悬索桥主塔、主缆测量难点分析及测量方法
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摘要： 武汉鹦鹉洲长江大桥地处市区中心，位于武汉长江大桥上游约2.3公里处，是规划的新内环线重要组成部分。其施工现场受地形、气候条件影响较大，桥梁横跨长江两岸，这使得在钢塔施工和基准索调索测量工作中，传统的精密水准测量和对向三角高程测量都变得不可行。为了解决这个难题，本文提出了一种基于单向三角高程测量的基准索线形测量新方法，它很好地解决了基准索股单向三角高程测量、边跨中跨跨度精密测量以及跨越江河峡谷的高精度二等水准测量等一系列难题，为施工的顺利进行提供了有力的保证。
Abstract： Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge located in the city center of Wuhan. It is about 2.3 kilometers to the upper reaches of Wuhan Yangtze River Bridge and it is an important part of the planning of the new link. Its construction site is affected by topography， climate conditions， and its bridge across Yangtze River. All of these make the traditional leveling and opposite trigonometric leveling become infeasible in the steel tower construction and benchmark cable adjustment. In order to solve this problem， this paper presents a new method of baseline cable alignment based on unidirectional trigonometric leveling. It is a good way to solve the standard cable strand one-way trigonometric leveling， the precision measurement of sidespan and midspan spans and high-precision second-class measurement of the rivers and valleys and other a series of problems to provide powerful guarantee for the smooth progress of the construction.
Key words： suspension bridge；fiducial strand；steel tower assembly；unidirectional trigonometric leveling
中图分类号：U448.25 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0163-04
0 引言
近年来，为了适应大跨越大型跨江工程以及跨海工程建设的需求，大跨径悬索桥方案在国内外桥梁建设设计被提出来，现作为武汉鹦鹉洲长江大桥的建设已投入到实际运用中。大跨径悬索桥的研究也是当前桥梁学科中最重要最活跃的领域之一。本文着重分析了大跨径悬索桥测量施工控制技术，来提高测量工作效率及测量精度。
1 工程概况
武汉鹦鹉洲长江大桥主桥为200+850+850+200m三塔四跨悬索桥，中塔2#位于长江中，结构为钢-砼叠合，下塔柱采用钢筋混凝土框架，上塔柱采用钢塔柱。中塔结构设计为门式结构，有上、下塔柱及上、下横梁组成。其中下塔柱及下横梁为预应力混凝土结构，上塔柱及上横梁为钢结构，塔高（从承台顶面算起）为152.0m，其中上塔柱钢结构高105.7m，混凝土塔柱高45m，塔座高1.3m。塔柱间中心距：在塔顶处36m，承台顶处40m，上塔柱斜率1：53.5，混凝土下塔柱竖直。上塔柱纵向呈人字形结构，高105.7m（从混凝土塔座中心算至鞍座底），塔顶高程为159.5m，塔柱两条斜腿中心交点的高程为+87.8m，两斜腿在塔底的叉开量为17m，斜腿段倾斜度为1：4。
2 高塔施工测量重点难点
2.1 高塔施工测量主要特点
①塔高、观测仰角大难于照准目标。
②自然条件差，天气影响大，夜间高空作业难度大。
③施工干扰严重，大气折光异常。
④温差、日照等引起高塔周日变形大。
主桥控制网中看出，最近的控制点DQ11距离2#墩中心有950m，采用全站仪坐标测量时存在以下缺点：1）由于外界环境综合因素影响，对测量效率、精度影响大；2）塔身施工线形监控采用常规测量方法无法保证成果的准确性。3）如在岸边设站测量，坐标测量值受江面大气折光、雾气等影响大； 4）塔身高程传递采用悬挂钢尺受外界环境影响大，采用三角高程测量无法进行对向观测，都难以保证测量规范精度。
针对鹦鹉洲长江大桥2#施工测量难点，结合不同施工段，我们采取了不同的测量方法和措施保证测量的精度。
2.2 平面施工控制网及加密
为了保证工程质量和方便施工结合本桥的特点建立专用施工控制网。首先在围堰下沉到位稳固后在围堰埋设4个加密控制点，其后保证T1、T2精准的测量相对精度，为此在下横梁顶预埋4个加密点。通过建立三角网，首先由主网加密SH05、XW08，再由此加密测量点XH06、SW07，最后进行严密平差计算。并在复测过程中，使用静态GPS测量，将加密点纳入主网进行复核。
2.3 高程传递方法
在桥建设中，塔柱高程传递是一项非常重要的基础工作。由于大桥施工在宽阔的江面上进行，其复杂的观测环境及现场施工的影响使得一般的高程传递方法在这里遇到了极大的困难，精度大大降低。对于该环境下的高程传递应使用特殊的测量方法。高程传递采用三角高程跨江水准测量（二等）法，将高程点传递到加密点上，当塔柱拼接到T4阶段及往后时，高程控制采用全站仪天顶测距法进行高程传递。
3 锚杆定位安装测量控制
定位架是锚杆现场定位的基础，定位架由立柱、平联、斜撑杆及锚梁组成。现场定位时首先安装底梁支架，然后采用限位器和千斤顶进行锚梁的初定位和精确定位，随后，接高定位架、吊装锚杆、锚杆精确定位。锚杆的施工质量直接关系到锚杆的锚固能力，只有保证施工质量才能提高锚固技术使用的可靠性，才能发挥锚固技术较大的经济效益。钢塔锚杆是钢塔拼装的基础，必须进行精确定位。
锚杆定位前，先定位安装定位架，定位架安装好以后，定位锚杆锚固用的锚梁和限位梁再进行吊装锚杆。在锚杆定位完成，进行下一步工序，绑扎钢筋，在混凝土浇筑前复测发现大部分锚杆出现位移，需要重新对锚杆定位，由此增加了测量人员工作量，造成施工进度上不去，工作效率低。分析原因有如下：
①锚杆固定使用钢板进行为一次性固定，若其它物品碰撞锚杆，导致钢板嵌入锚杆保护层使锚杆定位产生偏移；
②锚杆在精定位后，开始进行钢筋绑扎工作，波纹管穿设及模板拉杆安装等，部分钢筋、拉杆别住锚杆使锚杆产生偏移；
③锚杆安装时天气炎热，上午、中午和下午的温差较大，对测量仪器的精度产生影响。
针对上述情况制定对策：
1）优化锚杆固定方案；
2）安排专人进行现场跟踪，及时提醒施工人员不合理的施工对锚杆定位产生影响；
3）在气温较高情况下测量，并配备遮阳伞，防止因温度过高造成测量误差。
针对锚杆固定方式优化锚杆固定方案（在锚杆限位梁上安装锚杆固定及调节一体装置），优化示意图如下图1，使用与锚杆同等直径的钢管来固定锚杆，增加与锚杆的接触面积，防止因他物碰撞锚杆破坏锚杆保护层使其发生偏移。通过焊接在限位梁上的螺栓调整锚杆，大大提高了锚杆的精调效率。
4 钢塔施工测量及控制
4.1 钢塔拼装的特点
①制作现场要对钢塔各节段进行立式匹配拼装测量，测量的成果得纳入到现场坐标体系；
②钢塔拼装精度要求较高，防止误差累计造成调整节段调整困难，影响整体质量；
③各分节段拼装施工平面和高程精度要求高，必须解决测量过程中外界环境带来的影响；
④拼装测量的全部工作应该在夜间22：00至凌晨5：00完成。
在钢塔拼装施工时，塔柱节段的内外拼接板在该节段吊装安装之前就已预先拼装好，使得该节段在吊装之后，测量作业空间受到极大限制，架设三脚架不便，影响测量精度。此时为能更方便架设测量仪器，同时提高测量精度，特制定一个塔柱拼装专用强制对中盘如图2，施工架设方法如图3。
4.2 塔柱施工测量控制
T（n+1）节段底口对位Tn节段顶口，全站仪设站DQ11，后视DQ8，转点至上游侧顶口，仪器搬站至转点，后视DQ11，建站，以此控制T（n+1）节段。把小棱镜放置到横桥向轴线，首先将节段顺桥向调正；然后小棱镜放置顺桥向轴线，将节段横桥向调正。其间节段顺桥向会有变动，重新进行调正――如此反复，直至节段轴线与设计轴线重合，测量结果无误后，进行下一步施工。
5 主缆测量控制
5.1 主缆调整注意事项
①主缆架设时基准索股的测量与调整，是悬索桥主缆架设中最关键的一环。由于一般索股的垂度测定是以基准索股为参照基准，因此基准索股垂度调整的精度决定着整个主缆架设的精度，所以应严格控制基准索的垂度测量和调整精度。
②主缆架设前应选择气候条件较为稳定的时段测定裸塔时变形监测点的初始值。
③索股受温度影响很大，每次调整索股时必须测量索股与基准索股间的温差再可调整。
④测量时间尽量安排在夜间风速较小、无雨、雾、温度相对稳定的时间内，一般在晚上23：30至凌晨3：00完成。
5.2 主缆索股架设测量控制
主缆架设测量时应在桥址两岸各选择适当控制点2个，四台测量机器人在此分别设站，同步观测主缆上设置的棱镜及塔顶上下游监测点设置的固定塔偏监测用棱镜。
基准索股垂度调整方法是采用绝对高程法，根据基准索股跨中设计坐标及里程，测设基准索股边跨及中跨跨中点位，并刻划标志，安装棱镜夹如图4。利用全站仪双测站单向三角高程测量法，测量基准索跨中位置棱镜夹上两棱镜中心高程，然后换算出基准索中跨跨中高程，上下游基准索股高差；同时，还应测量塔顶偏移、索股温度等数据，将数据报监控单位用于计算索股调整长度并作温度和跨度修正。基准索股垂度调整完成后，应对其线形至少连续观测三个晚上。一般索股垂度调整方法是采用相对于基准索股进行垂度调整如图5。
一般索股相对垂度的调整，通常采用相对垂度法，即使用大型卡尺测定相对基准索股与一般索股的高差，并以基准索股为基准来调整一般索股，该法调整示如上图。在主缆索股的整个架设过程中，要经常对基准索股进行监控观测。在主缆架设1/3，1/2，2/3时都要仔细地测量，并做好记录进行比较。当实测1号基准索股与理论值存在较大偏差或不便测量时，启动第二根或第三根基准索，以替代基准索股作为后期索股架设的依据，以确保每一根索股相对于基准索的调整误差满足设计要求。
6 影响施工测量精度分析
6.1 影响全站仪天顶测距法高程传递因素
影响全站仪天顶测距法高程传递精度的因素主要有：①测量距离的误差；②常数测定误差；③设置铅垂线的误差；④水准测量高差的误差。
测量距离误差：气象代表性误差主要以比例误差的形式影响测距误差，通常1℃的温度误差对测距影响约为10-6。对于竖直传高，传递的高度在500m内。这个距离对于全站仪测距来说很短，因此该项影响可以忽略。
设置铅垂线的误差：理论位置（棱镜中心位置）与全站仪目镜中心在同一铅垂线上，如全站仪实际照准位置在棱镜上面有偏差，全站仪测距读数为D，实际高差就为H=D*cosα，设置铅垂线的误差为
ΔH=-Dsinα=-R
对于500m高程传递产生的误差为0.4mm的偏差，相对于带自动补偿功能的全站仪而言，这项误差影响很小。
对于水准仪测量的精度，瞄准和读数误差是产生误差的主要来源，为了减小误差可以缩短视距长度。
6.2 影响全站仪放样及三角高程测量因素
三角高程测量的精度主要是受高度观测精度的限制和大气折光的影响。在测量作业前先通过对已知点测量计算出大气折光的影响值，然后对测量数据加以改正。在有太阳的中午前后一段时间，望远镜成像受大气影响而跳动，严重影响观测高度角的精度。在日落、日出时，大气折光系数变化较大，因此测量时间尽量安排在夜间风速较小、无雨、雾、温度相对稳定的时间内完成。
①测距误差：仪器测距精度M1：采用徕卡TCA2003全站仪，其测距精度为1mm+1ppm×D，从DQ11观测中塔时视线长约为900m，则M1=±（12+（1×0.9）2）0.5mm=±1.345mm，同时由于有温度变化、气压变化对测量产生了测量误差的影响，在施工作业中可以准确地测出大气的温度、气压值，通过对仪器设置数据的更改，当温度测量误差小于1℃，气压测量误差小于3.4mbar时，对测距的影响为1ppm，因此M1=±（12+（（1+1）×0.9）2）0.5mm=±2.059mm。
②水平角误差M2：徕卡TCA2003全站仪标称测角精度为0.5″，在测量作业中每次观测都必须测一个测回才能作为最终观测结果，因此取M2=±0.5″。
③竖直角误差M3：徕卡TCA2003全站仪标称测角精度为0.5″，在测量作业中每次观测都必须测一个测回才能作为最终观测结果，因此取M3=±0.5″。
④控制点点位误差M4：由于控制点进行平差处理后都存在点位误差，根据第三期复测报告取DQ7、DQ8、DQ11、DQ12最大值M4x=±0.6mm，M4y=±0.5mm，对于塔柱的每一个施工测量部位而言，均采用坐标放样，因此：X=X0+D×cosI×cosA，Y=Y0+D×cosI×sinA。
采用以上测量方法和测量仪器，测量误差小于8mm，精度满足规范要求。
7 结语
从以上的实践分析中可以得出，采用本文提出的高塔施工测量方法及控制和单向三角高程测量的基准索线形测量方法，完全能够克服了桥梁跨度大，施工现场工况差和气候条件恶劣等各种因素的影响，在实际的测量应用中，其测量结果也能够很好的满足施工的需求，在提高工程测量精度、社会效益、节约经济成本等方面都得到了很好的控制。
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