赤石特大桥主塔施工测量方法探讨

马伟

摘 要：结合赤石特大桥主塔的施工方法，通过测量的误差理论分析方法和特殊的测量定位手段，对劲性骨架、钢锚梁、塔柱模板的位置进行定位测量，调整各作业部位使其满足设计和相应的规范要求。从而保证了近300m高的主塔施工符合设计要求。

关键词：误差分析；主塔墩；钢锚梁；精密定位

1 主塔基本情况

赤石特大桥工程是夏蓉国家高速湖南省汝郴（湘赣界）至郴州段的控制性工程，为四塔双索面预应力混凝土斜拉桥，是目前同类型桥梁中排名第一、高墩、大跨径、多塔斜拉桥，桥梁全长1470米。

我公司施工5号、6号主塔，其基本组成如图1所示。

5号墩中心里程K87+770，塔底高程281.00米，塔顶高程535.63米，塔柱总高254.63米，塔顶设5米高装饰块。分为下塔柱（C横梁中部至塔座以上部分）、中塔柱（B、C横梁之间部分）、上塔柱（B横梁以上部分）、横梁（A、B、C、D）四个部分，下塔柱高81.73米，中塔柱高63.0米， 上塔柱高103.9米（上塔柱下半部分高51.4米，上半部分高52.5米）。

6号墩中心里程K88+150，塔底高程271.00米，塔顶高程545.13米，塔柱总高274.13米，塔顶设5米高装饰块。分为下塔柱（C横梁中部至塔座以上部分）、中塔柱（B、C横梁之间部分）、上塔柱（B横梁以上部分）、横梁（A、B、C、D）四个部分，下塔柱高101.23米，中塔柱高63.0米，上塔柱高103.9米（上塔柱下半部分高51.4米，上半部分高52.5米）。

2 塔柱施工测量的方法

主塔墩分为下塔柱、横梁、中塔拄和上塔柱四部分，塔柱施工测量的主要内容包括：柱体十字线放样、劲性骨架定位、索道管安装定位、模板调校和竣工测量。塔柱的平面位置测量方法：采用三维坐标测量法，对劲性骨架、索道管、塔柱模板、横梁摸板的位置进行定位测量，调整各作业部位使其满足设计和相应的规范要求。

塔柱平面定位点的选择，如图2所示，其中，（a）为下塔柱放样点位示意图，（b）为中塔柱放样点位示意图，（c）为上塔柱放样点位示意图。施工定位时，根据5、6号墩索塔的各个参数，，计算塔柱任意高程H处的截面参数，并将其转换为各特征点的坐标。

2.1 下塔柱施工测量

施工测量前，根据下塔柱的劲性骨架设计图推算出任意高程H处各特征点的坐标，劲性骨架放样点位示的位置如图3所示。

下塔柱施工过程中，用三维坐标法实时测量并调整劲性骨架的位置，直到满足要求，当模板施工完后，再用三维坐标法实时测量并调整模板的位置，直到满足规范要求。

为了方便操作，在5、6号墩布设了2个临时加密控制点，塔柱施工时后视临时加密点进行高程改正，用三角高程内差法和极坐标法对塔柱进行三维测量定位和竣工测量。

2.2 中主塔墩横梁施工测量

中主塔墩施工测量的程序如下：

① 进行横梁支架定位测量，根据横梁支架设计图，放出各支架特征点。在支架施工过程中，实时测量支架的空间三维坐标，并与设计的进行比较，进行调整，保证支架按设计来施工。

② 在支架顶面实际放样出横梁的纵横轴线和特征点，并弹出横梁底面的高程线，调整横梁的底模板，并考虑预抬量。

③ 模板施工完成后，检查并调整横梁模板，直到满足相应的规范要求。

④ 横梁施工完成后，对横梁进行竣工测量。放样出横梁的纵横轴线，并在合理的位置设置一个控制点，要求该控制点必须与多个控制点通视。

使用高精度的测量仪器，采用多点后方交会的方法，进行加密点的三维坐标测量。在以后的加密控制网复测过程中，该点与原加密控制点形成新的加密控制网，进行同精度的测量，保证控制点的精度。

⑤ 7#、8#墩横梁（B）施工完成后，联合其他施工单位在7#、8#墩横梁上布设加密控制点。并同时进行跨距，四主塔的高程系统和轴线联合测量，调整四主塔的跨距、高程、轴线，保证四主塔及箱梁施工线形和高精度合龙。

2.3 中塔柱施工测量

与下塔柱施工测量的方法相似，中塔柱施工测量的方法主要由三部分组成：

一是用三维坐标法实时测量并调整劲性骨架的位置。

二是当模板施工完后，用三维坐标法实时测量并调整模板的位置。

三是在控制点上后视横梁顶的加密控制点，用三角高程内差法和坐标法对塔柱进行三维测量定位和竣工测量。

2.4 上塔柱施工测量

上塔柱施工采用劲性骨架作为钢筋、模板、索道管等安装的依托架，其加工质量及安装精度直接影响模板、钢筋和索道管定位的精度。

劲性骨架的理论位置的计算同模板的计算。上塔柱垂直度的控制，不仅要求在每节塔柱的施工中，模板轴线、特征点和结构尺寸等定位要素按设计的要求进行严格的控制外，还要选择测量定位时的气象条件，以消弱气象变化对上塔柱的变形影响，将塔柱垂直度控制在允许的范围内。

2.5 钢锚梁定位

2.5.1 安装前的准备工作

钢锚梁及牛腿的三维图如图4所示。钢锚梁安装前应进行后场预拼，预拼台座的尺寸应根据钢锚梁的尺寸进行搭建，台座必须经抄平后才能进行预拼。钢锚梁预拼的程序如下：

① 将钢锚梁吊至台座上，进行牛腿板的纵横垂直度的检测、牛腿板的张口尺寸检测、牛腿顶面相对标高的调整。

② 按图纸设计位置精确测量定位，在塔柱上放样出需要安装的钢锚梁及牛腿的准确位置，并进行钢锚梁轴线和边线的放样。

③ 钢锚梁及钢牛腿吊装之前，采用鉴定钢尺、精密水准仪和全站仪对已经连接好的钢锚梁（包括索套管）及钢牛腿的几何尺寸、高程测量观测点、结构轴线测量控制点、标记等进行检查。如果检查有误或误差超过设计及规范要求，通知有关单位重新检核或整改。

④ 如图5所示，将钢锚梁运至主塔牛腿主要水平位置。监测点位为图示6个临时点，现场做点。

2.5.2 钢锚梁安装定位

主塔钢锚梁及索套管安装定位是测量控制难度最大、精度要求最高的部分。

钢锚梁定位的方法以TC1201+全站仪三维坐标法为主，钢锚梁及钢牛腿底面高程、顶面高程、平整度测量采用水准仪测量的方法，用全站仪三角高程测量的方法校核。

安装钢锚梁定位的关键是控制中心轴线、高程及平整度，使主塔中心线与钢锚梁结构中心轴线重合。

钢牛腿作为钢锚梁的依托架，其定位精度直接影响钢锚梁的定位精度，尤其是钢牛腿顶面相对高差的控制精度，直接控制钢锚梁的平整度。

第一节钢锚梁及钢牛腿安装定位控制更是关键。安装的精度直接影响整个钢锚梁的几何线型，应确保钢锚梁表面倾斜度偏差<1mm/全平面，轴线的平面位置偏差<2mm。安装程序如下：

① 将第一节钢锚梁段用塔吊吊至调位底座座上，先安装定位螺栓，再进行微调，使钢锚梁中心线与调位底座中心线重合。

② 复测钢锚梁平面位置、高程、平整度及倾斜度。

③ 若截面角点、特征点、轴线点等钢锚梁定位控制测点的实测三维坐标与设计三维坐标不符，应重新就位钢锚梁，调整至设计位置，将误差调整至设计及规范要求的范围内。

④ 上述工作符合要求后，进行高强度螺栓的安装和施拧工作。

第二节以及以后各节钢锚梁安装时，先用匹配的冲钉精确定位，再进行复测，将误差控制在设计及规范允许范围。严格控制每节段钢锚梁的平面位置、高程、倾斜度、顶面平整度，避免误差向上传递累积。

2.5.3 牛腿安装定位

第一节钢牛腿安装控制时，采用全站仪天顶距进行标高传递，钢牛腿平整度尽量控制在1mm（测点如上图6黑点）。由于钢牛腿制造误差，每安装5节标高都采用全站仪天顶距传递。标高，平整度，垂直度，都满足施工规范要求后可进行平面位置控制。

第一节钢牛腿安装的平面位置控制仍属于重中之重，其测点位置如图6所示。安装的主要工作如下：

① 根据图纸提供的钢锚梁相关结构尺寸，在平面位置测量前先用直尺、钢卷尺在钢牛腿上标出如图6所示的1，2，3，6，7，8点位。4，5，点位是钢锚梁的锚固点，可以使用十字精构件测量其中心坐标。每节钢锚梁都是靠钢牛腿连接。实测1，2，3，6，7，8点位的坐标与设计坐标对比满足施工规范要求就能定位成功。

② 对于不能直接测定的控制测点，可根据已测定的点与不能直接测定点的相对几何关系，用边长交会法检查定位。

放样时采用全站仪一次性测放同批次钢牛腿定位点，力求减少放样点内部相对误差，采用鉴定钢尺对结构点进行放样尺寸检核。

在钢牛腿安装过程中采用预焊同步结构尺寸检查，对结构尺寸及顶面高程检查无误后做永久焊接。

③ 采用水平仪对钢牛腿顶面进行竣工测量，在钢牛腿上一次性测放钢锚梁的定位点，杜绝时间跨度过大，造成外部气象条件的变化。

④ 测放完毕后采用检定钢尺进行放样点的结构尺寸检查，无误后作为钢锚梁定位的依据。定位一定要选取气象条件稳定，尤其要选取外部温度稳定，没有侧面日照影响的时间进行钢牛腿控制点位的测放。

由于钢锚梁的锚固点与牛腿板是一个整体，将牛腿板调整到位后锚固点基本到位，至于出塔口管是后期安装，需在安装完成后对其进行观测反算实际坐标与设计坐标值的差值，然后进行调整。所有部位调整完成后，最后进行一次通测，保证各监测部位全部调整到符合的精度范围内。

3 三维坐标测量放样的误差分析

赤石特大桥对塔身曲线要求极高，每节塔柱的高程直接影响到每个角点的坐标。包括后期的钢锚梁定位均与高程有直接关系，对于三维坐标的误差分析至关重要。

由于钢锚梁测量要求精度高、需要实时进行三维空间定位，特别是孔道位置的三维位置偏差要小于2mm，因此以2mm测量误差来进行误差的分析。随着测量仪器设备的发展，特别是在高程方面，可以利用三角高程来进行高程测量作业，由于测量仪器受到大气、环境、大气折光、温度等方面的影响，还同时受到测量仪器的误差、人为的对中整平、瞄准观测等因素的影响，因此三维极坐标法放样主要有以下几个误差来源。

3.1 测量误差的来源

第一，仪器测距精度的影响。

设仪器测距精度等的影响为M1，采用TC1201+全站仪（或等精度仪器），其测距精度为：±1mm+±1.5ppm×D，从控制点观测中主塔墩时视线长约为400m。则mm。

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mm。

第二，仪器水平方位角的误差影响。

设水平方位角的误差影响为M2，采用的TC1201+全站仪标称测角精度为1″，经鉴定满足精度要求，因此取M2=±1″。

第三， 竖直角观测误差的影响。

设竖直角观测误差的影响为M3，采用的TC1201+全站仪经鉴定满足精度要求，因此取M3=±0.5″。

第四，控制点点位误差的影响。

设控制点点位误差的影响为M4，由于控制点进行平差处理后都存在点位误差，见《赤石特大桥控制网复测报告》建立了高精度的局部控制网，可以取M4=Mx=My=1mm，取高程M4=±1.0mm，对于塔柱的每一个施工测量部位而言，均采用三维极坐标法进行施工放样，因此：

3.2 斜拉桥索导管的定位原理--索导管轴线的空间直线方程

依据设计图纸给出的索导管参数，计算每一个索导管轴线上锚固点和索导管中心出塔点的坐标，计算索导管轴线与X轴的夹角α。由此可归纳出索导管轴线的计算公式为：

X=X0±D*SIN（α）；Y=13.080；Z= Z0±D*COS（α）。

其中，X0、Y0 、Z0 是索导管锚固点的坐标；D是两实际测量点的空间距离；X、Y、Z是索导管轴线上D距离处的理论计算坐标。

4 定位过程中须解决的问题

第一，进行索导管定位时，由于索塔砼受到日照、索塔砼内部温度不均、风力等因素影响，上塔柱位置发生随机的变化。

若进行索导管的高精度定位，应选择合适的测量时间，在没有日照、没有3级以上大风、并且空气温度及索塔温度变化不大的时段里进行索导管高精度定位。因此一般情况下宜选择在夜里8点到第二天早上5点进行测量定位作业，以减弱索塔变形对索导管定位精度的影响。

第二，由于在定位测量时不可能做到对向观测，用三角高程法测量三维坐标时要尽量消除球气差对高程的影响。

在5、6号墩的0#块上采用全站仪对向观测8个测回竖角及斜距计算高差，各项指标应按二等跨河水准技术要求执行，并用同样的方法与7、8号墩0#块上高程进行联测后，在每个主墩0#块上测设出一个高精度高程控制点H0，在进行索导管三维测量时，测量0#块上高程控制点的高程H，计算△，再利用公式进行计算。

进行索导管定位时，测点于0#块上高程控制点之间的地球曲率及折光系数之差，用计算所得值在全站仪里对设置的K 值进行修正。由于视线所通过的环境与后视大致相同，可以基本消除球气差对高程测量的影响。

第三，由于赤石特大桥的平面控制点在平差时已经投影到+450m高程面，上塔柱测量时也应该消除投影对距离的影响，因此在上塔柱施工高程大于+500m时，还要进行将距离归算到+450m高程面的投影改正，提高塔柱的位置和索导管的定位精度。投影改正值为。

式中，h为测站点与被测点的平均高程与450m高程之差。

一般在全站仪里采用对棱镜常数进行修正的办法修正测量距离或是在仪器上设置投影高程面改正。

第四，仪器具有的一些机械误差可能会由于时间和温度的变化而变化，因此在进行上塔柱和索导管的定位前应调较仪器的双轴补偿纵横向指标差、垂直编码度盘指标差、水平视准差、水平轴倾斜误差等项目。

第五，三维测量的高精度要求棱镜必须正对仪器，在对上塔柱和索导管定位时，倾角较大，如果无法准确照准棱镜中心就会严重影响竖直角的观测精度，同时由于仪器测距发射管的相位不均匀性以及飞旋标效应而影响测量精度。

除以上应注意的问题外，在安装定位的过程中还存在施工偏差。

根据设计要求锚垫板中心偏差小于1mm，因此可以计算施工的偏差不应大于2mm。测量时应尽量调整，当测量值与设计坐标差值小于2mm后可以不做调整，否则必须重新调整再测量。

赤石特大桥主塔施工测量时，采用了最先进的测量机器人徕卡TS30，同时考虑了日照、温差、球气差、投影面等因素对测量工作的影响，满足了整个施工过程中的测量精度要求，将赤石特大桥的优美曲线完美的展示在世人面前。