大跨度悬索桥施工测量控制研究

周瑞祥，彭江华，丁 宁

（1.中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司, 湖北 武汉 430050；2.湖北省测绘局，湖北 武汉 430071；3.湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074）

本文针对悬索桥施工的特点，对大跨度悬索桥施工测量控制网和施工测量控制关键技术进行系统分析和总结，为大跨度悬索桥的施工测量控制提供借鉴和参考。

1 施工测量控制网

1.1 施工测量控制网的建立

建立施工测量控制网的首要目的是为工程建设提供统一的平面和高程基准，为工程的施工放样提供基础控制资料。根据测量原理和使用仪器设备不同，施工测量控制网又分为施工平面控制网和施工高程控制网2大部分。大跨度悬索桥施工平面控制网一般采用GPS静态测量技术，其实施等级为《公路勘测规范》二等，在跨河部分布网形式一般采用双大地四边形或者三大地四边形。这样的网形结构稳定，有利于提高整个控制网的精度和可靠性；其平面投影高度为桥面设计高程的平均值，以确保平面基准统一。

在进行外业数据采集时，要求卫星高度角≥15°，且有效卫星总数≥4，时段长度≥4 h，观测时段数≥4，数据采样间隔≤15 s，GDOP≤6。网平差采用专用商业软件进行，平差时以各同步观测网的独立基线向量及其全协方差矩阵作为观测量，先进行三维无约束平差，求解各加密点的三维空间坐标；然后，在工程坐标系下进行二维约束平差，求出施工控制网的工程坐标。平差后精度指标要求为：相邻平面点间基线水平分量中误差≤10 mm，相邻平面点间基线垂直分量中误差≤20 mm，平面控制网中最弱边相对中误差≤1/150 000。

施工高程控制网又分为陆地部分和跨河部分，陆地部分水准点之间的高差采用二等水准测量的等级和精度观测；观测技术要求严格按照《国家一、二等水准测量规范》执行。陆地水准测量外业观测结束后，对外业观测成果进行限差验算。跨河水准部分是施工测量控制网的关键，对于宽水域是个技术难题，必须对跨河水准测量进行专项技术设计。根据场地条件、跨河距离，可采用倾斜螺旋法、经纬仪倾角法和测距三角高程法进行观测，跨河场地均按平行四边形图形布设。观测过程中，操作程序按照国家规范执行，观测中对测回数与读数组数、限差进行严格要求。

大跨度悬索桥一般为城市桥梁，高差起伏较小，一般采用经纬仪倾角法，其观测技术要点如下：

1）布设跨河线并埋设跨河点，每岸均需布设一个立尺点和一个仪器点；采用2台Leica TC/TCA2003全站仪及水准标尺施测。

2）观测近标尺。首先在全站仪盘左的位置，照准近标尺的基本分划，读取最后水平视线的标尺厘米分划读数a，再使水平丝分别照准该分划线的下、上边缘各2次；再纵转望远镜至盘右位置，同时照准该分划线的上、下边缘各2次，便完成了一组观测（近标尺只测一组）。每次照准分划线边缘后，应先使垂直度盘指标气泡精密符合，再用光学测微器进行垂直度盘读数。盘左或盘右同一边缘2次照准读数差应不大于3″。近标尺读数b由式（1）计算：

式中，θ为分划线a的倾角，单位为″；d为经纬仪至标尺点的水平距离，单位为cm；ρ为206 265，单位为″。

3）观测远标尺。盘左位置用水平丝依次照准下、上标志线4次，每次照准均应同时使垂直度盘指标气泡精密符合后，再用光学测微器进行垂直角读盘读数，同一标志线4次读数之差不得大于3″。纵转望远镜至盘右位置，按相反次序照准上、下标志线各4次并如前读数，从而得到一组观测。同法进行其他各组的观测，各组计算出上、下标志线的倾角α和β，组间α或β互差不应大于4″。

上述近、远标尺读数操作组成一岸仪器观测的0.5测回，两岸仪器同时对测各0.5测回，组成1测回。2个测回连续观测时，测回间应间歇15 min左右。

4）每测回观测前，应仔细检查觇标的指标线是否滑动，并核对指标线在标尺上的读数。

外业数据采集完毕，并经限差验算合格后，采用严密平差法对改正后的观测高差进行整体平差计算，求得未知点的高程，并进行精度评定，其评定精度指标为每km水准测量偶然中误差≤±1.0 mm。

1.2 施工测量控制网的复测和加密

施工控制网复测的目的是为了验证施工控制网测量成果的可靠性和测量精度，确保测量成果在网形、精度、质量等方面满足大桥工程建设的基本要求，通过对复测成果与原测成果的比较分析，全面评估首级控制点的稳定性，并对控制点使用与保护提出相应建议。施工测量加密网是在原施工测量控制网的基础上，根据工程特点及施工放样的需要而建立的加密控制网，其主要作用在于弥补施工测量控制网点位密度上的不足和便于施工放样。

施工测量控制网复测和加密的基本原则是：

1）控制网复测和加密应在原网的基础上进行，保持基本网形不变。复测和加密的精度等级及指标与原网相同，所采用的仪器精度、观测方法、数据处理方法等技术要求与原测保持一致。

2）原控制网的坐标系统和高程系统不得更改，控制网的起算点应与原网一致。当原网起算点发生明显位移时，可改用其他稳定可靠的控制点起算，但必须保持位置基准、方向基准、尺度基准和高度基准不变。

3）复测和加密完成后，应进行严密平差，并采用现场勘验与统计检验相结合的方法对施工控制点进行稳定性分析和评定。

4）经复测和加密后的控制网，应根据施工进度和控制点稳定等情况合理采用复测和加密成果，建立控制点成果档案，并提出控制点保护、加固及监测措施。

施工测量控制网和加密控制网的复测周期原则上规定一年一次。当施工中部分控制点被损坏、视线被遮挡或控制点位移且影响施工时，应立即进行复测。工程施工期间，可根据点位稳定情况及工程建设需要适当增减复测次数。

2 下部结构施工测量控制

下部结构施工包括桩位放样、护筒检查、桩头竣工、承台施工放样和竣工、锚碇施工放样和竣工等测量，根据工程特点、场地条件、配置人员和仪器设备可采用全站仪极坐标放样法或单基站RTK测量方法。单基站RTK测量作业开始前与结束后均应对已知点进行检测，确保接收机配置、仪器高设置、GPS信号等均处于正常状态。检核点应位于作业区域内，每个检核点至少观测1个测回，且平面检测较差≤10 mm，高程检测较差≤20 mm。

如果锚碇施工采用深埋基础，那么就会涉及到深基坑施工，施工和监理单位应对深基坑周围的地表、地下管线、建筑物或构筑物、围护结构及其顶部、地下水位等进行变形监测，其主要任务是指导深基坑施工，对质量安全事故防患于未然。变形监测的总体思路是：依照“先整体后局部，先控制后变形”的原则进行，即首先逐次布测变形监测的基准控制网、工作基点，再在基准点或工作基点上观测监测点的沉降和水平位移。当观测条件较好时，尽可能少设或不设工作基点，直接利用基准点测量变形观测点，以减少工作量和提高变形测量精度。基准网精度等级及指标与施工测量控制网相同，监测精度、工作基点布测、观测点布设、监测周期及频次、观测方法、监测数据的采集、处理、分析及整理等均应满足相应规范要求。

3 塔柱施工测量控制

塔柱平面控制可采用全站仪自由设站法加密。自由设站法基本原理是全站仪架设在加密控制点上，测量加密控制点至2个已知控制点的距离（见图1），并测量与2个控制点的夹角，然后采用正弦定理解算三角形内角，最后计算加密控制点的坐标。它实质上是一种边角联合后方交会，为保证精度，边角测量应按《工程测量规范》中二等平面控制测量边角网的技术要求进行（距离观测进行温度﹑气压改正，每条边进行对向观测），且要求测站点与2个控制点夹角≥45°且≤135°，三角形任一内角≥30°。

根据正弦定理其坐标，由式（2）计算：

为了提高观测精度和可靠性，可增加已知控制点数目。如果条件允许，已知控制点数不应小于3个，且在塔柱平面控制时，由于大跨度悬索桥跨度大，塔柱相隔较远，为消除投影误差，应进行投影改正，达到测量基准统一，确保测量施工放样精度。

由于塔柱中心点坐标测设意义重大，为确保塔柱与桥轴线一致，塔柱中心里程无偏差；在进行塔柱中线和边线放样时，可先对中线和边线进行放样，放样点标志精细明晰，然后采用自由设站法施测，测量结果与设计值比较并进行修正后，再进入下道工序施工。

按设计及相应规范要求，在承台与塔座顶面上分别埋设有多个沉降观测点，用其中稳定的点作为塔柱施工测量的高程起算点，高程起算点通过二等跨河水准测量精密测定(高程起算点应定期复核)；随着塔柱施工进展，应及时向上进行高程传递，塔柱高程传递方法采用几何水准测量法（见图2）。该方法需要2台水准仪，2把水准尺和1把检定钢尺。首先将钢尺锚固在固定架上（钢尺零点朝上），下挂1个与钢尺检定时同重的重锤，并同时观测钢尺表面温度。水准仪读完2个水准尺读数后，同时观测检定钢尺读数，每次观测读2组数，变换钢尺高度再观测1次，此为1个测回。共观测2个测回，待求点高程由式（3）计算：

几何水准测量法高程传递完后，应辅以中间设站三角高程测量法进行校核，在距离已知点和待求点相同距离的地面区域，选择稳定性良好且便于观测的地方架设全站仪，分别对地面已知点和待求点进行测角、测距。观测时要求正倒镜，距离观测4个测回，角度观测2个测回，同时使目标影像处于竖丝附近，且位于竖丝两侧对称的位置上，以减弱横线不水平引起的误差影响。待求点和已知点应采用同型号等高对中杆（有刻度），因测站至2个水准点距离基本相等，外加同向观测，相互基本消除大气折光和地球曲率影响，且不用量测仪器高。2点间的高差由式（4）计算。

式中，h 为测站点至觇标点的高差，单位为m；D1、D2为测站点至觇标点的斜距，单位为m；α、β为观测的垂直角；v1、v2为觇标高，单位为m；R 为参考椭球平均曲率半径。

4 上部结构施工测量控制

上部结构施工测量控制主要包括上部结构施工测量加密控制网、上部结构施工过程中的沉降观测、猫道施工测量控制、主缆施工测量控制、加劲梁施工测量控制等工作。大跨度悬索桥的成桥线形是否与设计一致，与上部结构施工测量控制过程密不可分；施工测量放样数据根据施工监控指令执行，施工监控根据已完成工程的结构状态和施工过程，收集和调整施工监控参数，预测后续施工过程的结构形状，提出后续施工过程应采用各施工测量参数，以确保结构的成桥线形符合设计要求。

4.1 上部结构施工测量加密控制网

大跨度悬索桥上部结构的施工需要进行大量的施工测量控制工作，其基准是布设在地面上稳定、方便施测和高精度的施工测量控制网，因此上部结构施工前，应建立施工测量加密控制网，以便于上部结构安装施工，通常是在塔柱顶端增设控制点。该网根据大桥精度要求，按工程测量二等平面和高程控制网的精度等级施测，采用边角网建立平面控制网，用常规几何水准测量和跨河水准测量相结合的方法建立高程控制网。塔柱顶面增设控制点的测量与地面控制网测量同步进行，但是大跨度悬索桥塔柱高达200 m左右，白天受日照、温度及风向的影响，塔身有一定程度的偏位或扭转。因此，对塔顶加密控制点的测量在夜间温度稳定且无风或微风的情况下进行。

平差处理时，实测边长除了进行气象改正、仪器常数改正、边长倾斜改正外，由于塔柱较高，为保证平面测量基准的统一，还应进行边长投影改正。将所有边长投影到桥面设计平均高程面上，这样所得加密控制点与施工测量控制点坐标全部统一到该平面，消除了由于尺度不统一造成的各项理论误差，便于施工的顺利进行。另外，在构网时，由于同里程塔柱顶部的2个加密控制点间距太小，影响图形结构的稳定，不宜实测其边长参与平差处理，平差后精度要求见施工测量控制网部分章节。

式中，H1、H2分别表示2个加密控制点高程；H0为投影面高程；R 为参考椭球平均曲率半径；S为2个加密控制点实测边长；D为投影改正后边长。

大跨度悬索桥上部结构施工测量加密控制网是索鞍安装的基准、基准索股和主缆绝对垂度测量控制及其线形监测的基准、索塔位移监测的基准和索夹位置放样的基准。在控制网使用过程中，由于施工对环境的干扰，而对控制点稳定性有影响，因此在施工过程中应注意加强监测。

4.2 上部结构施工过程中的沉降监测

在上部结构施工过程中，锚碇和索塔基础因自重和加载会产生一定的沉降，影响悬索桥上部结构的线形。因此根据设计和相关规范要求，需对锚碇和索塔基础进行沉降监测，以了解锚碇和索塔基础的下沉量，从而确保上部结构施工的精度和成桥质量。

沉降监测基准网可直接使用施工测量控制网，采用精密水准测量方法，按二等精度等级要求，以往返符合水准路线或闭合水准路线的形式，定期从施工测量控制点对布设在结构物基础上的监测点进行观测，第一次观测所得到的高程值称为初始值，由施工、监理和施工监控单位共同确定，不同周期观测的监测点高程值与初始值的差值，即为由于荷载作用在锚碇和索塔基础上所产生的累计沉降量。沉降监测点按设计和相关规范要求布设在索塔承台和锚碇基础上，每次沉降观测后，计算各监测点的相对沉降量和累计沉降量，并计算沉降速度和绘制时间或荷载沉降曲线图；最后根据各周期的相对沉降量和累计沉降量，由施工监控单位进行变形分析和变形的预测预报工作。

4.3 索鞍施工测量

索鞍施工测量控制主要在于安装过程控制和竣工测量数据采集，索鞍安装时主要是控制好主索鞍、散索鞍格栅的位置，主索鞍格栅利用塔顶上的加密控制点进行定位，平面采用全站仪控制，高程使用精密水准仪控制，以满足精度要求。索鞍安装过程需及时进行两岸塔锚轴线及跨径联测，以便对索鞍安装进行精确的施工定位，并满足跨径、轴线精度要求。在主索鞍及散索鞍安装时，主索鞍及散索鞍的几何中心相对于索塔及散索鞍墩的几何中心有一定的偏移量，偏移量的大小由设计计算给出。根据索塔及散索鞍墩的几何轴线与主索鞍及散索鞍的几何轴线间的距离，控制主索鞍及散索鞍在安装时的预偏量。

对主鞍座和散索鞍的竣工测量，在猫道、主缆等施工前，应根据施工测量加密控制网，采用极坐标法和精密水准测量法实测主鞍座和散索鞍竣工后的三维位置以及各主鞍座、各散索鞍的里程、中线和相互间高差。以上竣工测量数据是上部构造施工监控计算和变形监测的重要依据和原始数据，必须在猫道、主缆等施工前准确采集完成，并交由设计和施工监控使用。

4.4 猫道、主缆、索夹和吊索施工测量

由于猫道及主缆端点的平面位置和高程已经由主索鞍和散索鞍所控制，即猫道和主缆的垂直平面已确定，在自然铅垂状态下，某固定里程位置到已知控制点的水平距离不会随高程变化而变化，因此在进行施工测量控制时，只需要控制固定里程处的标高就可以达到施工测量控制的目的。由于固定里程控制点皆不方便架设仪器进行反测，因此目前猫道、主缆、索夹和吊索施工测量控制均采用单向三角高程测量的方法。下面以基准索股为例对该方法进行详细分析：为了精确测定基准索股中心点的标高，可设计1个棱镜安置器（见图3），通过机械加工方法，使得2个棱镜处于严格对称位置，这样2个棱镜中心点高程相加取平均即可得到基准索股中心点高程，基准索股中心点高程由式（6）计算，通过对比实测高程与设计高程，进而达到调整基准索股线形的目的。

式中，α1、α2分别表示2个棱镜垂直角；D为固定里程点至已知控制点水平距离；R 为参考椭球平均曲率半径；K为大气折光改正系数；i为仪器高；v为棱镜高。

由于大跨度悬索桥线形对温度变化敏感，因此要求对基准索股进行温度监测，温度场测量元件精度要求分辨率＜0.1°。受地形条件和环境影响, 在基准索股的里程和高程方向，不同位置温度分布不同。为了能准确得到索股的综合平均温度, 需要在每跨分散布置多个温度测试断面, 每个断面也应布置多个测点。施工测量控制时, 取各跨测点的平均值作为基准索股的综合温度。为了确保温度的稳定性，一般施工测量控制均在22：00～凌晨4：00时间段进行。

4.5 加劲梁施工测量

大跨度悬索桥的加劲梁一般是钢制的, 这样才能发挥其大跨度优势。在加劲梁的安装过程中，需对梁的尺寸、坡度、左右2幅梁的高差和吊点耳板平面位置进行控制，特别是吊点耳板平面误差要求控制在2 mm以内。在加劲梁的安装过程中,由于索夹和吊索位置已经固定，即加劲梁的平面位置已确定，因而对加劲梁与吊索的连接构造段吊装的顺序与方法都要进行专门设计, 要特别注意吊装过程中的抗风措施。由于吊装过程中钢缆承受的荷载是逐步增加的, 所以必须在每次加载后量测钢缆线形的变化并与设计线形相对照, 若出入较大, 则应考虑调整吊装顺序。

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