滬蘇通長(zhǎng)江大橋主塔鋼錨梁定位技術(shù)

黃紅林

（中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 南京 210015）

1 工程概況

滬蘇通長(zhǎng)江大橋是新建滬蘇通鐵路的控制性工程，位于江陰長(zhǎng)江公路大橋下游約45 km，是世界上首座主跨超千米的公鐵大橋。主橋長(zhǎng)2 300 m，橋跨布置為142+462+1 092+462+142（m）雙塔鋼桁梁斜拉橋，主跨1 092 m（見(jiàn)圖1）。橋址處江面寬度5.4 km，兩主塔位于江中心，離岸邊距離1.5～2.0 km。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

主塔28#、29# 墩結(jié)構(gòu)尺寸相同，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面以上為倒Y 形，下塔柱內(nèi)收為鉆石形。塔頂高程為+333 m，塔底高程為+8 m，承臺(tái)以上塔高325 m。斜拉索為扇形三索面，每個(gè)主塔共36×3=108 對(duì)斜拉索，其中有99 對(duì)斜拉索錨固在鋼錨梁上。鋼錨梁豎向間距從上到下依次為2.8 m、3.0 m、3.2 m、3.4 m。全塔鋼錨梁根據(jù)尺寸和管徑，分為A、B、C 三類。鋼錨梁斜拉索預(yù)埋套筒分為3 段（L1、L2、L3），L1 預(yù)埋于混凝土塔壁中，通過(guò)勁性骨架定位，L2 焊接于牛腿預(yù)埋鋼板上，并與L1 通過(guò)法蘭盤連接，L3 焊接于錨墊板上，并與L2 之間留20 mm 間隙以適應(yīng)鋼錨梁的彈性伸長(zhǎng)。

2 前期準(zhǔn)備工作

鋼錨梁定位精度要求很高，設(shè)計(jì)要求索道管進(jìn)出口空間位置為±5 mm，兩管口連線與設(shè)計(jì)位置夾角不超過(guò)5”。由于兩主塔距離岸邊控制點(diǎn)太遠(yuǎn)，常規(guī)的坐標(biāo)放樣法精度難以滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)施工情況進(jìn)行控制點(diǎn)加密。

2.1 控制網(wǎng)復(fù)測(cè)和加密

根據(jù)施工測(cè)量控制需要，結(jié)合施工實(shí)際，控制網(wǎng)采取分階段進(jìn)行加密，即隨著橋墩從基礎(chǔ)到上部結(jié)構(gòu)施工，加密點(diǎn)從沉井基礎(chǔ)到承臺(tái)再到墩身頂部，逐步上移。加密點(diǎn)與岸上首級(jí)控制點(diǎn)采取同步擴(kuò)展的方式進(jìn)行加密。

主橋平面網(wǎng)采用GNSS 控制網(wǎng)[1]，等級(jí)為二等。其中26D，31D 位于26# 墩、31# 墩帽上，28D，29D 位于主塔下橫梁上，其余點(diǎn)為岸上點(diǎn)，均為強(qiáng)制對(duì)中墩。加密網(wǎng)形如圖2 所示。

圖2 主塔施工控制點(diǎn)和加密點(diǎn)布設(shè)圖

2.2 建立獨(dú)立坐標(biāo)系

由于大橋中線為直線，為了方便測(cè)量鋼錨梁的偏位，可以建立以橋軸線和墩中線為軸線的橋梁獨(dú)立坐標(biāo)系[2]。在獨(dú)立坐標(biāo)系下，主塔28# 墩、29# 墩中心坐標(biāo)分別為（17248.84，0），（18340.84，0）。

2.3 鋼錨梁組拼測(cè)量

尺寸檢查：鋼錨梁在工廠內(nèi)加工制造，由機(jī)床下料、在特制胎架上進(jìn)行焊接，在拼裝場(chǎng)內(nèi)將各單元件拼裝成整體。用全站儀測(cè)量鋼錨梁及索道管各特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，檢查鋼錨梁高度、螺栓孔與預(yù)留孔道間距、結(jié)構(gòu)對(duì)角線尺寸等，用鋼尺復(fù)核結(jié)構(gòu)尺寸，各結(jié)構(gòu)尺寸偏差須小于3 mm。

鋼錨梁與鋼牛腿的組拼：拼裝在經(jīng)過(guò)調(diào)平的臺(tái)座上進(jìn)行。首先建立拼裝測(cè)量控制網(wǎng)，單節(jié)鋼錨梁預(yù)拼在場(chǎng)地上平行布設(shè)2 個(gè)平臺(tái)，調(diào)整平臺(tái)頂面高程，將鋼錨梁吊裝在平臺(tái)上并作簡(jiǎn)易固定，起吊兩側(cè)壁板進(jìn)行初步組拼。測(cè)量壁板尺寸和四角高差、錨固點(diǎn)高程、索道管與鋼錨梁軸線相對(duì)位置關(guān)系、壁板四角上下對(duì)角線長(zhǎng)度等，滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行鋼錨梁連續(xù)預(yù)拼。

連續(xù)預(yù)拼：將單節(jié)鋼錨梁整體起吊，與下一節(jié)鋼錨梁進(jìn)行對(duì)接，形成整體。測(cè)量項(xiàng)目除進(jìn)行常規(guī)的尺寸復(fù)核外，還要測(cè)量?jī)蓚?cè)壁板的累積高度和頂面的四角高差、傾斜度等，見(jiàn)圖3 所示。組拼完成后，在橫梁上標(biāo)示上、下層對(duì)應(yīng)軸線及特征點(diǎn)，作為塔柱上安裝測(cè)量的位置基準(zhǔn)。

圖3 鋼錨梁連續(xù)預(yù)拼圖

3 鋼錨梁定位測(cè)量

鋼錨梁和斜拉索區(qū)一般位于上塔柱，塔柱施工按爬模法分節(jié)段施工，其施工工序和鋼錨梁測(cè)量定位步驟如下：

（1）鋼錨梁底下塔柱施工→（2）基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)與測(cè)量→（3）鋼支架安裝定位→（4）剛牛腿、鋼錨梁安裝定位→（5）塔柱勁性骨架及鋼筋安裝→（6）塔柱模板檢查→（7）索道管三維位置復(fù)查→（8）澆筑混凝土監(jiān)測(cè)→（9）索道管竣工測(cè)量→（10）下一節(jié)鋼錨梁定位。

3.1 定位方法

由于主塔遠(yuǎn)離岸上控制點(diǎn)，鋼錨梁定位主要采用內(nèi)控法進(jìn)行。所謂內(nèi)控法[3]，是將全站儀架設(shè)在塔柱內(nèi)部的基準(zhǔn)點(diǎn)上，后視塔上另一基準(zhǔn)點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行鋼錨梁的定位。此處的基準(zhǔn)點(diǎn)，是指埋設(shè)在塔肢上，用來(lái)精確定位塔柱、鋼錨梁、鋼筋勁性骨架等設(shè)施且位置相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量控制點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)一般采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，焊接在勁性骨架或鋼管樁上，以消除儀器對(duì)點(diǎn)誤差。因此，基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)設(shè)及測(cè)量精度，成為鋼錨梁精確定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2 基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)設(shè)主要有GNSS 靜態(tài)測(cè)量法和邊角后方交會(huì)法。

3.2.1 GNS S 靜態(tài)測(cè)量法

GNSS 靜態(tài)測(cè)量法，是在塔頂基準(zhǔn)點(diǎn)上安置GNSS 衛(wèi)星接收機(jī)（至少2 臺(tái)），與南北兩岸的控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)測(cè)，解算基線進(jìn)行平差，得出基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。由于受到環(huán)境溫差、混凝土收縮徐變、風(fēng)力等因素的影響，高塔柱會(huì)有扭轉(zhuǎn)和變形，因此GNSS 靜態(tài)測(cè)量只適合在晚上塔柱變形最小時(shí)，才可進(jìn)行。

3.2.2 邊角后方交會(huì)法

邊角后方交會(huì)法是用帶有自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)、高精度的全站儀（測(cè)角精度0.5″）架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上，觀測(cè)岸上控制點(diǎn)的距離和角度，通過(guò)平差計(jì)算得到基準(zhǔn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。由于塔上基準(zhǔn)點(diǎn)和岸上控制點(diǎn)高差最大達(dá)330 m，邊長(zhǎng)投影改正最大約50 mm/ km，因此測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)往返測(cè)量邊長(zhǎng)斜距，將邊長(zhǎng)投影改化到相應(yīng)的高程面后進(jìn)行平差計(jì)算[4]。

邊角后方交會(huì)法要求基準(zhǔn)點(diǎn)與控制點(diǎn)間距離不宜大于1.5 km，夾角不應(yīng)小于30°，控制點(diǎn)不少于4個(gè)。

觀測(cè)技術(shù)要求[4]：

邊長(zhǎng)觀測(cè)：每邊觀測(cè)4 測(cè)回；一測(cè)回讀數(shù)較差限值為2 mm；測(cè)回間較差限值為3 mm；一測(cè)回是指全站儀盤左、盤右各照準(zhǔn)一次，每次讀數(shù)2～4 次；邊長(zhǎng)經(jīng)氣象、儀器常數(shù)、投影高程面改正后取平均值作為邊長(zhǎng)觀測(cè)成果。

水平角觀測(cè)：采用全圓觀測(cè)法分別照準(zhǔn)控制點(diǎn)，角度觀測(cè)6 個(gè)測(cè)回；半測(cè)回歸零差不大于4″；一測(cè)回內(nèi)各方向2C 互差不大于8″；同一方向值各測(cè)回互差不大于4″；各測(cè)回觀測(cè)結(jié)果取平均值作為水平角的最終成果。

3.3 首節(jié)鋼錨梁定位

首節(jié)鋼錨梁安裝前要對(duì)主塔進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。中塔柱施工完成后，塔柱高度已超過(guò)200m，考慮到日照、溫度、風(fēng)力等外部因素對(duì)塔柱的變形影響很大，首節(jié)鋼錨梁定位前須根據(jù)塔的變形情況對(duì)放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3.3.1 塔柱的變形監(jiān)測(cè)

在已竣工的每個(gè)上塔柱段的上、下游側(cè)埋設(shè)棱鏡，進(jìn)行48 h 連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)頻率為1 次/2 h，同時(shí)測(cè)量大氣、塔柱四面等環(huán)境溫度。利用兩臺(tái)全站儀同步觀測(cè)塔上棱鏡，固定設(shè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)，分別觀測(cè)從橫梁至上塔柱的所有埋設(shè)棱鏡，取兩臺(tái)儀器觀測(cè)值的平均值，作為塔柱變形測(cè)量的初始值。繪制縱、橫橋向塔柱的變形曲線，確定塔柱“零變形”狀態(tài)時(shí)的坐標(biāo)值，溫度和觀測(cè)時(shí)間。

3.3.2 基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)設(shè)

在塔柱“零變形”狀態(tài)的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行加密測(cè)量，基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)設(shè)應(yīng)采用兩種方法進(jìn)行校核。

3.3.3 鋼錨梁定位測(cè)量

首節(jié)鋼錨梁由四根鋼管樁來(lái)支撐，精確測(cè)量四個(gè)支撐管樁位置和高程，放樣出鋼錨梁和剛牛腿的設(shè)計(jì)位置（高程需考慮主塔壓縮量），并彈好墨線。起吊整節(jié)鋼錨梁，放在預(yù)先畫好的墨線上，運(yùn)用全站儀測(cè)量索道管錨固點(diǎn)和出塔口坐標(biāo)，反復(fù)調(diào)整鋼錨梁直至設(shè)計(jì)位置。

用“內(nèi)控法”定位鋼錨梁，放樣坐標(biāo)是不需修正的，因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)和塔柱的變形近似同步，可以實(shí)現(xiàn)鋼錨梁定位全天候作業(yè)。但為了進(jìn)一步提高定位精度，定位測(cè)量仍然選擇在塔柱“零變形”狀態(tài)下進(jìn)行。

3.3.4 索導(dǎo)管定位器

為了方便測(cè)量索道管錨固點(diǎn)和出塔口中心位置坐標(biāo)，根據(jù)索道管的型號(hào)尺寸，定做出相應(yīng)的索道管定位器，其錨固端口和出塔口分別為圓形和橢圓形，標(biāo)志出定位器中心，鋼錨梁定位時(shí)可直接測(cè)量出管口中心點(diǎn)坐標(biāo)，見(jiàn)圖4 和圖5 所示。

圖4 錨固點(diǎn)中心定位器之實(shí)景

3.4 鋼錨梁其他節(jié)段定位

鋼錨梁在制造和安裝時(shí)尺寸存在偏差，隨著塔柱高度的不斷增加，鋼錨梁定位偏差也逐漸累積加大。因此，當(dāng)鋼錨梁安裝到一定高度后（每5 節(jié)）要進(jìn)行糾偏。糾偏采用微調(diào)螺栓，在鋼錨梁分組對(duì)接牛腿位置，設(shè)置一批微調(diào)螺栓，根據(jù)測(cè)量的鋼錨梁實(shí)際傾斜、偏差情況，調(diào)整微調(diào)螺栓，控制鋼錨梁累計(jì)偏差。

圖5 出塔點(diǎn)中心定位器之實(shí)景

4 高程傳遞

在邊墩（26#、31#）墩身施工和主塔墩（28#、29#）下橫梁施工完成后，應(yīng)進(jìn)行水準(zhǔn)貫通測(cè)量，將岸上高程控制點(diǎn)加密至邊墩帽梁和主塔橫梁（承臺(tái)）上，測(cè)量方法為測(cè)距三角高程法[5]，見(jiàn)圖6 所示。

圖6 高程加密水準(zhǔn)傳遞示意圖

塔柱高程傳遞主要方法有：全站儀天頂測(cè)距法，懸掛鋼尺法，三角高程差分法等。測(cè)量時(shí)，通常要應(yīng)用兩種方法相互檢核。

4.1 全站儀天頂測(cè)距法

利用全站儀的光電測(cè)距功能，對(duì)處于同一鉛垂線上不同高程的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行垂直測(cè)距，則兩點(diǎn)間高差就是全站儀所測(cè)的豎直距離與儀器高度之和。

作業(yè)時(shí)，要保證棱鏡中心和全站儀中心在一條鉛垂線上。儀器高度測(cè)量可以采用水平視線法，把儀器安置好后放平望遠(yuǎn)鏡（天頂距為90°00′00″），從已知點(diǎn)A（點(diǎn)A 與設(shè)站點(diǎn)距離較近）處所立的水準(zhǔn)尺上讀取讀數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)從已知點(diǎn)A 到待求點(diǎn)a 之間的高程傳遞，消除了直接量取儀器高而帶來(lái)的測(cè)量誤差。施測(cè)時(shí)，應(yīng)多測(cè)回、多時(shí)段測(cè)量，取平均值以保證a 處高程測(cè)量的精度。

4.2 懸掛鋼尺法

在無(wú)風(fēng)、氣溫穩(wěn)定狀況下，在鋼尺上懸掛一個(gè)15 kg的重物，水準(zhǔn)儀測(cè)量下橫梁A 處水準(zhǔn)尺的讀數(shù)和豎直懸掛塔身上的鋼尺的讀數(shù)，測(cè)得橫梁至塔身的高差，從而將下橫梁點(diǎn)A 的高程傳遞到塔身上面。如圖7 所示，塔身B 點(diǎn)處的高程為：HB=HA+a+（a1-b1）-b。高差測(cè)量讀數(shù)四次，取其平均數(shù)。計(jì)算高差時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鋼尺的尺長(zhǎng)改正。

圖7 懸掛鋼尺傳遞高程法示意圖

4.3 三角高程差分法

三角高程差分法，是在一高程控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，利用單向三角高程法，測(cè)量塔柱下橫梁上高程控制點(diǎn)的高程。因?yàn)榍驓獠畹木壒剩瑴y(cè)出的高程值與原高程值存在差值△h，可根據(jù)△h反算大氣折光系數(shù)K，改正儀器內(nèi)的系數(shù)K值，再次測(cè)量高程直到接近目標(biāo)高程后，方可進(jìn)行高程傳遞。

以28# 主塔為例：全站儀架設(shè)在26# 墩頂高程點(diǎn)，精確量取儀器和棱鏡標(biāo)高度，單向測(cè)量26# 墩頂高程點(diǎn)至28#下橫梁控制點(diǎn)間高差h。根據(jù)下述公式計(jì)算K值：

式中：h為兩點(diǎn)實(shí)測(cè)高差；△H為兩點(diǎn)間理論高差；D為兩點(diǎn)間水平距離；R為地球平均曲率半徑。

由于K值隨著大氣的狀況不同而變化，在日出后及日落前2 h 內(nèi)，K值變化劇烈，不宜進(jìn)行三角高程差分測(cè)量。在主塔高程傳遞過(guò)程中，要每0.5 h 進(jìn)行一次差分計(jì)算，確保K值選取準(zhǔn)確。

5 鋼錨梁竣工測(cè)量

鋼錨梁安裝完成后，需要進(jìn)行竣工測(cè)量。竣工測(cè)量方法與定位測(cè)量方法相同，在對(duì)鋼錨梁定位的同時(shí)，運(yùn)用索導(dǎo)管定位器，對(duì)上一節(jié)段已灌注混凝土索道管的錨固點(diǎn)和出塔點(diǎn)進(jìn)行竣工測(cè)量，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。若偏差超限，應(yīng)查明原因，在下一節(jié)段進(jìn)行糾偏。

6 結(jié) 語(yǔ)

滬蘇通長(zhǎng)江大橋主塔鋼錨梁定位方法實(shí)用，精度可靠。從竣工測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，索道管錨固點(diǎn)、出塔點(diǎn)偏位、鋼牛腿，以及鋼錨梁高程均滿足設(shè)計(jì)要求。鋼錨梁的安裝定位結(jié)合施工條件和外界環(huán)境，定位精度高，為后續(xù)鋼梁架設(shè)，斜拉索安裝，斜拉索索力調(diào)整提供了技術(shù)保障，保證了施工按時(shí)完成。該方法在兩主塔墩的成功應(yīng)用，為其他同類橋梁及類似工程應(yīng)用提供了技術(shù)指導(dǎo)和借鑒作用。