、前方交會法、距離交會法、直接量距等常規(guī)的測量方法，放樣時為避免海中承臺晃動影響，應(yīng)盡量選擇平潮等適宜時機(jī)，并控制好適當(dāng)?shù)那昂缶啵瑴y量標(biāo)記應(yīng)明顯且能保存較長時間，為日后的檢測工作奠定基礎(chǔ)。

上海長江大橋高度較大的墩身采用分節(jié)現(xiàn)拼，對墩身的位置和垂直度要求較高，其測量控制關(guān)鍵在于首節(jié)墩身的安裝準(zhǔn)確性。因此，安裝前要嚴(yán)格檢測頂口和底口的位置是否正確，對支座底板進(jìn)行高精度放樣。在墩身拼接過程中，為滿足規(guī)范對安裝精度的要求，墩身平面位置及垂直度使用至少2臺全站儀同時觀測，不間斷地檢測垂直度和頂口水平度。同時隨著荷載增加，也要及時檢測圍囹、沉箱的穩(wěn)定性，測定其在平面上的偏移值、下沉值以及傾斜值，從縱橫軸線測量值分析是否符合精度要求。墩身竣工后，應(yīng)對它進(jìn)行竣工測量，編繪平面圖、縱橫斷面圖等。

高程控制方面，因為各標(biāo)段建設(shè)先后會有所不同，為了不影響施工進(jìn)度，可用測距三角高程法配合GPS擬合高程法進(jìn)行連續(xù)多跨的跨海高程傳遞測量。經(jīng)筆者參與測量實踐證明，該方法可提供相當(dāng)于三等水準(zhǔn)精度的海中高程控制成果以滿足墩身施工的緊急需要。實際運用時，可用不量儀器高和覘牌高的三角高程傳遞方法［1］將高程從承臺下部傳至箱梁上部，做好能長久保存的標(biāo)志，并與相鄰點組成閉合環(huán)，然后再結(jié)合三等水準(zhǔn)測量要求檢驗該傳遞的準(zhǔn)確性。

3.2 墩頂塊定位及混凝土箱梁施工測量和檢測方法

墩身竣工后，即將進(jìn)入架梁施工階段。上海長江大橋路上段引橋采用移動模架施工的30 m現(xiàn)澆箱梁，淺灘區(qū)采用 60 m節(jié)段懸臂梁，淺水區(qū)非通航孔為50 m、70 m預(yù)制混凝土箱梁，主航道橋兩側(cè)高墩區(qū)各有700 m橋梁采用主跨105 m的大跨度鋼混疊合箱梁。

對于節(jié)段懸臂梁，箱梁墩頂塊(如圖1)是其他各箱梁軸線和高程控制的主要依據(jù)。因此，必須利用附近承臺的加密控制點，采用高精度全站儀精確放樣出箱梁墩頂塊的縱橫軸線和中心點。在放樣過程中，是通過準(zhǔn)確測定提前布設(shè)在墩頂塊上的6個控制點三維坐標(biāo)來實現(xiàn)的(如圖2)，其中2、5為縱軸檢測點，1、3、4、6為橫軸及高程檢測點，高程檢測可采用中點三角高程法進(jìn)行。經(jīng)檢測各控制點間的誤差在允許范圍內(nèi)后，需對各點坐標(biāo)進(jìn)行歸化改算。

對于其他懸臂梁，在每一節(jié)段懸臂端梁頂設(shè)立2個標(biāo)高觀測點和2個軸線點(可重疊)，測點用短鋼筋預(yù)埋。標(biāo)高可用水準(zhǔn)儀直接進(jìn)行測量，軸線使用全站儀和鋼尺等進(jìn)行測量，采用測小角法或視準(zhǔn)法直接測量其前端軸線偏移值。要在完成一跨所有節(jié)段拼裝和張拉、整聯(lián)張拉、解除臨時支座前后等各施工階段采集監(jiān)測點數(shù)據(jù)，獨立測量，相互校核。

圖1 節(jié)段懸臂梁墩頂塊

圖2 墩頂塊及箱梁定位檢測點分布圖

對于預(yù)制混凝土箱梁尤其是大跨度鋼混疊合箱梁，其剛性較強(qiáng)、不易調(diào)整、定位要求非常高，可利用大橋加密控制網(wǎng)點，使用后方交會法，用全站儀測出墩頂測點的三維坐標(biāo)，將墩頂標(biāo)高值作為主粱高程的水準(zhǔn)基點。每一墩頂布置一個高程基準(zhǔn)點和一個軸線基準(zhǔn)點，做好明顯標(biāo)識，定期對所有基準(zhǔn)點尤其是相鄰基準(zhǔn)點進(jìn)行聯(lián)測。

值得一提的是，由于大橋各標(biāo)段的施工及進(jìn)度不一定同步，會給標(biāo)段銜接處的測量和檢測工作帶來影響，在實際工作中應(yīng)做好溝通協(xié)調(diào)工作，并積極做好預(yù)案。

3.3 主塔施工測量和檢測方法

主塔施工測量的重點是保證塔柱、橫梁、鋼錨箱等各部分結(jié)構(gòu)的傾斜度、垂直度、內(nèi)部預(yù)埋件的定位及鋼混結(jié)合段的銜接等。上海長江大橋的主塔為212 m高的“人”字形橋塔，為國內(nèi)首例“無橫梁弧形塔柱塔”，其索塔混凝土部分采用液壓爬模施工，如圖3所示，由48個節(jié)段澆筑而成，是橋梁主體工程中的關(guān)鍵部位。

由于在施工技術(shù)和工藝上均無先例可循，所以，施工難度大，技術(shù)含量高，每一節(jié)段的模板都要經(jīng)過精心的設(shè)計和匹配。對此，除控制網(wǎng)點的位置根據(jù)塔柱的高度合理選擇，保證塔柱放樣能達(dá)到要求的精度外，我們還針對其特點制定了測量方案。

圖3 主塔液壓爬模施工

(1)內(nèi)外控結(jié)合測量法

主塔施工測量通常有內(nèi)控法和外控法兩種。當(dāng)施工場地窄小，周邊又無施工承臺或好的觀測點時，通常采用內(nèi)控法，即在塔柱內(nèi)部或距離塔柱很近的控制點架設(shè)全站儀施測;當(dāng)施工現(xiàn)場較寬闊時，一般采用外控法，即在塔柱附近架設(shè)全站儀利用三維坐標(biāo)法施測。在建設(shè)的不同階段，也可將兩種方法結(jié)合使用，起到互相檢校的作用。

(2)模板定位測量及檢核

主塔在架設(shè)過程中對塔柱絕對位置進(jìn)行調(diào)整是比較困難的，所以基座及每節(jié)段模板的制作和定位至關(guān)重要。具體測量內(nèi)容及方法是:

①塔段中心水平位移測量及檢核

承臺沿上下游方向的水平位移，可利用視準(zhǔn)線法和激光準(zhǔn)直法測定，也可通過在塔段頂面設(shè)置全站儀直接測量S1、S2距離，檢核塔段中心軸線與大橋軸線的偏離值，如圖4所示。承臺順橋中線方向的位移觀測，應(yīng)用特制的鋼線尺或精密光電測距儀測定。

圖4 塔段中心水平位移測量及檢核示意圖

②塔段岸側(cè)壁板和頂面縱橫軸線測量及檢核

在過渡墩頂建立一控制點，用全站儀按極坐標(biāo)法對岸側(cè)壁板上的4個平面控制標(biāo)示點進(jìn)行測量，如圖5所示。

圖5 塔段岸側(cè)壁板檢測示意圖

③塔段頂面南北向和上下游向的傾角和上下游塔段之間的高差測量直接在塔段頂部設(shè)置精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行，如圖6所示。

圖6 塔段頂面高差測量示意圖

3.4 鋼箱梁安裝測量和檢測方法

上海長江大橋主跨采用鋼箱梁懸臂拼接，共有尺寸為長15 m、寬51.5 m的鋼箱梁101塊，安裝順序為主墩零號塊支架安裝——邊輔墩支架安裝——標(biāo)準(zhǔn)梁段懸臂段安裝。由于鋼箱梁節(jié)段數(shù)量多，誤差十分容易累計，給測量工作帶來挑戰(zhàn)。

由于跨度大、荷載重，所以對主墩零號塊支架安裝測量要求很高。平面控制方面，我們在兩個主塔同側(cè)高于橋面約4 m處的塔身上各架設(shè)一個觀測盤，保證相互通視，然后在旁邊的輔助墩上架設(shè)全站儀，通過主塔橋墩上的加密控制點進(jìn)行觀測，形成一個由4點組成的立體閉合導(dǎo)線。采用全站儀三維坐標(biāo)法結(jié)合GPS衛(wèi)星定位精確定位零號塊支架，控制箱梁線形、軸線及橫向坡度。高程控制方面，由于支架安裝前無法進(jìn)行對向觀測或鋼尺量距，我們同樣在輔助墩上架設(shè)全站儀，采用單向測距三角高程法多測回、多時段觀測，將主塔橋墩上的控制點高程引至橋面，并通過觀測彼此之間的高程互差進(jìn)行校驗。

在鋼箱梁懸臂拼接測量中，由于風(fēng)浪及溫差的影響，鋼箱梁的變化幅度達(dá)分米級，且隨拼接塊數(shù)的增加呈線性增長。因此，我們在具體測量中對不同周期高程值進(jìn)行觀測，確定其中數(shù)為最佳值。軸線測量利用22:00～2:00(氣候條件最為穩(wěn)定、鋼箱梁頂?shù)装鍦夭睢?℃的時間段)進(jìn)行觀測，且在每次拼接箱梁前后對已拼接箱梁定位檢測點均進(jìn)行一次檢測，如圖7所示。

圖7 鋼箱梁定位檢測點分布示意圖

3.5 主跨合龍貫通測量和檢測方法

貫通測量是大橋建設(shè)工程中非常重要的測量工作，若發(fā)生錯誤而未實現(xiàn)貫通，或者貫通后接合處的偏差值超限，都將影響大橋質(zhì)量，甚至造成人員傷亡等嚴(yán)重后果。

上海長江大橋主通航孔為跨徑730 m的分離式全漂浮體系斜拉橋，因為跨距超長，即使我們在箱梁拼接過程中嚴(yán)格按設(shè)計要求監(jiān)控，但其平面和高程的綜合影響均將在合龍前表現(xiàn)出來，而晝夜的溫差和風(fēng)力也將帶來巨大影響，因此，為確保主跨順利合龍必須實施至少48 h動態(tài)監(jiān)控，檢測工作須嚴(yán)格按照貫通容許偏差確定測量方案并嚴(yán)格實施的原則。

圖8 鋼箱梁合龍段檢測點分布示意圖(剖面)

首先應(yīng)結(jié)合制造、施工及溫度影響等實際情況，在橋中線和橋中線兩側(cè)上下均勻布設(shè)一定數(shù)量的檢測點(如圖8)，每2 h用投影法或鋼卷尺準(zhǔn)確測量合龍段上下邊緣尺寸及合龍口的間距，同時通過主塔兩側(cè)的水準(zhǔn)點形成閉合水準(zhǔn)路線，利用精密水準(zhǔn)儀精確測量確定兩端口標(biāo)高、上下游外腹板處標(biāo)高。根據(jù)測量結(jié)果繪制溫度與間距、高差的關(guān)系曲線圖，準(zhǔn)確掌握溫度與合龍口間距及高差的聯(lián)系，為確定最佳合龍時機(jī)提供參考依據(jù)［2］。貫通之后，還要計算各項閉合差，及時對測量工作進(jìn)行精度分析與評定。

4 結(jié)語

測量工程在大型橋梁建設(shè)過程中起著十分重要的作用，貫穿橋梁建設(shè)的全過程。施工測量方案的確定不但要考慮精度要求，更要考慮可行性。在上海長江大橋測量工程的實踐中，通過在施工的不同階段，針對不同施工關(guān)鍵點的特點采用多種方法進(jìn)行測量，而在檢測過程中，通過獨立采用與施工方相同或相異的控制點和測量方法進(jìn)行獨立檢測，大大保證了工程的質(zhì)量和進(jìn)度，取得了較好的效果。

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