铁路大跨度斜拉桥上无砟轨道精测网测设方法

2019-06-03李雷

铁道建筑 2019年5期

李雷

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

大跨度斜拉桥[1]具有桥型美观、易于修建和维护等特点，因此在公路系统中普遍采用。公路系统的大跨度斜拉桥一般指主跨跨度大于500 m的斜拉桥。由于其跨度大，且一般为漂浮或半漂浮体系，因此不论在施工还是在运营维护过程中，大跨度斜拉桥均存在桥面变形大和主梁结构稳定性差[2-3]的问题。高速铁路大多采用无砟轨道，而无砟轨道要求线下结构稳定，无变形或变形小，因此迄今为止我国还没有在跨度大于250 m的斜拉桥上铺设无砟轨道的先例。同样的道理，我国目前也没有在跨度大于250 m的铁路斜拉桥上测设高精度精密测量控制网[4](简称精测网)的先例和经验。高速铁路精测网包括基础平面控制网(CPⅠ)、线路平面控制网(CPⅡ)、轨道三维控制网(CPⅢ)和线路水准基点控制网，其精度要求高[5]，是无砟轨道铺设和长钢轨精测与精调的基础。

为推动在更大跨度高速铁路桥梁上铺设无砟轨道，本文依托昌赣客运专线赣江特大桥(为主跨300 m的斜拉桥)进行大跨度斜拉桥上铺设无砟轨道技术深化研究。为实现在大跨度斜拉桥上铺设无砟轨道和进行长钢轨的精测与精调，需要配套研究如何在大跨度斜拉桥上测设满足无砟轨道铺设要求的高精度精测网。在大跨度斜拉桥上测设无砟轨道精测网的难点主要有：①根据CPⅢ网点纵向间距一般为60 m左右的布点要求，有些CPⅢ点将不可避免地布设在主梁的不稳定位置，这将导致这些CPⅢ点的三维坐标随主梁荷载和环境温度的变化而变化[6-8]；②如何根据主梁的实际荷载情况和环境温度，快速得到桥上各个CPⅢ点的坐标和高程，使这些CPⅢ点的坐标和高程尽可能地少受测量过程中环境变化的影响。

本文结合赣江特大桥的结构特点，研究如何合理布设桥上CPⅡ,CPⅢ点和水准点的位置，使与该桥无砟轨道铺设有关的全部CPⅡ点和水准点点位稳定，部分CPⅢ点点位稳定，使这些点不存在其点位随荷载和环境温度变化而变化的问题；同时研究合理、可靠的桥上精测网测量方法，使桥上精测网在测量过程中控制点的坐标和高程受环境影响尽可能地小。

1 赣江特大桥工程概况

赣江特大桥全长 2 160 m，其线路立面如图1所示。主桥结构采用(35+40+60+300+60+40+35)m混合梁斜拉桥，边跨设置2个过渡墩和1个边墩，主跨跨径为300 m。

2 桥上各类控制点布设方法

如前所述，高速铁路精测网包括CPⅠ,CPⅡ,CPⅢ 和线路水准基点网，下面根据主桥的结构特点、跨径布置，并基于稳定性方面的考虑，介绍主桥上各类控制点的布设方法。

图1 线路立面示意

需要说明的是，由于高速铁路要求在桥梁段相邻CPⅠ点间的纵向间距为4 km左右，而本项目中斜拉桥全长仅为572 m，所以主桥上无需布设CPⅠ点。

2.1 线路水准基点布设方法

虽然高速铁路的线路水准基点间纵向间距为2 km 左右，但是考虑到快速测设主桥上CPⅢ点高程的需要，以及主塔是斜拉桥上唯一稳定的结构物，且两侧引桥固定支座防撞墙顶面是稳定的，为此应该在每个主塔略高于主梁的合适位置布设2个水准基点，如图2所示。除此之外在两侧引桥靠近主桥的固定支座防撞墙顶面各布设1个水准基点，这样在主桥及其两侧引桥上共布设6个稳定的水准基点，构成主桥上无砟轨道铺设的线路水准基点网。

图2 水准基点布设位置示意

2.2 CPⅡ点布设方法

高速铁路CPⅡ点间的纵向间距为500 m左右，考虑到快速测设主桥上CPⅢ点高程的需要，以及主桥两侧引桥固定支座防撞墙顶面是稳定的，且主塔是稳定结构物，因此在每个主塔略高于主梁的合适位置布设2个CPⅡ点，同时在主桥两侧引桥相距约300 m的固定支座防撞墙顶面各布设2个CPⅡ点，这样共8个稳定的CPⅡ点组成全桥CPⅡ控制网，如图3所示。

2.3 CPⅢ点布设方法

高速铁路要求相邻CPⅢ点间的纵向间距为60 m左右。斜拉桥虽然整体稳定性差，但是桥上还是有部分位置其纵向和竖向均是稳定的，如主塔与主梁大致等高的塔柱内侧；主梁上还有部分位置竖向是稳定的，如各个过渡墩顶部的防撞墙顶面。当然，中跨主梁上的各个位置其纵向和竖向均不稳定。由于铁路斜拉桥的桥面宽度不大，所以荷载和温度变化引起的桥梁结构横向变形较小，根据经验基本上可忽略不计。为了使主桥上的CPⅢ点尽可能具有较好的稳定性，本文按照以下原则和方法布设桥上CPⅢ点对：

1)在靠近主桥的两侧引桥固定支座正上方的防撞墙顶面，大小里程分别布设1对双向(纵向和竖向)稳定的CPⅢ点。

2)在大小里程靠近主塔的第1个过渡墩防撞墙顶面，分别布设1对竖向稳定的CPⅢ点。

3)在大小里程的主塔内侧面，分别布设1对双向稳定的CPⅢ点，此处的CPⅢ点可与同样布设在该位置处的CPⅡ点和水准基点共桩，做到3类控制点共用1个点位。

4)在中跨的五等分处，分别布设1对CPⅢ点，这些CPⅢ点对的双向均是不稳定的。

这样主桥上的CPⅢ网共有10对共20个CPⅢ点，具体布设位置如图4所示。

图4 主桥上CPⅢ点布设位置示意(单位：m)

3 桥上各类精测网测量方法

根据高速铁路无砟轨道铺设的精度要求，同时结合斜拉桥的结构特点、变形规律，以及按照以上方法布设的桥上各类控制点的稳定性情况，制定桥上各类精测网的测量方法。

3.1 线路水准基点网测量方法

目前我国高速铁路的水准基点网一般情况下是采用电子水准仪，按照二等水准测量方法测量线路沿线。本项目由于斜拉桥的桥长短(570 m)，因此也采用二等水准测量方法测量上述6个水准基点的高程，并将这6个水准基点的高程作为CPⅢ高程网的起算点。

3.2 CPⅡ网测量方法

在路基和桥梁段，高速铁路的CPⅡ控制网一般采用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)静态相对定位的方法，按照三等的精度要求进行外业测量和内业数据处理，起算数据为CPⅡ网附近的CPⅠ点坐标。考虑到斜拉桥主塔内侧的4个 CPⅡ点无法采用GNSS的方法测量，因此提出主桥CPⅡ控制网测量方法。

1)利用离主桥最近的2个CPⅠ点(起算点)，采用GNSS静态相对定位的方法，测量主桥两侧引桥上的4个CPⅡ点的坐标，测量精度为GNSS三等。

2)利用主桥两侧引桥上的4个CPⅡ点(起算点)，采用智能型全站仪固定测站与自由测站相结合的边角网测量方法，测量主塔内侧的4个CPⅡ点的坐标，测量精度为三等边角网[9]。

固定测站与自由测站相结合的边角网测量网形如图5所示。

图5 主桥CPⅡ控制网测量网形示意

3.3 CPⅢ三维网测量方法

CPⅢ三维网包括CPⅢ平面网和CPⅢ高程网，是高速铁路无砟轨道铺设和长钢轨精测与精调的测量基准。目前一般情况下是采用智能型全站仪自由测站边角交会网的方法测量CPⅢ平面网，再采用智能型全站仪测量CPⅢ高程网。考虑到主桥上有6对CPⅢ点的纵向坐标和4对CPⅢ点的高程将随桥面荷载和环境温度的变化而变化，因此主桥上的CPⅢ三维网应该采用2台智能型全站仪同时从大小里程向中跨进行测量，在测量CPⅢ平面网的同时，采用全站仪的三维观测值组建CPⅢ三角高程网[10]，以达到在尽可能短的时间内完成主桥上CPⅢ平面网和高程网的同时测量，使桥面荷载和环境温度变化对CPⅢ点位的影响降低到最小。