春意橋沉降監(jiān)測系統(tǒng)建立及觀測方法研究

謝新

(天津海河建設(shè)發(fā)展投資有限公司，天津300380)

橋梁的變形監(jiān)測可以分為施工期監(jiān)測和橋梁運營階段的安全監(jiān)測。施工期監(jiān)測的目的是為了保證橋梁的施工質(zhì)量和施工安全，隨時觀測因基礎(chǔ)變位、混凝土收縮、徐變、溫差、風力、振動等因素引起的偏移及變形擺動規(guī)律，為橋梁施工提供參考數(shù)據(jù)。當橋梁竣工后，因自身荷載和外界因素(如構(gòu)成材料發(fā)生老化、溫度變化、風力、日照、車流量、地震等)作用會產(chǎn)生變形，此時對橋梁實施監(jiān)控，建立監(jiān)測模型和實施有效的預報及預警，有利于規(guī)避運行中不利因素組合的出現(xiàn)，增強大橋的抵抗力，延長使用壽命［1］。

近年來，我國特大橋梁的發(fā)展十分迅猛，與之相關(guān)的技術(shù)與規(guī)范還不夠完善，安全事故也多次發(fā)生。在這種情況下，對橋梁變形監(jiān)測的必要精度、大型橋梁變形觀測方案研究以及對橋梁變形監(jiān)測點的位移精密分析都具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

海河春意橋全長324.660 m，橋面寬40 m。其中主橋跨越海河，為三跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式(57.5 m+85 m+57.5 m)，橋跨總長 200 m，主跨 85 m。其中跨根部為6.678 m，中跨合攏段高度為1.745 m，邊跨合攏段1.773 m。

主橋由橫向7個鋼箱梁組成，橫向?qū)ΨQ布置，每個鋼箱梁寬度3.452 m，鋼箱梁之間間距1.644 m。通過對橋面觀測點的監(jiān)測，獲得橋面鋼箱的沉降量，反應由鋼箱變形橋墩的徐變和沉降而引起的變化;通過對橋墩觀測點的監(jiān)測，獲得橋墩的沉降量，反應由橋墩徐變、基礎(chǔ)沉降而引起的變化。

2 沉降監(jiān)測內(nèi)容

本文研究內(nèi)容包括橋面沉降觀測和墩臺沉降觀測。需要建立沉降觀測基準點，橋面觀測點和橋墩觀測點。由于春意橋跨過海河，其難點在于橋墩觀測點的布置和觀測方法的選擇。具體沉降觀測點的布置需結(jié)合圖紙，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ8－2007)、《工程測量規(guī)范》(GB50026－2007)、《國家一、二等水準測量規(guī)范》(GB12897－2006)、《天津市城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)程》(DB 29－62－2004)來實施。

2.1 基準點布置

首先調(diào)查收集測區(qū)地形圖和控制點的成果資料，先在已有的地形圖上擬定導線布設(shè)方案，后到現(xiàn)場核對、修改和落實點位。如果測區(qū)沒有以前的地形資料，則要詳細踏勘現(xiàn)場，根據(jù)地形條件及施工需要等具體情況，合理選定基準點的位置，并建立標志。選點時以下幾點需要注意［2］:

(1)相鄰基準點要相互通視。(2)基準點應選在土質(zhì)堅硬、穩(wěn)定的地方，以便于安置儀器。(3)所選基準點必須滿足觀測視線超越障礙物1.3 m以上。(4)基準點應設(shè)在路線兩邊并距路線小于300 m。

為保證檢測控制點穩(wěn)定性，并有效剔除因路線過長、通行車輛較多震動影響而引起的累積誤差。擬在該橋兩端各自設(shè)置2個監(jiān)測基準點，共設(shè)置4個基準點組成基準網(wǎng)。其布設(shè)方法如下圖1所示。

2.2 橋面觀測點

考慮到不影響橋面行車并保證觀測點長期穩(wěn)定等各種不利因素，需要在路中及兩側(cè)地袱上建立沉降觀測點(10 m/個)，伸縮縫位置處增設(shè)觀測點。兩側(cè)地袱觀測點數(shù)量為2×21=42個，路中觀測點數(shù)為20個，共62個。

橋面觀測點距橋面10 cm。橋面測點的安裝建議采用Φ16 mm直徑，長度為8 cm(不含螺帽)的精制螺栓，采用環(huán)氧樹脂植入，深度建議7 cm。觀測點垂直植入，植入點的位置以不容易損壞為準。并對每個觀測點進行編號，觀測點的編號采用宋體，用記號筆標注在觀測點旁邊。

2.3 墩臺沉降觀測點

在不影響橋梁美觀的前提下在橋墩選擇合適的位置布置永久性觀測點。墩臺觀測點采用強制對中裝置。水中墩柱沉降觀測點采用棱鏡(全站觀測)，每個墩柱左右兩側(cè)各布設(shè)一個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點做好標記，便于進行沉降觀測。墩臺進行沉降觀測，墩柱沉降觀測點高出常水位150 cm。布置如圖2所示。

3 觀測方法研究

3.1 普通水準

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTGD60－2004)》、《工程測量規(guī)范(GB50026－2007)》，春意橋?qū)儆诖笮蜆蛄海錁蛎娉两当O(jiān)測采用二等水準進行測量。應使用DS05級的電子水準儀，儀器及配套水準尺均應在有效檢定期內(nèi)。用電子水準儀提供水平視線，通過水準尺前、后視讀數(shù)計算出橋面板上各觀測點高程，與各測點原始高程值進行比較，以此判斷橋面沉降與梁體撓度程度。二等水準觀測主要的技術(shù)要求見表1。

觀測時，對于有變換奇偶站功能的電子水準儀，每一測段必須為偶數(shù)測站結(jié)束。按以下順序進行:

往測:奇數(shù)站為后－前－前－后。

偶數(shù)站為前－后－后－前。

返測:奇數(shù)站為前－后－后－前。

偶數(shù)站為后－前－前－后。

同一測段的往測(或返測)與返測 (或往測)應分別在上午與下午進行。在日間氣溫變化不大的陰天和觀測條件較好時，若干里程的往返測可同在上午或下午進行。但這種里程的總站數(shù)，不應超過該區(qū)段總站數(shù)的30%。

表1二等水準觀測主要的技術(shù)要求Tab.1 Main technical requirements of the second level observations

3.2 中間設(shè)站式三角高程觀測

大型橋梁的沉降觀測采用不低于三等的測量方式，中間設(shè)站式三角高程測量可滿足相應的精度，橋墩的沉降觀測采用二等精度測量［3］。

中間設(shè)站式三角高程實施沉降監(jiān)測方法，就是將全站儀架設(shè)在監(jiān)測點與基準點中間，分別測出基準點與測站點間高差、測站點與監(jiān)測點間高差，計算出基準點與監(jiān)測點間高差，得出監(jiān)測點高程。

中間設(shè)站式三角高程測量原理如圖3所示，將全站儀安置于A、B兩點間的C點，則觀測獲得A、B點的高程為HA和HB。

式中i－儀器高;Sa和Sb－觀測A和B的棱鏡斜距;aa和ab－豎直角;la和lb－棱鏡高;Ha－假定儀器在C點高程。

后視垂距:

前視垂距:

式(3)～式(5)中K－大氣折光系數(shù);R－地球半徑。

即高差=前視垂距－后視垂距。

橋墩沉降觀測點采用全站儀三角高程法測量，儀器使用測角精度1″，測距精度2+2 ppm XD的全站儀。中間設(shè)站法觀測，不量儀器高，固定覘標高。為了減少對中誤差的影響，儀器和棱鏡都架設(shè)于帶有強制對中裝置的觀測墩上，其高度用游標卡尺在基座三個方向上分別量取，并在測前、測后各量一次［4］。垂直角單向觀測6測回，讀數(shù)至0.1″。兩次照準目標讀數(shù)差較差≤4″，垂直角指標差較差≤5″，垂直角各測回較差≤5″。垂直角分組觀測，每組觀測方向數(shù)≤4，后視方向均為基準點。距離單向觀測4測回，一測回照準目標1次，讀數(shù)4次。測回讀數(shù)間較差≤2 mm，各測回間較差≤3 mm。儀器加常數(shù)、乘常數(shù)和氣象改正元素現(xiàn)場輸入全站儀，直接顯示平距。垂直角、距離分別取其平均值后計算高差［5－6］。

橋墩沉降點選擇大氣穩(wěn)定、成像清晰、微風等有利的觀測條件，觀測前采用與沉降觀測點相同的觀測方法對基準點進行檢測，當高差較差≤1.4 mm時，認為基準點穩(wěn)定，各項改正正確有效。觀測前充分做好準備工作，如架設(shè)儀器、棱鏡及渡船就位等輔助工作，盡量縮短觀測時間。一般一個周期的橋墩沉降觀測工作在2.5 h內(nèi)完成。橋面沉降觀測點與橋墩沉降觀測點同期觀測。

4 結(jié)語

應用水準測量的方法求得橋面觀測點沉降量的精度較高，觀測技術(shù)也比較成熟，該方法非常適用于地面障礙較少的區(qū)域;但是，河中橋墩的沉降觀測應用水準測量難度較大，所以采用全站儀代替水準儀。高精度全站儀的出現(xiàn)，使得豎角和測距的精度顯著提高，對橋墩的沉降觀測采用三角高程測量方法變得可行，橋墩的沉降觀測采用中間設(shè)站式三角高程測量將會有很好的應用前景。

［1］鄔昱昆.蘇通大橋超高索塔監(jiān)測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理研究［D］.南京:河海大學，2007.

［2］JGJ8－2007，建筑變形測量規(guī)范［S］.

［3］建設(shè)部.工程測量規(guī)范［S］.

［4］孫景領(lǐng).精密三角高程測量在大壩外部垂直變形監(jiān)測中的應用［J］.水利與建筑工程學報，2012，10(4):35－37.

［5］金國清.全站儀三角高程法橋墩沉降觀測的嘗試［J］.工程勘察，2011，12:59 －62.

［6］吳石軍.精密三角高程在跨河水準測量中的應用［J］.勘察設(shè)計，2012(4):13 －16.