浅谈富民桥测量控制的研究

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摘要：介绍富民桥测量控制。工程概况，配置仪器，控制网的建立，对主塔、缆索、钢箱梁重点部位的测量控制研究、误差分析、以及解决空间体系施工线形测量问题的处理经验。

关键词：富民桥；测量；控制研究；误差分析；解决空间体系施工线形测量存在问题；

中图分类号：A715文献标识码： A

1、工程概况及说明：

富民桥工程位于天津市中心城区，海河两岸综合开发规划智慧城范围内。北起河东区的富民路，南接河西区的洞庭路。工程范围北起兰清道，经富民路跨过民安路、海河、台儿庄南路，下穿大沽南路，止于洞庭路，桩号范围K0+060.476～K0+990.000,全长929.524米。其中K0+403.807～K0+748.882为富民桥工程桥梁工程范围，桥梁分跨自起点至终点依次为（19+20+19.6）米（三跨混凝土连续梁）+（86.4+157.081）米（单塔空间索面自锚式悬索桥）+38.219米单侧悬臂混凝土框架结构），桥梁全长为340.3米（包括引桥部分长度）；富民桥主桥为单塔空间索面自锚式悬索桥，桥塔为独柱，主跨主缆锚于主梁的两侧，边跨主缆锚于地锚，形成一个稳定的结构体系。主跨主缆采用三维空间线形，在立面及平面皆为抛物线，边跨主缆采用一组（两根并排）缆索不加竖向吊索形式。

2、仪器的选择

针对测量技术要求采用主要测量仪器如下：

索佳NET1200型全站仪：

NET1200高精度三维测量仪器和SDR4000/SDR8100控制终端组成的高精度三维测量系统。是一款功能强大，操作简便的高精度三维综合测量系统。测角精度为±1"，采用绝对数码度盘。望远镜内载照明装置，即使在昏暗的环境中也能轻易照准目标。SDR4000/SDR8100控制终端内置有多种测量程序，不仅可被用于储存数据，还可以用于计算和现场分析数据。可以通过控制中断输入设计数据、设计程序，开始进行现场检测。MONMOS高精度三维测量系统以其卓越的精度、操作性能和机动性，广泛地应用于对大型物体、形状不规则物体的大小、变形、位移的测量和监控。在船舶、飞机、汽车、航空、隧道、大坝、桥梁、大型机械等行业都有卓越表现。

具体参数：

望远镜 放大倍率30× ；

测角部 最小显示： 0.5"/1"、精度：1" ，

补偿器： 自动双轴补偿器，补偿范围±3’ ，

测距部 测距范围 无协作目标 1.3m～40m、

RS90N-K反射片 1.3m～200m 、

1 CPS12反射棱镜 1.3m～350m，1 AP01反射棱镜 1.3m～2000m，

最小显示0.0001m/0.001m，

精度 无协作目标 ±（1+2×10ˉ6・D)mm 、反射片 ±（0.6+2×10ˉ6・D)mm 、1 CPS12反射镜 ±（1+2×10ˉ6・D)mm、 AP01反射棱镜 ±（2+2×10ˉ6・D)mm ；

3、控制网的建立

富民桥主桥为单塔空间索面自锚式悬索桥，主跨主缆采用三维空间线形，在立面及平面皆为抛物线设计新颖独特，测量技术及精度要求较高，各根据测绘院提供的控制点进行加密复核形成富民桥控制三维导线网；

3.1、 控制点网平面图：

3.2、控 制 网 平 差 报 告

3.2.1本成果为按[平面]网处理的平差成果

计算软件：南方平差易2002

平面控制网等级：四等，验前单位权中误差：5.0(s)

3.2.2、控制网中：

方向方位平距 XY点

待定20123

固定3

3.2.3、控制网中最大误差情况

最大点位误差 =0.0044 (m)

最大点间误差 =0.0082 (m)

最大边长比例误差 =26143

平面网验后单位权中误差 =4.21 (s)

[控制点成果表]

3.2.4、高程控制点往返闭合差=6mm≤12√1.1(三等水准测量)

3.2.5、控制点布置：

A3、D1、A6、D2控制点布置图

4、主要部位的控制测量研究

4.1主塔测量控制

4.1.1三维坐标系统的建立

用全站仪将平面控制测量和三角高程控制测量结合为一个整体称之为三维坐标控制测量。

一、全站仪平面控制测量系统的建立

全站仪平面控制测量系统的运用模式已经十分成熟，现将全站仪架设在已知控制点上，然后通过观测后视点来确定相应的方位角。

二、全站仪三角高程控制测量系统的建立

应用全站仪进行三角高程测量，以往的方法都是通过用小钢尺量取仪器高和目标高，不能随意取站直接测量，为了减少在量取仪器高和目标高的测量误差，提高实测效率我们可以采取全站仪的三维坐标功能解决有此带来的不便和测量误差所带来的影响，如图所示：

图中：D为A、B两点间的水平距离；

а为在A点观测B点时的垂直角；

i为测站点的仪器高，t为棱镜高；

V为全站仪望远镜和棱镜之间的高差；

HA为A点高程，HB为B点高程，C为全站仪望远镜高程。

1、传统方法：

全站仪望远镜的标高C=HA+i

此方法受HA点的限制和量取仪器高i所带来的偶然误差的影响。

2、新方法：

⑴ 已知棱镜高t , 用全站仪直接观测B点高程HB’

HB’=Dtanа-t

⑵全站仪望远镜的标高C

C=HB- HB’

将全站仪望远镜的标高C直接输入仪器高栏中。

三角高程系统建立完毕，结合了水准测量的任一置站的特点，又减少了三角高程的误差来源，同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高。使三角高程测量精度进一步提高，施测速度更快。

3、 结合全站仪将平面控制测量和三角高程控制测量

双后视法：

首先将全站仪平面控制测量系统建立，将目标高设置为实际高度，然后直接观测高程后视点通过三角高程新方法将改正数K输入到仪器高栏目中。全站仪三维坐标测量系统建立完毕。

4.1.2、 三维坐标的精度分析

三维坐标法放样精度为：

Mx2=MD2・sin2Z・cos2α+D2・cos2Z・cos2α・M2Z/ρ2+D2・sin2Z・sin2α・M2α/ρ2

MY2=MD2・sin2Z・sin2α+D2・cos2Z・sin2α・M2Z/ρ2+D2・sin2Z・cos2α・M2α/ρ2

MH2=MD2・cos2Z+D2・sin2Z・M2Z/ρ2

采用精度为MZ=Mα=2″、MD=2+2ppm的全站仪，当测站至放样点的距离小于280m时，Mx、MY、MH的精度可高于±5mm。三维坐标法放样在平面位置和高程方面是能够满足精度要求的。

4.1.3、三维坐标系统在富民桥主塔工程的应用

一、富民桥主塔工程概况

富民桥主塔工程设计形式新颖独特。主塔塔身采用钢筋混凝土结构，结构形式复杂，均为变截面,其中塔顶标高+58.698m，塔底标高+0.5m，混凝土塔身高度为58.198m。堤岸侧采用半径＝78.1m圆弧过渡，高度为28.65m,以上部分及海河侧均为P≈0.0233斜率延伸至塔顶。主塔横桥向宽4.6m，顺桥向塔底宽13.0m，塔顶宽4.793m。见图：

二、测量数据计算

全塔采用分层浇筑，共13层，主塔整体的测量精度取决于各层精度，所以每层都要严格控制，由于塔身为异型结构。采用三维坐标图可以完全解决分层面的三维坐标及结构尺寸。针对该塔柱特点，我们首先将塔柱模拟三维坐标图如下。

三、现场施测：

将全站仪建立在测站上，通过固定的平面点和高程点为后视方向进行定向，依次在塔柱轮廓点A、B、C、D、E、F、G、H角点处立镜，照准相应轮廓点处的反射棱镜，仪器立即显示出各点的三维坐标。

当全站仪的三维坐标测量系统建立完毕后。对已加固完毕的模板用全站仪进行三维坐标观测，通过计算机处理得出结论，帮助校正模板，使误差达到规范要求。每步主塔浇筑完成后对塔身进行复核，并记录测量的放样复核资料。主塔每步放样均遵循：先放样再施工后检核的方法，层层控制。对待测点进行全方位的三维坐标测量控制。目标高度可以随时调整简单便捷。

主塔顶面测量复核记录

主鞍底钢板测量记录

四控制成果：

1：塔顶面轴线偏位＜5mm；

2：塔顶高程＜5mm；

3：主鞍预埋底钢板高程＜ ＋3mm；

4：主塔垂直度 ＜ 1/3000。

控制成果满足设计和规范要求。

4.2钢箱梁的施工测量控制

4.2.1钢箱梁概况

富民桥工程钢箱梁工程范围K0+488.175~K0+681.657，全桥上共设置46片钢箱梁,使之形成三跨连续钢箱梁面系。

4.2.2、钢箱梁的定位

测量人员在栈桥平台上先放样出与钢箱梁顶面投影线和安装钢箱梁的轨道线，在轨道上标出纵向间断线。测量人员在栈桥平台上放样出钢箱梁两个节段划分线的正中点的轴向定位点，钢箱梁运送到现场后，经过吊装就位后经过轨道将钢箱梁输送到指定位置。

钢箱梁的分段安装钢箱梁的测量复核

4.2.3、分段钢箱梁高程控制

由于钢箱梁的设计时和加工是一个固定的，因此控制刚性量的地面高程就可以满足钢箱梁的顶面的高程控制要求，主要是考虑钢箱梁的高程预留值（此值有设计提供），我们采取索佳B1水准仪进行高程测量。

4.2.4、钢箱梁焊接前的最后复测

钢箱梁在焊接前进行最后的复测工作，平面及高程满足规范要求后进行钢箱梁的焊接，焊接前进行工序交接。上一道工序不满足要求严禁进行下一道工序。

4.3.5、钢箱梁调整中的注意事项

安装调整过程中，所有施工人员要服从指挥人员安排，要做到上下呼应，各个工位呼应，动作一致。箱梁顶面上的人员将测量结果及调整指令反馈给下面的施工人员，同时下面施工人员将下面的调整情况反馈给指挥人员。

4.3、缆索的施工测量控制

主缆由两跨组成。其跨径组成为86.4米+157.081米。主跨主缆理论跨径为141米，在设计成桥状态下，理论垂度为52.46米，度比约为1：5.376。锚固于主跨桥面系两端。边跨直接锚于3号重力式地锚上。主缆采用PPWS（预制平行钢丝索股）法编制，每根主缆由37股预制平行钢丝索股组成，每索股含有127根直径为5.2毫米的镀锌钢丝，紧缠后的直径为393.64毫米。

4.3.1、缆索线型

A、设计提供主缆坐标系设立原则:道路中心线为X轴,从小桩号到大桩号为正方向,0为主塔轴线处.桥梁的横向为Y轴,从上游到下游为正方向,0为主塔轴线处的桥面中心线.竖直向上方向为Z轴,其0点为绝对坐标0点(与标高相同)，两根主缆关于平面对称。

B、主缆模拟三维线形图：

4.3.2、缆索放样及监控:

A、在主缆安装前通过设计提供空缆坐标值反算成大地坐标及间距 ,当缆索的初始索股安装时通过对初始索股张拉并采用NET1200型全站仪（测角精度1″,测距精度0.6+2PPM,测距范围200米）的X、Y、Z三维坐标检测其初始索股线形。初始索股精确定位均遵循：放样施工测量计算分析修正施工复核的方法，严格控制。

在施工现场进行测量

B、主缆初始索股8号吊点的定位

在主缆初始索股安装过程中通过三维坐标新方法，测得初始索股8号吊点数据完全符合设计及监控要求。

C、索股安装完成后，以初始股为基准安装其余36根索股，主缆安装完成后进行复测。

主缆安装完成后线形复核测量

4.3.3、吊索安装及张拉：

下吊点位置通过NET1200型全站仪精确定位，当吊索安装完毕后通过全站仪检测缆索、钢箱梁的位置及高程变化，做好实测记录。上吊点位置为索夹上下端点，吊索经过3轮张拉，张拉顺序由1号～14号吊点依次张拉，使线型完全符合设计及监控要求。

正在进行主缆张拉主缆张拉完成后线形

4.3.4、涨拉完成后复核成果：

注：

A：坐标Z值＜ ±10mm ；

B：主缆索力平均差值为1.75KN ，＜ ±10KN ；

5、解决空间体系施工线形测量存在问题

对于空间索面悬索桥测量施工技术，目前国内外还没有一个成型的测量模式，对此类工程来说没有可以借鉴的施工经验。本项目测量组积极研发三维坐标测量技术，以解决富民桥高塔柱测量控制、主缆空间变位。研究方法将以理论推导、理论研究与实际分析相结合，以得到适用于富民桥工程自锚式空间悬索桥的测量控制。

6、小结

富民桥工程是天津市民心工程、重点工程，测量工作在工程中起到了至关重要的作用，为我们积累了宝贵的施工测量经验， 在以后遇到特大、复杂的桥梁工程时提供了可靠的测量精度保证。我们会不辱使命勇攀高峰、再接再励让我们为全市人民生活更加丰富做出不懈努力。