蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋主墩沉井測(cè)量與定位方法

李 杰

（1. 中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 南京 210015）

1 工程概況與施工方案

1.1 工程概況與地質(zhì)條件

蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋工程3 號(hào)墩沉井位于光板巖河床，采用設(shè)置沉井基礎(chǔ)，河床原高程為-14～-18.5 m，沉井基底設(shè)計(jì)高程為-25 m。3號(hào)墩沉井基坑區(qū)域最大爆破層厚度超過(guò)10 m，主塔設(shè)置沉井基礎(chǔ)總高度為19.5 m。3 號(hào)墩基礎(chǔ)采用沉井+鋼圍堰組合施工方案。沉井頂面設(shè)計(jì)高程為-5.5 m，其上接10.5 m 高的圍堰。沉井+鋼圍堰總尺寸為65 m（橫向）×35 m（縱向）×30 m（高），分為21個(gè)井孔，沉井、圍堰均為雙壁結(jié)構(gòu)，壁厚為2 m。沉井側(cè)壁底部0.8 m高度范圍為單壁刃腳。沉井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)圖

1.2 沉井總體施工方案

沉井基礎(chǔ)所在河床采用鉆孔爆破法爆破并開(kāi)挖至設(shè)計(jì)高程-25 m。鋼沉井在岸上制造，氣囊法下水，沉井在設(shè)計(jì)墩上游140 m 處初定位接高10.5 m 高圍堰，圍堰尺寸和壁厚與沉井相同。圍堰接高完成后，利用錨碇系統(tǒng)溜放沉井+圍堰至設(shè)計(jì)位置，再次對(duì)沉井+圍堰井壁內(nèi)注水下沉，最后通過(guò)錨碇系統(tǒng)和調(diào)平樁完成沉井的精確定位。

2 沉井定位前的主要測(cè)量工作

2.1 沉井基底水下地形測(cè)量

3 號(hào)墩基礎(chǔ)處河床地勢(shì)為西高東低、北高南低。基坑區(qū)域最大爆破層厚度超過(guò)10 m，采用水平分區(qū)，豎向一次性鉆孔爆破施工。水下地形測(cè)量采用GNSS-RTK配合測(cè)深儀進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量的方法。

2.1.1 GNSS-RTK無(wú)驗(yàn)潮基本原理

GNSS-RTK 測(cè)量是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)站三維定位坐標(biāo)，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。測(cè)深儀是一種聲吶測(cè)深設(shè)備，利用換能器在水中發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物而反射回?fù)Q能器時(shí)，根據(jù)聲波往返的時(shí)間和所測(cè)水域中聲波傳播的速度，輔以換能器吃水改正、聲吶波特率校正、實(shí)時(shí)水面高度以及測(cè)深儀船體姿態(tài)改正等誤差修正求得換能器底部至水底的距離。水下定位點(diǎn)的高程計(jì)算公式為：

式中，H0為水下定位點(diǎn)的高程；H 為測(cè)深儀換能器底部的高程；Z 為換能器底部至水下定位點(diǎn)的高度；h 為測(cè)深儀換能器底部到GPS天線的固定高差。

無(wú)論水面是否因潮水或波浪影響而升降， H0始終是某一時(shí)刻實(shí)測(cè)的水底面高程，只與RTK測(cè)量高程值H 和測(cè)深值Z 有關(guān)。因此，從理論上講，RTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深將消除波浪、潮位和動(dòng)態(tài)吃水的影響，是一種理想的水下測(cè)量方法。

2.1.2 外業(yè)施測(cè)

1）轉(zhuǎn)換參數(shù)采集。根據(jù)最新復(fù)測(cè)成果，利用軟件求取需要的七參數(shù)。把參數(shù)直接輸入測(cè)深儀，開(kāi)始工作前需對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)校正，從而求出WGS84坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。參與點(diǎn)校正的點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于4個(gè)。

2）水深測(cè)量計(jì)劃線的設(shè)計(jì)。根據(jù)3 號(hào)墩沉井的尺寸以及需要出圖的比例尺，按照水下地形測(cè)量規(guī)范布設(shè)計(jì)劃線的長(zhǎng)度和間隔，計(jì)劃線應(yīng)該按照長(zhǎng)江流向布設(shè)。計(jì)劃線按照長(zhǎng)度100 m，間距1 m布設(shè)。在地形變化大的地方測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的密度應(yīng)相應(yīng)增加，以便能真實(shí)反映水下地形的變化情況。計(jì)劃線需另存為dxf格式。

3）水深外業(yè)測(cè)量。在岸邊控制點(diǎn)架設(shè)基站，設(shè)置好基準(zhǔn)站和流動(dòng)站后需檢測(cè)兩個(gè)控制點(diǎn)，滿足規(guī)范要求才可進(jìn)行下一步測(cè)量。在距離船頭1/3～1/2 船長(zhǎng)處安裝換能器，換能器安裝示意如圖2 所示。換能器安裝入水深度設(shè)置為0.3 m，這主要是為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和航行時(shí)產(chǎn)生的浪花對(duì)回波造成的影響，從而導(dǎo)致測(cè)深不準(zhǔn)。在測(cè)深儀中設(shè)置好各種參數(shù)后，調(diào)入計(jì)劃線，根據(jù)導(dǎo)航指示沿著計(jì)劃線即可開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

圖2 換能器安裝示意圖

4）內(nèi)業(yè)后處理。打開(kāi)測(cè)深儀后處理軟件，選擇所測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HTT 與XYH 文件，再利用南方CASS 軟件處理水深數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和刪除。

2.1.3 水深測(cè)量質(zhì)量檢核

為了校核和修正測(cè)深儀測(cè)量結(jié)果，每次測(cè)深前后均需利用比對(duì)板或河床測(cè)量平臺(tái)、帶標(biāo)尺鋼管、吊船輔助對(duì)測(cè)深儀測(cè)深進(jìn)行比測(cè)。通過(guò)調(diào)整聲速，以得到最佳的測(cè)深效果。河床測(cè)量平臺(tái)與測(cè)深儀測(cè)量深度對(duì)比結(jié)果如表1 所示，監(jiān)測(cè)水深插值曲線如圖3 所示，可以看出，測(cè)深儀與河床測(cè)量平臺(tái)測(cè)量的水深誤差最大為0.14 m，滿足水深大于20 m時(shí)，允許誤差不得大于實(shí)際水深的1%的要求。

圖3 監(jiān)測(cè)水深插值曲線

表1 河床測(cè)量平臺(tái)與測(cè)深儀測(cè)量深度對(duì)比表/m

2.2 陸地組拼測(cè)量控制

陸地組拼第一節(jié)測(cè)量控制，主要是放樣沉井底節(jié)各分節(jié)段特征點(diǎn)和結(jié)構(gòu)尺寸的測(cè)量控制。沉井第一節(jié)制造前在制造廠區(qū)內(nèi)提前建立施工控制網(wǎng)，以沉井中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，上下游方向?yàn)閄 軸方向，垂直于上下游方向?yàn)閅 軸方向，高程基準(zhǔn)點(diǎn)利用船廠內(nèi)原有的基準(zhǔn)點(diǎn)。利用全站儀放樣得到沉井底口每個(gè)節(jié)段的特征點(diǎn)，并對(duì)沉井底口制造臺(tái)座進(jìn)行抄平，誤差控制在2 mm；同時(shí)在每個(gè)底座上設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)按照放樣點(diǎn)對(duì)第一節(jié)沉井進(jìn)行分節(jié)段拼裝，每節(jié)拼裝完成后均需利用吊線檢查沉井的垂直度。全部拼裝完成后，利用全站儀對(duì)沉井進(jìn)行檢查，檢定鋼尺進(jìn)行復(fù)核。為了對(duì)沉井進(jìn)行精確定位，根據(jù)沉井的結(jié)構(gòu)特征，本文在沉井的4 個(gè)軸線點(diǎn)和4 個(gè)角點(diǎn)做了8 個(gè)特征點(diǎn)，同時(shí)為了圍堰接高位置的準(zhǔn)確，測(cè)量人員還需在沉井頂口測(cè)放出圍堰各塊段角點(diǎn)。3 號(hào)墩沉井處爆破前的水下等深線如圖4 所示，爆破后的三維立體圖如圖5所示。

圖4 3號(hào)墩沉井處爆破前水下等深線

圖5 3號(hào)墩沉井處爆破后三維立體圖

3 沉井定位與下沉著床的具體控制

由于蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋主橋軸線為直線，為了現(xiàn)場(chǎng)施工放樣方便，新建橋梁施工坐標(biāo)系以橋軸線為X 軸，里程增加方向?yàn)閄 軸增加方向，數(shù)值與線路里程一致；以垂直于橋軸線方向?yàn)閅 軸，數(shù)值為距橋軸線距離，左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正。轉(zhuǎn)換后3 號(hào)墩中心施工坐標(biāo)為（508 631，0），如圖6所示。

圖6 施工坐標(biāo)示意圖

3.1 圍堰接高測(cè)量

在沉井接高前必須把底節(jié)沉井的頂部與上一節(jié)圍堰底部的特征點(diǎn)在沉井上標(biāo)示出來(lái)。接高過(guò)程中，將底節(jié)頂部與上一節(jié)底部的特征點(diǎn)對(duì)齊進(jìn)行分節(jié)段焊接即可，接高過(guò)程需進(jìn)行全程測(cè)量控制，重點(diǎn)是沉井各節(jié)段共線度的控制，保證沉井接頭不出現(xiàn)折角和錯(cuò)臺(tái)。首個(gè)塊段就位調(diào)整后與沉井頂口焊接連接。沉井豎向精度控制可在接高沉井頂部?jī)?nèi)壁和底節(jié)沉井水面以上內(nèi)壁同一軸線位置上，焊接兩個(gè)10 cm 長(zhǎng)的等長(zhǎng)鋼板，鋼板端頭處設(shè)置直徑為1 cm的圓孔，從上下鋼板的圓孔帶上弦線，測(cè)量弦線各位置到沉井內(nèi)壁的距離，以此調(diào)節(jié)沉井傾斜度（圖7）；現(xiàn)場(chǎng)也可采用激光投點(diǎn)儀檢查上下鋼板圓孔是否共線，使得接高沉井與底節(jié)沉井處于同一軸線。

圖7 弦線法傾斜度示意圖

3.2 沉井精確定位與下沉、封底測(cè)量控制

3.2.1 沉井精確定位

1）平面調(diào)整。定位時(shí)，通過(guò)GNSS-RTK 測(cè)量軸線點(diǎn)坐標(biāo)求取它們與橋軸線的夾角，即為沉井扭角。沉井下沉到位后，可直接采用GNSS-RTK測(cè)出沉井的頂面軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)；同時(shí)利用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行檢核，以保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。平面調(diào)整主要為平面扭轉(zhuǎn)調(diào)整和縱橫向位置調(diào)整（圖8），沉井發(fā)生平面扭轉(zhuǎn)時(shí)，主要通過(guò)邊錨錨繩調(diào)整；沉井橫向偏移采用前后拉纜調(diào)整。

圖8 鋼沉井扭轉(zhuǎn)測(cè)量示意圖

2）垂直度調(diào)整。沉井平面位置精確調(diào)整著床后，由于爆破后的河床不能保證水平，沉井著床后會(huì)產(chǎn)生傾斜，測(cè)量沉井上提前做好的特征點(diǎn)高程，通過(guò)高差與點(diǎn)之間的距離確定沉井的傾斜度；同時(shí)通過(guò)沉井內(nèi)壁調(diào)平樁調(diào)整沉井垂直度。沉井垂直度也可采用激光準(zhǔn)直儀檢查上下鋼板是否共線來(lái)復(fù)核。

3.2.2 沉井下沉測(cè)量控制

在沉井下沉的過(guò)程中，測(cè)量人員應(yīng)及時(shí)提交沉井的頂中心偏移、底中心偏移、刃角高程、扭角、傾斜等資料，前一段時(shí)間以糾偏為主，后一段時(shí)間以調(diào)整垂直度為主。沉井著床，通過(guò)錨碇系統(tǒng)精確調(diào)整平面位置，通過(guò)調(diào)平樁和鋼墊塊抄墊調(diào)整垂直度，無(wú)需進(jìn)行沉井周?chē)暮哟矝_刷測(cè)量。

1）頂面結(jié)構(gòu)中心。沉井點(diǎn)頂面結(jié)構(gòu)中心坐標(biāo)由同一軸線上的3#、7#和1#、5#點(diǎn)平均得出，當(dāng)較差在1 cm以?xún)?nèi)時(shí)，取二者平均值。

2）平面扭角。平面扭角通過(guò)比較直接測(cè)量的沉井軸線坐標(biāo)方位角與設(shè)計(jì)方位角得出，取兩軸線的平均值。

3）傾斜角。傾斜角由頂面4個(gè)點(diǎn)的高差計(jì)算得到。

式中，H 為測(cè)點(diǎn)高程；L 為測(cè)點(diǎn)間距離。

4）底面結(jié)構(gòu)中心。底面結(jié)構(gòu)中心坐標(biāo)由頂面結(jié)構(gòu)中心坐標(biāo)和傾斜角計(jì)算得到。假設(shè)頂面結(jié)構(gòu)中心坐標(biāo)為X0=0、Y0=0，橋軸線里程增加方向方位角為0°，右手垂直方向?yàn)?0°，角度順時(shí)針增加，建立一個(gè)假設(shè)坐標(biāo)系，則底面結(jié)構(gòu)中心坐標(biāo)為：

沉井底口中心坐標(biāo)也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)沉井三維立體模型旋轉(zhuǎn)移動(dòng)得到。旋轉(zhuǎn)模型如圖9所示。根據(jù)施測(cè)的頂面結(jié)構(gòu)中心施工坐標(biāo)，通過(guò)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算，得到底面結(jié)構(gòu)中心施工坐標(biāo)。沉井最終定位精度滿足設(shè)計(jì)要求（傾斜度小于1/100；頂、底中心位置允許誤差為25 cm；平面扭角允許偏差為1°）。3號(hào)墩沉井著床測(cè)量成果記錄如圖10所示。

圖9 3號(hào)墩沉井旋轉(zhuǎn)模型

圖10 3號(hào)墩沉井著床測(cè)量成果記錄

3.2.3 沉井封底測(cè)量控制

由于沉井下沉到位后沉井內(nèi)部的水位基本是靜止的，封底之前可直接利用測(cè)量繩配合測(cè)砣測(cè)量封底前的水下高程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，可選擇0.2 m縱向和橫向間距測(cè)量水下高程，可利用中海達(dá)HD280測(cè)深儀進(jìn)行檢核。

4 結(jié) 語(yǔ)

GNSS-RTK 結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀改變了傳統(tǒng)的水下測(cè)量作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到最后成圖的高度自動(dòng)化，大大提高了勞動(dòng)效率。本文在對(duì)蕪湖橋3號(hào)墩沉井進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)成功運(yùn)用了這一技術(shù)，既保證了測(cè)量精度，又提高了工作效率。3號(hào)墩沉井下沉著床精準(zhǔn)，沉井定位和下沉控制測(cè)量數(shù)據(jù)為沉井的最終著床提供了技術(shù)保障，對(duì)工期的推動(dòng)起到了積極作用。該方法在3 號(hào)墩沉井施工中的成功應(yīng)用，能為其他同類(lèi)橋梁和類(lèi)似工程應(yīng)用沉井基礎(chǔ)提供一定的借鑒。