跨大面積水域橋梁墩柱沉降監測方法研究

段舉舉，徐春明，趙為民

（中設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210014）

橋梁墩柱沉降監測是軌道交通施工及運營期的一項重要工作，通常采用水準測量的方法[1]。水準測量精度比較高，但其測量工作量大，速度慢，所需測量人員多，特別是對于地面高低起伏較大或不便于進行水準測量的地區，用這種方法速度緩慢，有的甚至非常困難[2]。隨著測量技術的發展與測量儀器的更新進步，三角高程測量的應用變得越來越廣泛，研究也越來越深入，三角高程測量以其簡便靈活、省時省力、受地形條件限制較小的優勢，正在逐步代替一定范圍內的水準測量工作[3]。

根據相關研究成果，精密三角高程測量可以達到二等水準測量的精度[4]，采取必要的措施甚至可以達到一等水準測量的精度[5]。本文結合實例，采用水準測量和三角高程測量相結合的方法，對跨大面積水域橋梁墩柱沉降進行觀測，能夠達到監測精度要求。

1 工程概況

某軌道交通以橋梁形式跨越湖區段，湖區段全長12.8 km，對應里程 DK30 + 471.86～DK43 + 301.52，對應的墩臺號為 99# 墩～518# 墩，湖區內橋梁共 3 幅，中間幅為軌道交通橋梁，左右 2 幅為公路橋梁。軌道交通與公路橋結構關系如圖 1 所示，軌道橋中心與公路單幅橋中心距 15.025 m，橋面邊凈距 4.15 m，公路橋與軌道橋上部結構間無影響，公路橋比軌道橋先施工。

圖1 軌道交通與公路橋結構關系示意圖（單位：cm）

2 監測基準網及測點布設

2.1 監測基準網布設

基準點作為沉降監測的起始依據，其穩定性十分重要，基準點要求穩定可靠。本項目采用業主單位提供的已有基準點，在湖北岸有 3 個二等水準點（DS1-36、DS1-37、DS1-38）、1 個基巖水準點（DJ-46），湖南岸有 2 個二等水準點（DTNH-44、DTNH-49），南、北兩岸基準點之間分別布設成閉合水準路線進行觀測。

2.2 工作基點布設

在公路橋橋面上每隔 240 m 布設 1 個工作基點，工作基點采用電錘在地表頂部鉆孔埋入特制的監測道釘，并用高效植筋膠水粘接密實，工作基點埋設元件如圖 2所示。測點的埋設高度應方便觀測，還應注意不影響車輛的安全。

圖2 工作基點埋設元件

在公路橋梁施工期間，工作基點和基準點之間布設成閉合水準路線進行觀測。公路橋梁施工完成之后，南北兩岸基準點和工作基點布設成附合水準路線進行觀測。由于觀測線路長達 12 km，最弱點的高程中誤差會比較大，為了提高水準觀測的精度，監測基準網擬按照GB 50308-2008《城市軌道交通工程測量規范》Ⅰ等垂直位移監測控制網的要求進行觀測[6]。

公路橋橋面鋪裝施工完成后，原橋面上的工作基點將會被覆蓋，此時工作基點需要重新布設，并按照原來的方法進行觀測。

2.3 監測點布設

本工程跨越湖區，橋墩都處于湖面上，與公路橋及棧橋間分離，人員較難直達，無法按照陸域常規的方法布設監測點。因此，采用在每個橋墩的墩頂用電錘鉆孔、用膨脹螺絲固定小棱鏡作為沉降監測點測量標志的方式，正常監測時人員無需到達墩臺之上，并可滿足觀測精度和技術要求。要求小棱鏡固定牢固，正對儀器架設方向，高度適宜觀測，橋墩小棱鏡安裝位置如圖 3 所示。每個橋墩上布設 1 個墩柱沉降測量標志，共計 420 個監測點。

圖3 橋墩小棱鏡安裝位置示意圖

3 監測方法

3.1 水準測量

每次監測時，分別從南、北兩岸基準點出發，按照閉合或附合水準路線將工作基點進行聯測，從而可以得到各工作基點的高程。然后對工作基點的穩定性進行判斷，將各工作基點觀測高程值與初始高程值進行比較，若檢測較差大于 2 倍高程中誤差時，則判定該工作基點不穩定，后續監測時對不穩定點進行高程修正，否則采用原高程值。

3.2 三角高程測量

沉降監測采用徠卡 TCRA1201 全站儀精密三角高程測量方法進行觀測。每次觀測時，在工作基點上安裝三角對中桿和圓棱鏡，并將高度固定，同時將全站儀架設在相對固定位置的公路橋橋面上。后視工作基點為圓棱鏡，前視墩柱沉降監測點為小棱鏡。通過角度和距離觀測計算出工作基點棱鏡中心和墩柱沉降監測點小棱鏡中心之間的高差。

工作基點處的圓棱鏡中心到該工作基點頂部（即水準測量點）間高差為一個固定常數，從而可由工作基點的頂部水準高程、工作基點棱鏡與小棱鏡中心高差，得到墩柱沉降監測點（小棱鏡中心）的高程。橋梁墩柱沉降觀測路線如圖 4 所示。

圖4 橋墩小棱鏡安裝位置示意圖

初始值需進行 2 次獨立觀測，取 2 次觀測均值作為監測點的初始高程。由于三角高程測量受大氣遮光的影響較大，初始值的采集宜安排在夜間或上、下午分別進行。

3.3 主跨監測方法

跨湖區段主橋為 75 m+130 m+75 m 變截面預應力混凝土連續梁橋，主跨跨度為 130 m。為了提高主跨墩柱沉降監測精度，在主跨對應的 2 個橋墩位置布設 2 個工作基點，全站儀架設在橋墩和工作基點之間，利用三角高程測量可以得到監測點的高程。

4 三角高程測量可行性及精度分析

4.1 可行性

將全站儀架設在 2 個橋墩之間，儀器高度約 1.6 m，儀器距橋面邊（內護欄內側）約 1 m。每站觀測4 個墩柱，前后各 2 個，前后監測點又分為近橋墩和遠橋墩。全站儀與近橋墩、遠橋墩之間的相對位置關系如圖 5、圖 6 所示，據此可以算出視線與水平線的夾角分別為 14.4°和 5.4°。由此可見，全站儀的架設滿足三角高程測量的通視性要求和監測要求。

圖5 全站儀和近橋墩相對位置關系示意圖（單位：m）

圖6 全站儀和遠橋墩相對位置關系示意圖（單位：m）

4.2 精度分析

三角高程測量的原理如圖 7 所示。為測定 A、B 兩點之間的高差hAB，將全站儀架設在 O 點，A 為后視點，B 為前視點，可測得儀器到 A、B 兩點的斜距S1、S2和豎直角α1、α2。由于后視點目標高為固定值，前視點為小棱鏡，不需要量取 A、B 兩點的目標高，這樣可以不考慮目標高的量取誤差。同時，儀器距前后視點的距離最大不超過 62 m，地球曲率和大氣折光的影響較小，可忽略不計。

圖7 三角高程測量原理示意圖

因此，A、B 兩點間的高差可簡化為：

利用公式（1），結合誤差傳播定律，估算三角高程測量的精度。假設α1≈α2≈α0，S1≈S2≈S0，對該公式進行全微分處理后，可將高差微分形式轉化為高差中誤差，公式如下：

式（2）中，mα0、mS0分別為豎直角中誤差、距離中誤差；ρ表示弧度化為秒的乘常數。從式（2）中可以看出，影響三角高程測量精度的誤差主要來自于測角誤差和測距誤差。

本文所采用徠卡 TCRA1201 全站儀精度，角度測量為 1″，距離測量為 1 mm + 1.5 ppm，因此，可以認為mα0= 1″，mα0=（1+1.5×D×10-6）mm，ρ= 206 265。以最大距離和最大垂直角進行計算，可假設α0= 14.4°，S0= 62 m，代入上述公式可得兩點之間的高差中誤差為mhAB= 0.56 mm 。每一測站進行多測回的觀測可以進一步提高監測精度。

5 結論

（1）本次沉降觀測采用水準測量和三角高程測量相結合的方法進行，解決了跨大面積水域墩柱沉降無法利用傳統水準測量方法進行監測的問題，且滿足監測精度要求，達到了預期效果。

（2）三角對中桿和圓棱鏡之間應進行高度固定，使工作基點處的圓棱鏡中心到該工作基點頂部間高差為一個固定常數，可以減少每次調節對中桿高度帶來的誤差影響。

（3）采用中間法三角高程測量，每次測量時不需要量取儀器高和目標高，全站儀架設位置自由，可以大大提高測量工作效率。