滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網復測分析

鄭 強，李劍坤

（1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050）

隨著過江通道建設需求的日益增長，單純以公路或鐵路形式過江的項目在建設成本、通道資源利用、結構剛度等方面已不具優勢，而更多項目則以公鐵合建過江方式建設。公鐵大橋能充分發揮鐵路橋和公路橋豎向、橫向剛度互補的優勢，且能充分合理地利用土地、河流和空間等資源，具有良好的經濟性，在技術上也具有可行性[1]。施工控制網是直接用于公鐵大橋項目建設的測量基準，具有使用周期長、穩定性要求強、精度要求高等特點，在長達數年的建設過程中，需對施工控制網進行定期復測，且復測周期不應超過1 a[2]。國內諸多測繪工作者以項目為載體，圍繞施工控制網復測進行了研究，如吳迪軍[3-5]等以港珠澳大橋為例，針對首級控制網復測原則、方法和技術要求以及成果比較、穩定性分析方法等關鍵問題，得出特大型跨海橋梁工程首級控制網復測的若干結論；成益品[6]等以深中通道島隧工程首級施工控制網復測為例，從技術設計、測量實施和成果比較等方面總結了經驗；郭保[7]以東天山特長隧道施工控制網為例，從穩定性分析入手，很好地判斷了控制點的穩定性狀況，對橋梁工程施工控制網同樣具有借鑒價值；李忠峰[8]等基于誤差理論方法提出了不同算法，解決了施工控制網起算點可靠性的問題；黃海南[9]圍繞特大型橋梁施工控制網復測和施工期沉降觀測關鍵技術開展研究，在穩定性分析、復測周期、沉降觀測方法等方面有所收獲。

綜上所述，公鐵大橋施工控制網的穩定性、成果的可靠性是確保項目順利建設的重要基礎條件。相對于公路、鐵路、隧道等項目而言，本文研究的滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網使用周期更長、精度要求更高、所處區域地質條件和周邊環境更復雜，因此整個復測階段需解決的問題更多，所積累的經驗對類似工程施工控制建網和復測更具有參考與借鑒價值。求，分別于2015年4月、2016年10月、2017年11月和2018年12月組織開展了4次大橋施工控制網復測[11-15]。滬蘇通長江公鐵大橋施工平面和高程控制網示意圖如圖1、2所示。

圖1 滬蘇通長江公鐵大橋施工平面控制網示意圖

1 項目概況

滬蘇通長江公鐵大橋北起江蘇南通、南至張家港，全長11.072 km，其中正橋長5.827 km、南北岸引橋長5.245 km、跨江主跨1.092 km，是世界上首座“4線鐵路+6車道公路”、主跨超千米的公鐵兩用斜拉橋。大橋的主要特點表現為“高、大、新”，即“世界最高公鐵兩用斜拉橋主塔”、“跨度大、體積大”和“運用了一大批新材料、新結構、新設備、新工藝”。大橋建設期間，30余名院士到現場指導工程建設，克服了一系列困難，在橋梁建造技術方面取得了重大突破，實現了5個“世界首創”，在我國乃至世界鐵路橋梁建設史上具有里程碑意義[10]。滬蘇通長江公鐵大橋于2014年3月1日動工建設，2020年7月1日建成通車。

圖2 滬蘇通長江公鐵大橋施工高程控制網示意圖

2 施工控制網建設和復測情況

滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網于2014年初完成建網，并通過專家評審驗收。為確保項目建設期內控制基準的穩定性，滿足橋梁工程施工放樣的高精度要

2.1 施工控制網建網和復測內容

滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網建網階段的主要工作包括起算資料收集與聯測、大橋控制網布設以及平面、高程測量。各次復測階段的主要工作包括對平面、高程控制網進行同等級復測以及對點位穩定性進行分析。具體工作情況如表1所示。

表1 滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網建網和復測內容

2.2 復測原則

控制網復測的原則為：①控制網復測宜在精度與等級設計、儀器設備、觀測方案等方面與建網相同；②控制網位置、方向、尺度與高度基準需與建網保持一致。

3 施工控制網復測技術標準

3.1 平面控制網復測技術標準

3.1.1 精度設計

平面控制網復測根據TB 10101-2018《鐵路工程測量規范》中一等GPS網精度要求，按靜態相對測量模式設計與觀測。主要技術要求如表2所示。

表2 GPS控制網測量的主要技術要求

3.1.2 外業觀測

為了保證控制網成果的質量和精度可靠，觀測作業需嚴格按TB 10101-2018《鐵路工程測量規范》要求執行。

3.1.3 數據處理

1）基線解算。外業觀測結束后，采用TBC軟件解算基線，并從重復基線、同步環和異步環長度、坐標閉合差等方面進行限差驗算，以剔除超限數據。當所有基線均滿足要求后，方可供內業平差使用。

2）平差計算。利用COSA平差軟件進行平面控制網平差計算。平差時選取獨立基線，分別在WGS84坐標系、工程坐標系下進行三維無約束平差和二維約束平差，并通過固定穩定、可靠的起算點計算得到其他控制點在工程坐標系中的成果。

3.2 高程控制網復測技術標準

3.2.1 精度設計

高程控制網復測按GB/T 12897-2006《國家一、二等水準測量規范》中二等水準測量精度進行技術設計與規范觀測。

3.2.2 外業觀測

1）陸地水準測量。采用數字水準儀及其配套測尺按測段進行往返觀測，構成若干個陸地水準閉合環。水準測量中往返測高差較差、附合或環閉合差限差為（F為水準測量的環線或路線長度，單位為km）[16]。觀測過程需嚴格按相關規范要求執行。水準測量視線長度、高度和觀測限差規定如表3所示。

表3 二等水準測量視線長度和高度

2）跨河水準測量。跨河水準測量共布設5條跨河線，均采用TB 10101-2018《鐵路工程測量規范》中二等測距三角高程法施測。跨河線場地布設為平行四邊形，采用高精度全站儀及其配套水準尺、覘標燈對向觀測，通過專用軟件自動生成外業觀測記錄。①距離測量，北叉和人工島跨河線邊長采用兩臺全站儀同時進行對向觀測，南叉跨河線邊長通過GPS測量坐標，計算跨河點距離，具體技術要求和觀測限差如表4所示；②垂直角測量，各測回垂直角測量限差為指標差互差≤8″，同一標志垂直角互差≤4″。

表4 距離測量的技術要求和觀測限差

3）限差規定。跨河水準測量視線距離水面要求不得低于2 m，且需滿足規范要求的視線高；內業計算的限差主要包括每條邊各測回間高差互差限差、環閉合差限差，且滿足GB/T 12897-2006《國家一、二等水準測量規范》中跨河水準的相關要求。

3.2.3 數據處理

采用COSA平差軟件對高程控制網進行整體嚴密平差，以穩定已知控制點為施工高程控制網復測的起算數據，且平差結果須滿足每千米水準測量偶然中誤差的限差要求。

4 施工控制網復測成果比較與分析

本文通過滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網的4次復測，對項目建設期內施工控制網的穩定性進行了全過程監測；從平面和高程兩個方面分別對各期成果進行了逐次比較。

4.1 各次平面復測成果比較

本文將平面控制網建網與各次復測成果進行比較，以此作為平面控制基準穩定性和控制點成果可靠性的分析依據。各次平面控制網成果比較結果如圖3～6所示。

圖3 第一次復測與建網平面成果比較

4.2 各次高程復測成果比較

本文將高程控制網建網與各次復測成果進行比較，以此作為高程控制基準穩定性和控制點成果可靠性的分析依據。各次高程控制網成果比較結果如圖7～10所示。

圖7 第一次復測與建網高程成果比較

4.3 各次復測成果分析

通過各次平面與高程控制網復測成果比較，并結合各次成果中變化較大的控制點所處位置和環境等情況，分析可知：

1）項目施工控制網在建設期內受破壞情況較嚴重，受破壞的控制點達到15個，占建網控制點數量的45%。

2）各次控制點復測后均存在平面控制點成果差異較大的情況，各次復測平面控制點坐標變化值差異統計如表5所示。

表5 各次復測平面控制點坐標變化差異統計

3）各次控制點復測后均存在高程控制點成果差異較大的情況，各次復測高程控制點坐標變化值差異統計如表6所示。

圖4 第二次復測與第一次復測平面成果比較

圖5 第三次復測與第二次復測平面成果比較

圖6 第四次復測與第三次復測平面成果比較

圖8 第二次復測與第一次復測高程成果比較

圖9 第三次復測與第二次復測高程成果比較

圖10 第四次復測與第三次復測高程成果比較

表6 各次復測高程控制點坐標變化差異統計

4）通過對差異較大控制點的基礎、環境、所處位置等情況進行綜合分析發現，其主要原因在于：①受施工期間重載車輛、橋墩基礎施工以及其他土建施工等外界因素影響，控制點受到擠壓，控制點所處基礎發生變形；②部分新埋設控制點位于新建大堤，大堤基礎處于沉降穩定期，存在大堤整體沉降，導致部分高程控制點成果差異較大；③受墩身施工影響，江中主塔自身荷載一直在增加，導致塔座高程控制點持續下沉；④部分高程控制點差異由測量誤差和起算點差異所致。

5 結語

1）橋梁工程施工控制網具有長周期、高精度的應用需求，在建網選點過程中需確保控制點所處基礎的穩定性，同時應確保控制點處于施工影響、外界環境干擾區域外，以保證控制點滿足長期、穩定的應用要求。

2）通過項目實測與成果比較可知，案例項目在建設期內控制點破壞較嚴重，通過檢核與分析，同時選用合適的起算點，保證了建設期內控制網基準的穩定與一致，確保了項目的順利建設。因此，復測外業工作完成后，需對影響控制網基準的起算點穩定性進行檢核，確保起算點的成果可靠，以此保證測量基準在建設期內的一致性，避免控制網復測成果與既有成果間出現系統誤差。

3）橋梁工程施工控制網是保證工程建設順利實施的基礎且重要的工作之一，與工程建設緊密相關。因此，控制點成果是否更新使用應根據施工進度、控制點成果差異等情況綜合考慮。

4）施工控制網的復測與成果選用是一個發現問題、解決問題的過程，因此在完成復測分析后，不僅需要對控制點成果的使用提出建議，還需要對控制點保護、加固和監測以及測量基準維護等提出合理化建議，從而更好地發揮控制點在整個項目建設期內的重要基準功能。