斜拉橋下塔柱大傾角位移的觀測方法

王 安，周華欣

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

禹門口黃河公路大橋位于晉陜黃河大峽谷出口處，為1座主跨565 m的雙塔雙索面鋼混結(jié)合梁斜拉橋。大橋主塔為“H”型索塔，塔高171.3 m，下塔柱高25.75 m，中塔柱高71 m，上塔柱高71.55 m。上中下塔柱由上橫梁及下橫梁連接，橫梁施工完成后進行預應力張拉[1-3]，以消除斜塔柱本身由于自重而產(chǎn)生的應力。由于主塔采用爬架法施工，下塔柱施工完成后無法及時進行下橫梁施工，下塔柱此時為自然伸臂大傾角狀態(tài)，受自身重力影響易產(chǎn)生位移。本文主要研究如何測量大傾角時下塔柱位移的變化情況。

1 工程概況

禹門口黃河公路大橋位于舊橋下游420 m處，跨徑組成為245 m+565 m+245 m，橋面寬30.25 m。主塔11#墩位于黃河主河上方，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)方案，單樁直徑為2.0 m，樁長65 m，承臺尺寸為49 m×29 m(橫橋向×順橋向)，樁基沿順橋向布設(shè)6排[4]，每排10根樁，共60根。西塔12#墩位于黃河漫灘之上，基礎(chǔ)共設(shè)50根樁，樁長58 m，承臺尺寸為49 m×24 m(橫橋向×順橋向)，樁基沿順橋向布設(shè)5排，每排10根樁。主塔由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁組成，下塔柱為向外伸壁、變截面、圓倒角薄壁空心墩，中塔柱為向內(nèi)伸壁、變截面、圓倒角薄壁空心墩，上塔柱為垂直等截面薄壁空心墩。上下橫梁均為預應力箱型現(xiàn)澆梁。施工區(qū)域位于暖溫帶半干旱氣候區(qū)，冬季寒冷偏短，夏季炎熱較長，晝夜溫差較大，年平均氣溫為14.2 ℃，最高溫度為41 ℃，最低溫度為-15 ℃，降雨偏少，年降水量為558 mm，由于地處黃河大峽谷出口處，全年不定期有大風。

2 儀器選定

考慮位移觀測精度及現(xiàn)場環(huán)境對儀器精度影響的要求，選定帶有ATR(自動照準功能)的測量儀器，儀器精度為1″ ,免棱鏡測量距離為500 m。本項目使用儀器為徠卡TS16，定向棱鏡為徠卡原裝圓棱鏡，棱鏡常數(shù)為0，預埋棱鏡選定L型徠卡迷你小棱鏡，棱鏡常數(shù)為17.5 mm[4-6]。其他物品有強光手電、對中桿、木質(zhì)三腳架、防風棚架等。

3 監(jiān)控點的布置

主塔11#、12#墩距離岸邊最近距離分別為150 m和170 m，監(jiān)控點布設(shè)時考慮后視距離應大于前視距離，以保證定位方位角時的儀器設(shè)站精度，長邊控制短邊以提高測量精度及數(shù)據(jù)的可靠性?？紤]后期施工及人為因素的影響，選用4個監(jiān)控點并沿河岸布置，保證4個監(jiān)控點互相之間通視，控制點精度為GPS D級控制點和二等水準點[7-10]。由于儀器測量時受外界因素影響較多，本項目主要受風力的影響，所以在控制點位處放置直徑為2 m、高度為2 m的鋼護筒，并在需要的位置切割開口方便測量及后視。

4 平面控制網(wǎng)復測

平面復測控制網(wǎng)等級為GPS D級網(wǎng)布局，沿線路方向設(shè)點，使用西安坐標系下的平面坐標，其最弱邊相對中誤差應不大于1/35 000。D級GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計、觀測、外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核數(shù)據(jù)處理、點位精度等符合《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314—2001)中的有關(guān)規(guī)定。在本標段共復測平面控制點17個，其中以5個(A02、A01、DQ03、DQ02、DQ01)設(shè)計院交樁控制點作為已知數(shù)據(jù)，計算另外12個(JM4-JM26)加密控制點。測量過程中采用邊連接式組成GPS網(wǎng)，以保證網(wǎng)的幾何強度，提高平面控制網(wǎng)的可靠性。首先將4臺華測T8接收機分別架設(shè)在A02、A01、DQ02、JM09上，觀測1個時段，然后保持A02、DQ02點上接收機不動，將其他2臺接收機分別架設(shè)在JM10、JM04控制點上觀測1個時段；然后保持DQ02、JM10點上接收機不動，將其他2臺接受機分別架設(shè)在DQ01、JM11控制點上觀測1個時段，由此循環(huán)最后分別把4臺接收機架設(shè)在JM23、JM24、JM25、JM26上觀測1個時段，每時段測量時間應大于2 h[11-13]。每臺接收機在控制點上觀測時的儀器高度、開關(guān)機時間、儀器編號、天氣情況、操作人員等信息應按照規(guī)范要求進行記錄，以備后期數(shù)據(jù)處理。

5 數(shù)據(jù)分析

本項目靜態(tài)數(shù)據(jù)平差采用華測CGO靜態(tài)處理軟件進行處理及平差，評查結(jié)果應滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314—2009)要求。

5.1 基線解算分析

基線解算采用廣播星歷，GPS網(wǎng)基線解算采用華測商業(yè)軟件CGO進行，以雙差固定解求解基線向量。外業(yè)觀測結(jié)束后，以三角形為基本構(gòu)網(wǎng)圖形對觀測基線進行處理和質(zhì)量分析，檢查基線質(zhì)量是否符合相關(guān)規(guī)范的要求。

5.2 基線向量異步環(huán)閉合差

閉合環(huán)應符合下列各式。

5.3 首級控制網(wǎng)復測異步環(huán)閉合差統(tǒng)計

異步環(huán)閉合差W統(tǒng)計如表1所示。

表1 異步環(huán)閉合差W統(tǒng)計結(jié)果

復測異步環(huán)閉合差最大為環(huán)JM20-JM24-JM23，閉合差29.762 860 mm，限差50.788 015 mm，滿足限差要求，異步環(huán)閉合差檢驗合格。

5.4 重復基線較差

復測重復基線較差最大為IV05-IV07，較差為2.911 281 mm，限差40 mm。

表2 重復基線較差ds統(tǒng)計結(jié)果

5.5 自由網(wǎng)平差

約束觀測時間最長點的WGS-84空間直角坐標，進行GPS基線向量網(wǎng)的空間三維自由網(wǎng)平差，判定基線改正數(shù)及其他精度信息是否符合規(guī)范要求。

約束DQ01點的北京84空間直角坐標，進行基線向量網(wǎng)空間三維自由網(wǎng)平差，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 基線向量網(wǎng)空間三維自由網(wǎng)平差精度統(tǒng)計結(jié)果

6 高程控制網(wǎng)復測

高程控制網(wǎng)采用1臺Trimble DiNi03電子水準儀按往返線路進行測量，水準銦瓦尺與儀器應配套。水準儀與水準尺在使用前均進行檢校，附有鑒定報告，并符合下列規(guī)定：水準儀視準軸與水準管軸在豎直面上的夾角不超過規(guī)范要求，水準銦瓦尺應垂直。

高程復測從標尾A02開測，沿線路方向依次往返測量控制點，結(jié)束點為JM24。前后視視線長度小于50 m，單站前后視距差小于2 m，每站前后視距積累差小于5 m，視線高度三絲能準確讀數(shù)。

本項目高程控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)平差均采用科差軟件按嚴密平差方法進行水準網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理成果應符合規(guī)范的要求，并與設(shè)計院交樁成果中高程值進行分析比較。

7 主塔預埋棱鏡的位置及安裝

11#、12#主塔為H型索塔，下塔柱為向外伸壁，中塔柱為向內(nèi)伸壁，上塔柱垂直向上，塔柱角為圓倒角。預埋棱鏡選定為1對主塔埋設(shè)1對L型徠卡迷你小棱鏡(棱鏡常數(shù)為+17.5)，埋設(shè)位置為下塔柱外傾圓倒角處，埋設(shè)時應使棱鏡面面朝控制點位置，以便于后期測量時照準。棱鏡使用膨脹螺栓進行預埋，并檢查是否牢固，防止因外界因素使棱鏡發(fā)生變化，預埋位置如圖1、2所示。

圖1 索塔俯視圖

圖2 棱鏡預埋位置

8 測量時間的選定

本項目位于晉陜峽谷出口處，測量受風的影響比較大，盡量選在風力小于3級時進行。下塔柱施工時正值夏季高溫天氣，考慮光照、溫度、濕度、大氣折光對全站儀測量精度的影響，測量時間選定傍晚或清晨，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性。

9 數(shù)據(jù)采集

使用全站儀進行三維坐標采集，預埋棱鏡鏡高選為0，后續(xù)測量棱鏡高度保持不變，固定陵鏡常數(shù)，后視精度滿足《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8—2007)的要求。測回數(shù)為4個，4個測回數(shù)據(jù)進行平均，以消除儀器自有誤差。固定置儀點與后視點，并使用氣壓計、溫度計、濕度計、對全站儀進行常規(guī)修正以保證測量精度。由于測量時間為傍晚或者清晨，可視性不是很高，全站儀采用自動照準功能并配合強光手電進行測量，每次測量之前應對儀器進行校正，以使標準差滿足規(guī)范要求，消除因自動照準功能不準確而產(chǎn)生的測量誤差。數(shù)據(jù)記錄應按照規(guī)范要求進行記錄并填寫測量時間的天氣情況。

10 數(shù)據(jù)的處理

由于采集數(shù)據(jù)為直角坐標，通過坐標無法判斷棱鏡位移情況，則需要判斷測量點的向量變化值。計算辦法為：根據(jù)主塔方位角進行方位旋轉(zhuǎn)計算，判斷出主塔實際位移方向，根據(jù)位移方向繪制塔柱位移變化圖(圖3)。角度旋轉(zhuǎn)公式如下。

式中：x，y為物體相對于旋轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)β的角度之前的坐標；x1、y1為物體旋轉(zhuǎn)β后相對于旋轉(zhuǎn)點的坐標。

圖3 塔柱位移變化

11 結(jié) 語

根據(jù)大量的數(shù)據(jù)可以得出布置合理且精確的控

制網(wǎng)，使用固定目標點、置儀點、后視點，使用精度為1″ 的自動照準全站儀，在選擇合理天氣，測量方法的情況下可以有效測出物體三維位置，通過角度旋轉(zhuǎn)公式可以很直觀的觀察物體的位移變化，測得的數(shù)據(jù)準確具有參考性。通過準確的數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場對下塔柱與塔座接縫處的觀察，塔柱在升高到50 m的時候中塔柱施工時，下塔柱自身重力產(chǎn)生的應力對其位移影響基本可以忽略不計也未發(fā)現(xiàn)接縫處有裂痕產(chǎn)生，測量中的塔柱位移變化量為儀器誤差及測量誤差。下塔柱為向外伸壁、變截面、圓倒角薄壁空心墩施工時，可不考慮位移影響的混凝土開裂，無需增加對拉措施。

參考文獻：

[1] 劉校峰.桃花峪黃河大橋主塔下橫梁與塔柱異步施工技術(shù)[J].西部交通科技,2013(1):41-42.

[2] 李艷青.G108河津至禹門口段改建工程路線方案研究[J].交通標準化,2013(13)：23-25.

[3] 王學民.鉆孔樁與護筒間縫隙漏水的堵漏技術(shù)[J].寧夏工程技術(shù),2011(3):239-241.

[4] 張 宏.Excel在GPS基線解算精度統(tǒng)計中的應用[J].測繪與空間地理信息,2012(6):140-143.

[5] 黃 琛.索塔橫梁設(shè)計中的關(guān)鍵性問題[J].廣東公路交通,2013(4):35-37.

[6] 覃澤穎,黃 鷹,李 保,等.徠卡TS30全站儀測量精度測試與分析.[J].地理空間信息,2015(2):22-24.

[7] 程 都.基坑施工過程中對既有地鐵隧道的自動化監(jiān)測研究.[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2017(8):32-33.

[8] 何有生.GPS控制在宣城市開發(fā)區(qū)水系調(diào)整規(guī)劃測量綜合應用的探討[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2014(11):12-13.

[9] 楊小偉.孟加拉國PADMA大橋GPS控制網(wǎng)設(shè)計和測量技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015(3)：314-315.

[10] 鄭國鋒,李 磊.GPS靜態(tài)測量在土地整理項目中的應用[J].黑龍江水利科技,2009(2):64-65.

[11] 吳 捷.顧北礦北一采區(qū)地表移動觀測站設(shè)計[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[12] 吳益梅.基于試驗的獨塔斜拉橋安全評價[D].西安：長安大學，2009.

[13] 劉 輝.基于GPS/GIS集成的滑坡外觀監(jiān)測系統(tǒng)的理論與應用研究[D].淮南：安徽理工大學，2006.