跨大面积水域桥梁墩柱沉降监测方法研究

2018-10-22段举举徐春明赵为民

现代城市轨道交通 2018年10期

段举举，徐春明，赵为民

（中设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

桥梁墩柱沉降监测是轨道交通施工及运营期的一项重要工作，通常采用水准测量的方法[1]。水准测量精度比较高，但其测量工作量大，速度慢，所需测量人员多，特别是对于地面高低起伏较大或不便于进行水准测量的地区，用这种方法速度缓慢，有的甚至非常困难[2]。随着测量技术的发展与测量仪器的更新进步，三角高程测量的应用变得越来越广泛，研究也越来越深入，三角高程测量以其简便灵活、省时省力、受地形条件限制较小的优势，正在逐步代替一定范围内的水准测量工作[3]。

根据相关研究成果，精密三角高程测量可以达到二等水准测量的精度[4]，采取必要的措施甚至可以达到一等水准测量的精度[5]。本文结合实例，采用水准测量和三角高程测量相结合的方法，对跨大面积水域桥梁墩柱沉降进行观测，能够达到监测精度要求。

1 工程概况

某轨道交通以桥梁形式跨越湖区段，湖区段全长12.8 km，对应里程 DK30 + 471.86～DK43 + 301.52，对应的墩台号为 99# 墩～518# 墩，湖区内桥梁共 3 幅，中间幅为轨道交通桥梁，左右 2 幅为公路桥梁。轨道交通与公路桥结构关系如图 1 所示，轨道桥中心与公路单幅桥中心距 15.025 m，桥面边净距 4.15 m，公路桥与轨道桥上部结构间无影响，公路桥比轨道桥先施工。

图1 轨道交通与公路桥结构关系示意图（单位：cm）

2 监测基准网及测点布设

2.1 监测基准网布设

基准点作为沉降监测的起始依据，其稳定性十分重要，基准点要求稳定可靠。本项目采用业主单位提供的已有基准点，在湖北岸有 3 个二等水准点（DS1-36、DS1-37、DS1-38）、1 个基岩水准点（DJ-46），湖南岸有 2 个二等水准点（DTNH-44、DTNH-49），南、北两岸基准点之间分别布设成闭合水准路线进行观测。

2.2 工作基点布设

在公路桥桥面上每隔 240 m 布设 1 个工作基点，工作基点采用电锤在地表顶部钻孔埋入特制的监测道钉，并用高效植筋胶水粘接密实，工作基点埋设元件如图 2所示。测点的埋设高度应方便观测，还应注意不影响车辆的安全。

图2 工作基点埋设元件

在公路桥梁施工期间，工作基点和基准点之间布设成闭合水准路线进行观测。公路桥梁施工完成之后，南北两岸基准点和工作基点布设成附合水准路线进行观测。由于观测线路长达 12 km，最弱点的高程中误差会比较大，为了提高水准观测的精度，监测基准网拟按照GB 50308-2008《城市轨道交通工程测量规范》Ⅰ等垂直位移监测控制网的要求进行观测[6]。

公路桥桥面铺装施工完成后，原桥面上的工作基点将会被覆盖，此时工作基点需要重新布设，并按照原来的方法进行观测。

2.3 监测点布设

本工程跨越湖区，桥墩都处于湖面上，与公路桥及栈桥间分离，人员较难直达，无法按照陆域常规的方法布设监测点。因此，采用在每个桥墩的墩顶用电锤钻孔、用膨胀螺丝固定小棱镜作为沉降监测点测量标志的方式，正常监测时人员无需到达墩台之上，并可满足观测精度和技术要求。要求小棱镜固定牢固，正对仪器架设方向，高度适宜观测，桥墩小棱镜安装位置如图 3 所示。每个桥墩上布设 1 个墩柱沉降测量标志，共计 420 个监测点。

图3 桥墩小棱镜安装位置示意图

3 监测方法

3.1 水准测量

每次监测时，分别从南、北两岸基准点出发，按照闭合或附合水准路线将工作基点进行联测，从而可以得到各工作基点的高程。然后对工作基点的稳定性进行判断，将各工作基点观测高程值与初始高程值进行比较，若检测较差大于 2 倍高程中误差时，则判定该工作基点不稳定，后续监测时对不稳定点进行高程修正，否则采用原高程值。

3.2 三角高程测量

沉降监测采用徕卡 TCRA1201 全站仪精密三角高程测量方法进行观测。每次观测时，在工作基点上安装三角对中杆和圆棱镜，并将高度固定，同时将全站仪架设在相对固定位置的公路桥桥面上。后视工作基点为圆棱镜，前视墩柱沉降监测点为小棱镜。通过角度和距离观测计算出工作基点棱镜中心和墩柱沉降监测点小棱镜中心之间的高差。

工作基点处的圆棱镜中心到该工作基点顶部（即水准测量点）间高差为一个固定常数，从而可由工作基点的顶部水准高程、工作基点棱镜与小棱镜中心高差，得到墩柱沉降监测点（小棱镜中心）的高程。桥梁墩柱沉降观测路线如图 4 所示。

图4 桥墩小棱镜安装位置示意图

初始值需进行 2 次独立观测，取 2 次观测均值作为监测点的初始高程。由于三角高程测量受大气遮光的影响较大，初始值的采集宜安排在夜间或上、下午分别进行。

3.3 主跨监测方法

跨湖区段主桥为 75 m+130 m+75 m 变截面预应力混凝土连续梁桥，主跨跨度为 130 m。为了提高主跨墩柱沉降监测精度，在主跨对应的 2 个桥墩位置布设 2 个工作基点，全站仪架设在桥墩和工作基点之间，利用三角高程测量可以得到监测点的高程。

4 三角高程测量可行性及精度分析

4.1 可行性

将全站仪架设在 2 个桥墩之间，仪器高度约 1.6 m，仪器距桥面边（内护栏内侧）约 1 m。每站观测4 个墩柱，前后各 2 个，前后监测点又分为近桥墩和远桥墩。全站仪与近桥墩、远桥墩之间的相对位置关系如图 5、图 6 所示，据此可以算出视线与水平线的夹角分别为 14.4°和 5.4°。由此可见，全站仪的架设满足三角高程测量的通视性要求和监测要求。

图5 全站仪和近桥墩相对位置关系示意图（单位：m）

图6 全站仪和远桥墩相对位置关系示意图（单位：m）

4.2 精度分析

三角高程测量的原理如图 7 所示。为测定 A、B 两点之间的高差hAB，将全站仪架设在 O 点，A 为后视点，B 为前视点，可测得仪器到 A、B 两点的斜距S1、S2和竖直角α1、α2。由于后视点目标高为固定值，前视点为小棱镜，不需要量取 A、B 两点的目标高，这样可以不考虑目标高的量取误差。同时，仪器距前后视点的距离最大不超过 62 m，地球曲率和大气折光的影响较小，可忽略不计。

图7 三角高程测量原理示意图

因此，A、B 两点间的高差可简化为：

利用公式（1），结合误差传播定律，估算三角高程测量的精度。假设α1≈α2≈α0，S1≈S2≈S0，对该公式进行全微分处理后，可将高差微分形式转化为高差中误差，公式如下：

式（2）中，mα0、mS0分别为竖直角中误差、距离中误差；ρ表示弧度化为秒的乘常数。从式（2）中可以看出，影响三角高程测量精度的误差主要来自于测角误差和测距误差。

本文所采用徕卡 TCRA1201 全站仪精度，角度测量为 1″，距离测量为 1 mm + 1.5 ppm，因此，可以认为mα0= 1″，mα0=（1+1.5×D×10-6）mm，ρ= 206 265。以最大距离和最大垂直角进行计算，可假设α0= 14.4°，S0= 62 m，代入上述公式可得两点之间的高差中误差为mhAB= 0.56 mm 。每一测站进行多测回的观测可以进一步提高监测精度。