大跨度懸索橋施工測量技術研究

黃紅林 徐 飛

(中鐵大橋局集團第二工程有限公司，江蘇 南京 210015)

連鎮鐵路五峰山長江大橋是我國首座公鐵兩用懸索橋，為主跨1 092 m的雙塔單跨鋼桁梁懸索橋，具有跨度大、設計荷載大、主纜直徑大、設計速度高等特點。針對懸索橋的這些特點，主塔、錨桿、索鞍定位精度要求高，塔、索和橋面線性控制嚴格。為達到這些目標，必須根據橋址的地形情況，運用合適的測量方法和測量設備才能進行。

1 準備工作

建立橋梁施工控制網。根據規范要求，橋軸線邊的相對中誤差應達到1/250 000[1]。待主塔封頂后，可在塔頂布設加密點，作為后期施工控制點。圖1為五峰山長江大橋主橋首級網圖。其他準備工作有：1)各種放樣數據的計算、復核；2)高精度的測量機器人(精度0.5＂/1+1 ppm)；3)錨碇、塔柱、鋼梁變形監測點的制作和埋設；4)基準索和一般索股測量工具的準備。

2 三維坐標法定位精度分析

在懸索橋的主要部位定位測量中，包括主塔定位測量，錨固系統(支架、后錨梁、錨桿)安裝定位測量，索鞍的定位測量，均以全站儀三維坐標法為主。三維坐標法精度可按以下公式估算[2]：

(1)

其中，D為斜距,mm；Z為天頂距，(°);α為方位角，(°);mD為斜距中誤差，mm；mZ為天頂距中誤差,(＂);mα為方位角中誤差,(＂)。

3 距離歸化改正

按三維坐標法放樣塔柱時，由于地球曲率的影響，測站點與塔中心的距離隨著高度的增加會發生改變，因此，在放樣過程中應加以改正[3]。

(2)

其中，DH為歸算至投影高程面測距邊長度；DP為測線水平距離；HP為投影面高程；HM為測距邊兩點的平均高程；R為地球曲率半徑；S為經氣象及加、乘常數等改正后的斜距；h為儀器的發射中心與棱鏡的反射中心間高差。

4 主纜安裝測量

主纜線形的調整是通過控制相應工況下主纜各跨中點絕對垂度來實現的，其調整精度主要由基準索股的線形調整精度決定，而一般索股是根據基準索股的線形進行相對控制，因此基準索股線性精度決定了主纜的安裝線形精度。

4.1 K值反演推算

基準索股的垂度測量采用全站儀單向三角高程法。根據單向三角高程公式[4]：

(3)

其中，hab為A，B兩點的高差；Dab為A,B的水平距離；α為豎直角；ia為儀器高；vb為目標高；K為大氣折光系數。

式中K為未知值，它隨氣溫、氣壓、日照、時間、視線高度等因素的影響而變化。因此，在垂度測量前，應利用兩已知高程點進行K值的反演推算。根據式(3)可得：

(4)

表1為五峰山長江大橋的K值推算試驗結果。

表1 K值的推算試驗成果表

從試驗的數據看，K值在夜間變化不大。因此基準索股的垂度測量應在夜間進行，每次測量前反演推算K值，及時對三角高程結果進行修正。

4.2 基準索股調整

調整基準索時，將兩臺全站儀分別架設在主塔兩側的控制點上，放樣出邊跨與中跨跨中位置(見圖2)，放樣時應同步進行，這樣可對觀測結果進行校核。

測出實際的K值后，運用特制的棱鏡(見圖3)，進行垂度調整，其調整量還應考慮主塔變形量、索鞍預偏量、溫度修正、塔的受力等綜合因素的影響。

調整后的兩側基準索股相對高差應小于10 mm，待狀態穩定后方可安裝一般索股。

4.3 一般索股調整

一般索股的調整采用相對高差法，即以基準索股為參考，根據一般索股與基準索股的相對位置關系，安裝一般索股至設計位置[5](見圖4)。

調整的原則是使各索股與相鄰索股之間既無壓力也無空隙。因此在調整過程中，應定期對一般索股和基準索股的位置進行復核。當檢測基準索股與理論值存在較大偏差時，應啟動第二根或第三根基準索，作為后期各索股安裝的依據。

4.4 索夾放樣

索夾放樣前，應測出主纜的實際線形、主塔偏位狀況以及各跨的跨徑，為索夾的放樣提供初始數據。主纜線形隨溫度的變化而發生變化，索夾放樣應選擇陰天或夜間氣溫相對穩定的時段進行。首先放樣出吊索中心線與主纜天頂線交點位置(見圖5)，采用量距的方法確定出索夾兩邊緣的位置，在邊緣外10 cm處設置參考標志。使用兩臺儀器同時放樣，取平均值作為索夾的最終位置。

5 鋼桁梁架設測量

鋼桁梁單元構件在工廠加工時，應對桁高、節間距、桁間距、對角線等各結構尺寸進行檢查并預拼，避免梁體誤差積累過大難以調整，同時在梁體上相應位置做好測量標志點。

邊跨鋼梁架設，采用頂推和滑移的方式，按照設計的預拱度，進行線性匹配測量，連接成整體。

主跨鋼梁首先完成跨中三個節段梁架設，其余節段自跨中向兩岸對稱交替架設。每安裝一個節段后，測量本節段、已架設梁測點的坐標、高程，同時測量主纜跨中點的高程變化情況(如圖6所示)及主塔變形情況。

6 主塔變形觀測

主塔的變形監測工作，貫穿于整個上部結構施工過程，包括貓道安裝、主纜安裝、鋼梁架設、主索鞍頂推等工況。

在主塔封頂后，在塔頂埋設棱鏡，連續觀測2 d～3 d，取平均值作為塔柱變形的初始值。觀測儀器宜用高精度的測量機器人，自動觀測記錄數據，觀測頻率以具體施工工況或監控指令為主。

圖7是3號主塔架梁期間變形曲線圖。架梁前，由于主索鞍朝邊跨側預先偏移了1.9 m，加上梁體荷載，架梁前期塔向中跨變形較大，最大達到276 mm。為了抵消梁體荷載導致塔的變形過大，在中跨3個節段梁E50,E51,E50′架設后，逐漸頂推索鞍至設計位置，塔的變形也逐漸變小甚至偏向邊跨側，最后通過加載二期恒載(道砟和軌道)使塔偏位回歸到平衡。

7 結語

五峰山長江大橋主纜施工過程中，考慮了大氣折光的影響；架梁期間通過對索、塔、梁連續的監測，掌握了索和塔的變形規律。通過測量二期恒載后梁體的線形，能與設計線形吻合，索、塔實測變形與監控模型計算的一致，證明了該橋的施工測量方法和線形監測技術是成功的，質量成果是可靠的，具有很高的實際應用價值。