滬蘇通長江公鐵大橋塔梁同步施工線形測量技術

顧惠明

中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050

斜拉橋塔梁同步施工是指在橋塔尚未封頂前，按輪次分節交替施工橋塔、架設主梁并掛設斜拉索，形成多工點立體并聯作業。與傳統先橋塔封頂后架設主梁工法相比，塔梁同步施工可有效縮短工期［1］。該工法的主要難點在于施工過程中塔、梁線形測量及控制，特別是跨徑大、恒載重、對施工精度要求高的大跨度公鐵兩用斜拉橋［2］。由于塔柱、懸臂鋼梁整體剛度較弱，在施工狀態下因受荷載、索力不均等因素影響塔柱和鋼梁產生顯著變形，增加結構定位及線形控制的難度。已施工主塔、鋼梁節段的累積線形偏差直接影響下一節段施工，需充分掌握其變形規律，并基于可靠的測量手段精確修正線形偏差。同時，在寬闊水域中測距較遠，常規全球定位系統（Global Positioning System，GPS）靜態測量方法誤差大，難以滿足大跨度橋梁定位精度需求。

針對上述問題，依托滬蘇通長江公鐵大橋提出線形測量技術方案及控制要點，并通過實橋數據驗證其可行性。

1 工程概況

滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋采用雙塔五跨連續鋼桁梁斜拉橋，跨度布置為（140+462+1 092+462+140）m，見圖1。

主梁上、下層橋面分別搭載6車道公路及4線鐵路。主塔采用鉆石形鋼筋混凝土結構，見圖2。塔身為C60自密實混凝土，下游側中塔柱上設置27 000 kN·m附壁塔吊。承臺頂以上塔高為330 m，下橫梁頂面以上塔高為270 m。

圖1 主航道橋橋式布置（單位：m）

圖2 主塔結構示意（單位：m）

主梁采用三主桁N形桁架形式，上層橋面為正交異性板結構，下層橋面為鋼箱結構［3］。主梁桁高16 m、桁寬35 m，節間長度14 m，見圖3。主航道橋共164個節間，主梁標準節段由兩個鋼梁節間組成。主航道橋設計采用432根直徑7 mm 2 000 MPa級平行鋼絲斜拉索，最大索長576 m，最大索質量83.5 t［4］。

圖3 主航道橋標準節段鋼梁橫斷面（單位：cm）

主航道橋主塔分55節（含塔冠）施工，上塔柱第39節混凝土澆筑完成且鋼錨梁定位完成后，張拉首層斜拉索，開始塔梁同步施工，如圖4所示。

圖4 塔梁同步施工

在一個塔梁同步施工周期內，掛索施工滯后于主塔施工3個節段。施工上塔柱高6 m標準節段過程中同步定位安裝兩層鋼錨梁，鋼梁標準節段吊裝過程中同步掛設斜拉索；架梁吊機前移后，繼續掛設后方錨拉板處斜拉索，最后張拉到位。測量主塔時應保證斜拉索不掛設張拉，架梁吊機處于非起吊或走行狀態，斜拉索張拉時應保證橋面荷載分布恒定［5-6］。

2 塔梁同步施工線形測量重難點

1）測量工序多，測量時現場要求高

塔梁同步施工過程中，主塔塔身、鋼錨梁、鋼梁測量工序多，定位安裝精度要求高。主塔主要測量內容包括：①主塔已澆筑節段測量、主塔施工節段勁性骨架安裝測量；②斜拉索張拉前后、索力調整后以及架橋機走行前后主塔測量；③鋼錨梁安裝測量及索導管定位測量；④塔柱模板安裝測量。鋼梁主要測量內容包括：①架梁吊機走行前后、斜拉索張拉后以及索力調整后鋼梁線形測量；②鋼梁節段吊裝完成后鋼梁高程測量。

2）主塔線形影響因素多，高空遠距測控難度大

上塔柱高120 m，水平剛度較弱，引起主塔線形偏差的主要因素包括：①主跨、邊跨鋼梁自重和梁面荷載差異引起的縱向塔偏；②拉索索力不均引起的塔柱空間撓曲及扭轉變形；③主塔不平衡荷載引起的塔柱空間撓曲變形；④施工期混凝土收縮徐變作用引起的塔柱空間撓曲變形。

塔梁同步施工階段，主塔變形主要表現為縱向塔偏。已施工的主塔在出現縱向塔偏時，后續節段順接將進一步放大偏離量，必須頻繁測量修正。現場需在主塔非垂直狀態下施工放樣過程中進行坐標計算、復測控制。同時由于江岸測量控制點與橋塔距離過遠，采用傳統定位測量方法精度難以滿足設計要求。

3）大節段鋼梁懸臂架設及合龍線形控制難度大

鋼梁大懸臂狀態下整體線形受索力、臨時荷載和墩頂起頂量影響顯著，塔柱和梁面臨時荷載需頻繁統計并控制，預偏、糾偏難度大。主跨、邊跨鋼梁自重存在差異，為減小塔根縱向彎矩進而減小上塔柱縱向塔偏，需考慮配重控制。

3 塔梁同步施工線形測量實施路線

為確保測得的線形數據準確，測量作業需在風力不高于6級且環境氣溫相對恒定的夜間進行，保證塔上、梁面荷載以及索力無變化，即滿足“靜態”條件。塔柱節段內預埋一系列棱鏡作為定位觀測點，塔頂基準控制點三維坐標利用平距差分法、天頂投點法等方法測量，并通過基于圖像識別的塔偏測量系統進行數據復核，再根據實測塔偏對施工節段塔柱特征點坐標進行修正。以塔頂基準控制點坐標反算塔頂結構物如鋼錨梁、索導管、勁性骨架以及模板的定位坐標。可通過采集懸臂梁端后方兩個節段的節點三維坐標，推算梁端拼接口前后相對拱度和整體線形。

4 主塔線形監測

4.1 測量控制網的建立

圖5 測量控制網布置

主航道橋施工期間，主墩施工測量以首級控制網控制點作為基準，控制網布置如圖5所示。施工控制點分布于主航道橋南側大堤、北側水上平臺處，除南側大堤處設置兩個專用平面控制點外，其余施工控制點均兼作平面及高程控制點。

主塔在江中開闊水域，與現有岸邊首級控制網控制點最近距離約840 m，無法滿足施工規范和設計精度要求，須按照點位功能在不同施工區域（水上平臺、橋墩承臺頂）增設施工控制點（即加密測點），縮短視距。所有施工控制點處均安裝強制歸心裝置，減小對中誤差［7-8］。每次測量先對多個后視點坐標進行復核，然后進行測量。29#墩承臺頂面上下游各設置一個強制歸心控制點，作為主塔線形測量的后視點。在28#墩、29#墩兩座主塔上下游塔柱鐵路面位置增設施工控制點，作為鋼梁線形測量控制點使用。

4.2 塔偏測量施工控制點布置與坐標推算

由于邊跨、中跨鋼梁不平衡力矩作用，上塔柱將產生縱向偏位。為保證成橋狀態塔柱鉛直，線形滿足設計要求，在塔梁同步施工過程中需修正塔頂鋼錨梁、索導管等結構的定位坐標，確保已掛索塔柱節段上方的自由節段順接，使得主塔回歸理論位置時呈鉛垂狀態。

自塔柱下橫梁施工開始，依次在下橫梁第9節、中塔柱第22和32節、上塔柱第34節以及塔頂節段設置20 cm×20 cm預留孔埋設棱鏡，作為主塔線形測量的施工控制點，如圖6所示。各棱鏡定位于相應節段上、下游側塔身中軸線上。通過天頂投點法復核塔頂基準控制點坐標，由施工控制點數據擬合形成主塔偏位曲線，再按割線法推算出待施工節段施工控制點的三維坐標，從而實現對理論設計坐標的修正，可指導后續塔頂結構物的定位施工。

圖6 塔偏測量施工控制點布置

主塔中塔柱第36節澆筑完成后，塔肢側方附壁塔吊標準節及吊臂拼裝就位，會造成主塔約2 cm側偏，故需在中塔柱第35節施工完成后測量其下方各預設棱鏡原始坐標，修正后續施工狀態塔柱測量結果。

塔柱線形測量過程中架梁吊機處于非工作狀態，附壁升降梯應落至最底部。附壁塔吊不得進行吊裝作業，塔吊吊臂應垂直于橋軸線且前端指向塔肢內側。

4.3 塔柱遠距離測量

先采用兩臺全站儀分別對施工控制點觀測4個測回，測回間坐標分量之差應小于3 mm。當坐標分量之差超限時應增加測回數，并剔除超限數據。然后分別觀測主塔上下游側所有棱鏡，繪制主塔線形曲線，并記錄觀測時間、環境溫度等信息。

上塔柱施工節段平面投影坐標測量采用平距差分法，如圖7所示。其中：l1、l2分別為28#、30#墩墩頂承臺施工控制點距雙面棱鏡處施工控制點的水平距離。

圖7 平距差分法觀測示意

測量具體方法為：①首先在待測主塔（29#墩處）承臺頂面測點處設置雙面棱鏡，然后在對側的28#主墩和同側的31#邊墩承臺頂面測點處采用全站儀觀測雙面棱鏡，并將實測平距之和（l1+l2）、橋軸線偏差和基準值進行差分修正，有效控制平面測量誤差。②通過天頂投點法，先將投點中心設在塔柱幾何中心，然后再觀測待測主塔塔身及塔頂上的棱鏡，確定各棱鏡處坐標，包括塔頂基準控制點坐標。③根據實際線形修正塔頂主要結構物理論三維坐標后，采用交會法或GPS靜態測量法確定施工節段鋼錨梁、索導管、勁性骨架及模板安裝位置

4.4 塔偏測量

塔梁同步施工過程中主塔會發生動態變形，為輔助測控塔柱變形狀態，研發了基于圖像識別的塔偏測量系統。該系統主要由高性能處理器、圖像采集裝置、長焦鏡頭、云臺、特征標志件、測距模塊、數據傳輸模塊和分析軟件組成［9］。在橋塔上塔柱既定位置設置標靶，通過在承臺頂面搭設高精度攝像儀（天文級折光長焦鏡頭）對橋塔縱橫橋向變形進行實時巡測。標靶標記點成像位置與基準圖像中的對應位置發生變化時，系統自動分析標記點的位移，并實時顯示主塔上多點縱橫橋向位移時程曲線，并與預設的閾值進行對比。若超過閾值系統自動報警，從而實現變形預警功能。該系統測量精度不低于1 mm，有效測量距離不小于300 m，通過全天候跟蹤測量，可有效校驗主塔線形人工測量結果。

第52節塔柱澆筑完成后實測的塔頂最大縱向偏位為29 mm（圖8），方向朝南（即朝邊跨側）。上塔柱變形趨勢穩定，線形平順，傾斜度小于1/3 000，線形控制結果滿足設計要求。

圖8 懸臂架設至E68節間、中跨合龍后鋼梁線形對比

5 鋼梁線形測量

5.1 大節段鋼梁懸臂架設線形測量

大節段鋼梁懸臂架設過程中鋼梁線形的有效控制既是塔偏控制的基礎，也是精準合龍的前提條件。一般通過調整梁面荷載和斜拉索索力分布實現糾偏［10］。

測量懸臂梁段三桁上下弦的軸偏時，以主墩頂梁面幾何中心點為坐標原點，以對側主墩梁面幾何中心點作為后視方向建立相對坐標系進行測量。

為減少環境氣溫及日照對線形測量結果的影響，準確反映鋼梁實際位置，鋼梁各種狀態下的測量作業均在夜間23：00～05：00進行。在鋼梁節段整體吊裝到位并焊接后，測量該節段及后方不少于兩個節段的三桁上下弦共12個節點的三維坐標，擬合鋼梁線形。測量時還應詳細記錄當前架梁吊機的位置、環境氣溫、鋼梁表觀溫度和梁面荷載分布情況。

5.2 合龍線形測量

在梁面、塔上荷載基本不變的情況下，合龍前1～2 d連續測量南北兩個合龍口鋼梁姿態。跨中合龍前在懸臂梁段三桁上下弦合龍口設置里程、中線標志點，24 h連續測量，記錄標志點三維坐標以及懸臂梁段總體線形，并繪制撓度-溫度-時間圖、軸偏-溫度-時間圖以及與合龍口相鄰的6個節點里程-溫度-時間圖。分析因環境溫度及日照變化引起的合龍口姿態變化規律，找到最佳合龍時機，并確定懸臂梁段縱向頂推距離。根據現場實測數據，通過張拉斜拉索、梁面配重等措施調整主梁線形，確保合龍口兩側鋼梁線形平順、一致。

鋼梁合龍后，對全橋所有鋼梁節點的三維坐標進行一次通測。橋面附屬結構施工、成橋索力調整階段，按照監測要求對部分鋼梁節點有針對性地測量，監測鋼梁線形的變化情況。

懸臂架設至E68節間、中跨合龍后鋼梁線形對比見圖9。在懸臂架設階段，由于受力狀態與成橋狀態差異大，且制造誤差不斷累積，鋼梁中桁上下弦最大軸偏為45 mm，發生在懸臂梁段中部，滿足軸偏不大于L/5 000（L為懸臂梁段長度，475 m）的設計要求。中跨合龍后，索力進一步優化調整，鋼梁應力重分配，鋼梁中桁上下弦最大軸偏回歸至30 mm，總體線形特征與施工階段基本一致，側面證實了塔梁同步施工過程中鋼梁線形控制的必要性。

圖9 懸臂架設至E68節間、中跨合龍后鋼梁線形對比

6 結語

滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋自2018年12月27日開始第35節塔柱施工，2019年7月7日塔冠封頂，2019年7月18日南側輔助跨合龍。在塔梁同步施工期間，塔頂最大縱向偏位為29 mm，滿足傾斜度不大于1/3 000的設計要求。鋼梁中桁上下弦最大軸偏45 mm，滿足不大于L/5 000的設計要求。各項成橋實測數據有效驗證了塔梁同步施工測量技術的可靠性，可為后續大跨度斜拉橋相關測量技術研究提供參考。