武漢鸚鵡洲長江大橋基準索股定位測量

黃 維

（1.中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050）

武漢鸚鵡洲長江大橋基準索股定位測量

黃 維1

（1.中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430050）

設計了一種專用觀測工具——棱鏡安置器，采用單向三角高程測量方法進行基準索股定位，能很好地解決武漢鸚鵡洲長江大橋因施工現(xiàn)場受地形、氣候條件影響，無法采用精密水準測量和對向三角高程測量進行基準索定位測量這一技術(shù)難題，對其他類似橋梁建設也具有指導和借鑒意義。

懸索橋基準索股；棱鏡安置器；單向三角高程測量

武漢鸚鵡洲長江大橋為武漢市新內(nèi)環(huán)線的控制性工程，跨越長江天塹，橋面設計標高位置與江面高差達50 m，長江兩岸距離約2 km，受城市光照和江面行船影響較為嚴重，江面風速較大。這些因素給精密的測量工作帶來很大的困難，使傳統(tǒng)的精密水準測量和對向三角高程測量基本變得不可行。

本文在已有測量方法的基礎上，充分考慮了武漢鸚鵡洲長江大橋所處的環(huán)境和施工條件的限制，設計了專用測量工具——棱鏡安置器，采用單向三角高程測量新方法進行基準索股定位。較好地解決了不能采用幾何水準和對向三角測量進行定位的技術(shù)難題，并在實際施工中得到驗證，成果優(yōu)良，技術(shù)可靠。

1 基準索線形測量的主要內(nèi)容

在橋梁施工中，主纜的線形控制至關(guān)重要，它直接與懸索橋整體受力及橋梁結(jié)構(gòu)安全息息相關(guān)，是一項復雜、繁瑣的系統(tǒng)工程，而基準索股的定位則直接影響著主纜的線形，是整個主纜線性控制的重中之重。基準索線形測量的內(nèi)容主要包括中跨和邊跨的跨度測量、基準索股里程和高程放樣測量。跨度測量主要通過實時測量塔柱、錨碇上的主索鞍、散索鞍里程來實現(xiàn)的。散索鞍在基準索調(diào)整期間可以認為是穩(wěn)定不動的，主索鞍與索塔間也是相對固定的，因而可以通過觀測索塔偏位來獲得實時跨度。基準索股里程和高程測量根據(jù)相應規(guī)范要求，在中跨和邊跨跨中處分別布設點位，全橋共布設8個測點（見圖1）。

2 基準索線形測量的主要難點

1）同步對中跨跨中測點進行觀測時，兩岸高程基準必須統(tǒng)一，跨河水準精度等級要求為二等，高精度跨河水準測量成為確保基準索定位精度的關(guān)鍵因素之一。

2）武昌岸地形條件復雜，氣象條件變化異常，基準索股高程測量無法采用幾何水準測量或?qū)ο蛉歉叱虦y量，只能采用單向三角高程測量，如何解決大氣折光對單向三角高程測量的影響是基準索股線形控制的另外一個關(guān)鍵因素。

3）跨度測量與索股高程測量在兩岸同步進行，中跨、邊跨跨度必須精確、快速測量才能精確計算實時理論基準索高程，基準索的定位對于外界天氣必須具備精確高效性

圖1 基準索測量點位布置示意圖

3 高精度高程基準的建立

根據(jù)橋位區(qū)地形條件和基準索測量測站點位置，分別在漢陽岸、武昌岸各布置2個點位（見圖2），均為強制歸心觀測墩。漢陽岸點位設置在江灘邊，武昌岸設置在堤防擋土墻上，其中DQ7、DQ8設在北岸長江大堤內(nèi)，在橋軸線左右兩側(cè)江堤邊；江南岸武昌側(cè)的觀測點QBM4、DQ13分別設在長江堤防擋土墻頂部，以利于觀測。

圖2 水準測量示意圖

由于大橋所處江面特點及現(xiàn)場特殊地形條件，最終以經(jīng)緯儀傾角法按二等跨河水準精度要求實施跨河水準。該方法技術(shù)要求如下：

1）布設跨河線并埋設跨河點，每岸均需布設一個立尺點和一個儀器點。采用2臺高精度全站儀及水準標尺施測。

2）觀測近標尺。首先在全站儀盤左位置照準近標尺的基本分劃，讀取最后水平視線的標尺cm分劃讀數(shù)a，使水平絲分別照準該分劃線的下、上邊緣各2次；再縱轉(zhuǎn)望遠鏡以盤右位置同時照準該分劃線的上、下邊緣各2次，便完成了一組觀測（近標尺只測1組）。每次照準分劃線邊緣后，應先使垂直度盤指標氣泡精密符合，再用光學測微器進行垂直度盤讀數(shù)。盤左或盤右同一邊緣2次照準讀數(shù)差應不大于3″。

近標尺讀數(shù)b為：

式中，θ為分劃線a的傾角（單位："）；d為經(jīng)緯儀至標尺點的水平距離（單位：cm）；ρ=206 265"[1]。

3）觀測遠標尺。盤左位置用水平絲依次照準下、上標志線4次，每次照準均應同時使垂直度盤指標氣泡精密符合后，再用光學測微器進行垂直角讀盤讀數(shù)，同一標志線4次讀數(shù)之差不得大于3"。縱轉(zhuǎn)望遠鏡，以盤右位置按相反次序照準上、下標志線各4次并如前讀數(shù)。以上操作組成1組觀測，按照同樣的方法進行其他各組觀測，再計算出各組上、下標志線的傾角α和β，組間α或β互差應不大于4"。近、遠標尺讀數(shù)操作組成一岸儀器觀測的半測回，兩岸儀器同時對測各半測回，組成一測回。兩個測回連續(xù)觀測時，測回間應間隔15 min左右。

4）每測回觀測前，應仔細檢查覘標的指標線是否滑動，并核對指標線在標尺上的讀數(shù)。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢，并經(jīng)限差驗算合格后，采用嚴密平差法對改正后的觀測高差進行整體平差計算，求得未知點的高程，進行精度評定（每km水準測量偶然中誤差≤±1.0 mm）。

本次跨河水準兩岸各用1臺Leica TC/TCA2003全站儀進行同步觀測點的反射覘板上、下標志線，完成4組觀測，上、下午完成2個測回觀測，夜間完成3個測回，用時3 d，有效雙測回數(shù)24個。

完成跨河水準后，漢陽岸跨河點即為基準索觀測站點，武昌岸采用跨河點QBM4和二等幾何水準加密控制點A1（圖2）。高精度跨河水準測量有效保證兩岸高程基準的統(tǒng)一。

4 基準索線形測股定位測量

4.1 實時跨度測量

主橋跨度測量的精度是基準索股實時計算的重要依據(jù)，跨度會隨索股變化、索塔偏位等因素隨時變化，而每次基準索調(diào)整前均需測量實時跨度。

跨度的測量主要是通過測量散、主索鞍實時位置來獲得，散索鞍在基準索股架設、調(diào)整階段位移量甚微，可以認為是穩(wěn)定不動的，而主索鞍會隨著塔柱溫度、風力、基準索股自身變化而隨時變化，因此，跨度測量的主要工作便是測量主索鞍的實時位置。主索鞍與索塔自身已穩(wěn)定固結(jié)，通過測量埋設在混凝土索塔頂面外側(cè)的監(jiān)測點位移量，便能間接計算出主索鞍位移量，從而獲得邊、中跨實時跨度。

以第一次塔錨聯(lián)測（塔、錨均為裸塔無荷載狀態(tài)）的主索鞍底板坐標為基準，在混凝土索塔頂面外側(cè)布置6個監(jiān)測點T1～T6，將加工的連接桿直接焊接于混凝土索塔頂?shù)念A埋件上，連接桿頂端安置徠卡圓棱鏡，為永久裝置，同時測量主索鞍和監(jiān)測點，獲得兩者間相對幾何關(guān)系，通過測量監(jiān)測點即可獲得主索鞍實時坐標（圖3）。

監(jiān)測點的觀測，在一個測站完成后，采集各測點及測站溫度、氣壓、濕度分別輸入全站儀自動改正。由于索塔橫向位移很小且對跨度影響甚微，因而，在測站采用全站儀分別觀測4個測點的邊長，其中位于漢陽岸索塔的T1、T2點測量斜距，武昌岸的T5、T6測量平距，丈量儀高，將水準高程引測至監(jiān)測點棱鏡中心處，通過斜距、高差計算出水平距離，通過全站儀測距常數(shù)、邊長投影等改正計算后，得出測站至各點修正后的水平距離。根據(jù)各測點及測站的y坐標值計算x坐標，再根據(jù)測點與各主索鞍底板的相對幾何關(guān)系計算出實時主索鞍里程值，根據(jù)散索鞍里程可計算出左、右幅的中、邊跨實時跨度。

圖3 實時跨度測量示意圖

索塔偏位測量采用Leica TS30全站儀進行觀測，反射裝置采用徠卡原裝圓棱鏡。

4.2 基準索高程測量

為確保外業(yè)測量精度，設4個測站同步對中跨跨中測點進行觀測，漢陽岸在DQ7、DQ8，武昌岸在DQ1、QBM4、DQ13點進行。3點均為二等平面、高程精度，且均在同一平面、高程網(wǎng)內(nèi)完成平差計算。

4.2.1 棱鏡安置器的制作

根據(jù)基準索六邊形的特性及尺寸，項目部設計了一批棱鏡安置器，它剛好與基準索相套、兩端均設有反射棱鏡的六邊形卡環(huán)，卡環(huán)兩端各焊接10 cm長與徠卡圓棱鏡相連的鐵桿，兩鐵桿端點連線穿過卡環(huán)中心（圖4）。測量時，通過卡環(huán)兩端棱鏡進行觀測，測量點位的邊長、高程取中數(shù)，即為基準索股在該里程的中心點高程，且無需棱鏡處于鉛垂狀態(tài)，立鏡誤差可忽略不計，以減少內(nèi)業(yè)計算量，提高野外觀測效率。

圖4 棱鏡安置器

4.2.2 實時折光系數(shù)K值的測定

因大氣折光系數(shù)隨氣候、時間、地區(qū)等因素變化而不同，即使精確測定了某一測線折光系數(shù)，但隨著時間和測線穿越地物的不同也會無規(guī)律地變化 。位于長江上空的基準索股測線，氣候變化無法預測，無法在每次高程測量時及時測量每個測站至覘點的折光系數(shù)，這成為三角高程測量精度提高的瓶頸。而基準索的測量目前除單向EDM三角高程外，暫時沒有更好的高程測量方法，如何精確有效地測定折光系數(shù)，成為基準索線形定位精度的關(guān)鍵[2]。

在基準索測量正式測量前1 h內(nèi)測量實時折光系數(shù)，往返測量DQ8、DQ11兩點斜距、天頂距，采用2臺同精度Leica TCA2003全站儀觀測，用儀器ATR自動照準功能測量圓棱鏡，用三角板丈量儀器、棱鏡高，讀數(shù)至0.1 mm，2點理論平距為1 764.2 m。其中漢陽岸DQ8位于橋軸線右側(cè)87 m，距離中北跨跨中點463 m，至中跨高差為-40 m，距離漢陽岸邊跨跨中點124 m；武昌岸DQ11點位于橋軸線右側(cè)165 m，距離南中跨跨中點584 m，至中跨高差為-35 m。由此可見，選擇以DQ8～DQ11測線折光系數(shù)代替基準索跨中點高程具有一定的代表性，由于兩測站距離中跨跨中點邊長差值為120 m，僅為總長度的1/10，取兩岸測量高差中數(shù)同時也能在很大程度上削弱因大氣折光帶來的高程誤差。兩已知水準點往返觀測折光系數(shù)K值為：

式中，s為觀測斜距；i為儀器高；l為覘高；α為垂直角；R為觀測曲率半徑。

式中，C為光速；e'為扁率；B為緯度[3]。

4.2.3 基準索單向三角高程測量

在左右幅索股溫差、風力等現(xiàn)場條件滿足要求后，首先對中跨跨中點進行觀測。將加工的卡環(huán)固定在基準索上，套上徠卡原棱鏡，兩岸同時分別對卡環(huán)的上、下棱鏡進行斜距、天頂距的觀測，每岸觀測6個全測回，完成后旋轉(zhuǎn)上、下棱鏡對準另一岸測站，繼續(xù)觀測6個全測回，再同法照準另一幅完成觀測（圖5）。在此原始測量數(shù)據(jù)的基礎上還需要添加大氣折光K值的改正，其計算方法如下：

圖5 基準索中跨跨中點布置示意圖

式中，s為觀測斜距；α為垂直角；i為儀器高；K為大氣折光值；R為地球曲率半徑[4]。

在南北中跨跨中點觀測完成后，漢陽岸在DQ8點以DQ12為定向點觀測邊跨跨中點，武昌岸在DQ11以DQ7定向觀測邊跨跨中點。鸚鵡洲長江大橋基準索股調(diào)整測量共用了7 d時間，穩(wěn)定觀測用了4 d時間。在穩(wěn)定觀測期間，共觀測8組數(shù)據(jù)，兩岸測量同一點位最大高程差值為27 mm，平均差值為7.6 mm。穩(wěn)定觀測期間中跨跨中點與理論最大差值為11 mm，平均差值為5.9 mm，左右幅最大相對高差為10.3 mm，平均高差為6.2 mm。其穩(wěn)定觀測成果如表1。

表1 中跨跨中高程穩(wěn)定觀測成果表

4.2.4 結(jié)果分析

從表1實測高程和理論高程的差值中可以看出，整體上差值都不大于20 mm，只有2013-04-27第一時段的觀測結(jié)果略超，且是左右幅均超過，應該是溫度影響所造成的。因當天測量時間稍微提前，其主纜的余溫可能仍未散去，使主纜存在略微的膨脹，而導致測量高程略高于理論高程。

表1的相對垂度數(shù)據(jù)欄中，相對高程之差除了2013-04-27超過10 mm外其余均小于10 mm，完全滿足施工測量的精度要求。且2013-04-28相對垂度只有1.4 mm，也驗證了前文的說法，因為同時段觀測量求差可抵消系統(tǒng)誤差，這就使得其相對垂度相當小。

從以上的分析中可以看出，采用本文設計的采用單向三角高程測量新方法進行基準索股定位，完全能夠解決不能采用精密水準和對向三角測量進行基準索股定位的技術(shù)難題，在實際的測量應用中，測量結(jié)果優(yōu)良，能滿足施工的需求。在提高工程測量精度、社會效益、節(jié)約經(jīng)濟成本等方面都得到了很好的體現(xiàn)，對同類橋梁建設具有指導意義。

[1] 王文中.控制測量[M].北京:地質(zhì)出版社,1995

[2] 張坤宜.交通土木工程測量[M].北京:人民交通出版社,1999

[3] 張勇,王波.全站儀三角高程新方法及精度估算[J].測繪工程,2007(6):46-48

[4] 杜文舉,劉瑩, 樊正林.全站儀三角高程測量的精度分析及其應用[J].鐵道勘察,2008(4):31-33

[5] GB/T16818-2008.中、短程光電測距規(guī)范[S].

[6] GB/T17942-2000.國家三角測量規(guī)范[S].

P258

B

1672-4623（2015）03-0159-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.056

黃維，工程師，主要從事施工測量監(jiān)理工作。

2014-01-07。