长距离多幅线性高架桥梁水平位移监测方法研究

吴乃龙

(福州市勘测院，福建 福州 350108)

1 引 言

随着国民经济高速发展，城市化进程愈加快速，高架桥梁在各大中城市交通路网中起着愈加重要的作用。而如高架桥梁此类的大型建(构)筑物，在竣工后均需长期的监测[1]，以便掌握其使用期间的变形数据，确保安全运营。但长距离多幅线性高架桥梁的监测，传统方法[2，3]往往需要投入大量人力或设备，效率较低，寻求一种操作和计算均较为简便的监测方法，对于城市交通安全发展运营显得尤为重要。

为此，文中提出一种基于GNSS和导线测量布设水平位移基准网的方向观测法[4]，该方法操作常规、坐标系易统一[5]、后期数据处理方便，有效提高了长距离多幅线性高架桥梁监测作业效率，并以福州环岛路第一标高架段工程为例，验证了此方法的高效性。

2 传统监测方法

2.1 自由设站法[6]

全站仪自由设站法是在一个任意点上设站，对多个已知平面控制点(至少两个)和待定点进行边角观测，将观测得到的方向值、距离值和天顶距按间接平差或条件平差[7，8]方法进行计算，从而得到设站点和待定点的坐标值。

图1中P为任意设站点，Oi为已知点，di为待定点，Wi为方向值，Si为距离，KP为测站定向角，ai为方位角，i=1，2，…，n。

基于自由设站法单站多方向观测原理，此方法主要适用于距离较短的线性高架桥梁或范围较小的匝道等。若长距离线多幅性高架桥梁采用自由设站法进行

图1 自由设站法观测示意图

观测，则需在测区内选取多个测站，而每个测站的水平位移基准网均为独立。此时，将多个水平位移基准网统一坐标系是一个较为繁杂的步骤，其次，选取比测站还多的水平位移基准点也是较为困难且繁重的工作。

由上可见，若采用全站仪自由设站法对长距离多幅线性高架桥梁进行监测，则选埋基准点工作量大、后期数据处理运算也较困难。

2.2 基于GNSS布设水平位移基准网的极坐标法[9，10]

由于长距离多幅线性高架桥梁测区范围一般较广，故可考虑采用在测区两侧选取水平位移基准网控制点，采用GNSS观测方法获取统一坐标系下的水平位移基准网数据，而后利用已知数据采用极坐标法对测区进行监测。

该方法虽然在建立统一坐标系上较方便，但对点位选取的要求很高。首先，因受观测精度影响，选取的点位间隔不能太近，而选取间隔太远，则通视条件必然受到影响，如不能通视，则无法完成定向；其次，同样受观测精度影响，不能距离高架桥梁下方太近，故只能布设于高架桥梁附近上方或者较远的位置。若选取高架桥梁附近上方布设，则箱梁下方的桥墩顶部位移则无法观测，若选取距离高架桥梁较远的位置，则观测精度会受到一定影响。GNSS水平位移基准网布设示意图如图2所示。

图2 GNSS水平位移基准网布设示意图

由上可见，若采用基于GNSS布设水平位移基准网的极坐标法对长距离多幅线性高架桥梁进行监测，则对选埋的水平位移基准点要求高，且观测精度不能保证。

3 一种基于GNSS和导线测量布设水平位移基准网的方向观测法

3.1 水平位移布设基准网方法

(1)GNSS控制点选取

根据长距离线性多幅高架桥梁结构特点，分别在结构两端监测体外部稳固区域选取2个相互通视的GNSS控制点，即各选取一条起算边，要求两端起算边能与测区各自端头附近的某座内侧桥墩通视即可。

(2)导线点选取

根据测区通视条件，在多幅高架桥梁内侧即结构横断面中选取导线点，并随测区线路方向逐点布设，间距设为 150 m～300 m，相邻导线点间两两通视。为此，可与GNSS控制点组成一条(或多条)附合导线。

3.2 方向观测法

以已布设的附合导线为水平位移基准网，监测时以导线点作为工作基点，以其相邻一端的通视导线点为定向点，以其相邻另一端的通视导线点为检核点，采用方向观测法对测区监测点进行数据采集。

4 工程实例

4.1 工程概况

福州市环岛路工程第一标段全长 1 534.852 m，其中里程K0+391至K1+289为高架段，主线桥分左、右两幅，并于里程K0+540断面有两幅长度均为 320 m(高架段长度分别 233 m、165 m)的G、H附属匝道桥。主线桥左、右幅各设有30排(31座)桥墩，G、H匝道各设有5座桥墩，并建有上下行路基段。为获取工程主附桥梁运营期结构变形数据，需对其进行水平位移和竖向位移监测。(本工程竖向位移采用几何水准测量法进行观测，因实施较为简易，故不再赘述。)

4.2 水平位移基准网布设

根据工程线性结构特征，水平位移基准网采用GNSS控制网结合附合导线测量法进行布设。其中在小里程端和大里程端测区外，分别选取2个GNSS控制点GNA、GNB、GNC、GND作为起算边，在主线桥左幅内侧里程K0+360、K0+713和主线桥右幅内侧里程K0+525、K1+080桥墩上各选取1个导线点，组成一条附合导线(如图3所示)。

图3 水平位移基准网布设示意图

4.3 水平位移基准网测量

(1)GNSS控制网测量

采用Trimble R4型接收机(标称静态精度：3 mm+0.5 ppm)，按《建筑变形测量规范》-JGJ8-2016二等测量作业要求进行，如表1所示。

GNSS静态测量技术要求 表1

其中本次施测观测时段为60 min，采样间隔为 15 s。GNSS控制网独立观测2次。以城市连续运行CORS站为起算数据，经基线解算、三维无约束平差和二维约束平差，获得GNA、GNB、GNC、GND起算点坐标，如表2、表3所示。

三维无约束平差最弱精度统计一览表 表2

二维约束平差最弱边精度统计一览表 表3

(2)附合导线测量

采用Leica TM50高精度全站仪(标称精度：0.5″，0.6 mm+1 ppm)，以GNA-GNB、GNC-GND为起算边，ZEJ1、ZEJ2、ZEJ3、ZEJ4为导线点，按《工程测量标准》GB50026-2020四等导线测量要求进行独立观测2次，经约束平差，获得各导线点坐标。本项目水平位移基准网观测精度如表4所示：

水平位移基准网精度统计表 表4

4.4 水平位移监测点布设与观测

(1)水平位移监测点布设

本工程水平位移监测点布设原则：在各桥墩顶部布设1个监测点，箱涵伸缩缝左右两侧各布设1个监测点，路基段与箱涵衔接处布设1个监测点。本项目主线桥共布设96个监测点，附属匝道桥共布设12个监测点，合计108个监测点。

(2)水平位移监测点观测

采用Leica TM50高精度全站仪，分别以GNSS控制点已知点、导线点作为工作基点和定向点，按《建筑变形测量规范》-JGJ8-2016二等水平位移监测要求，以方向观测法进行数据采集。经平差数据处理，最弱点精度符合规范(坐标中误差 3 mm)要求，如表5所示：

水平位移监测网精度统计表 表5

5 结 语

随着国内各大城市交通路网完善，提高土地空间利用率，线性多幅高架桥梁也越来越多，其安全运营有着至关重要的意义。传统监测方法对于大型线性建(构)筑物有诸多受限情形，采用文中所述方法可提高作业效率。

(1)采用仪器设备均为常见设备，主要在于基准网布设的方法不同。导线点布设于结构内部相对布设在测区两侧，内侧布点可增加单站观测点数，减少设站次数。

(2)工作基点间通视，可对工作基点稳定性检核，同时还能将相邻设站个别通视受限的监测点补测完整，减少漏测率。

(3)水平位移基准网坐标系具有统一性，大大减少了后期数据处理的工作量。

(4)若测区是超长距离多幅线性高架桥梁，可能需要布设超过10个以上的导线点时，则可在中部增加GNSS控制边，保证水平基准网精度。

此外，文中所述方法主要适用于陆地部分的长距离线性高架桥梁，水面部分主要还是采用传统两侧、两岸的观测方法，仍处于低效率作业阶段，提高其水面部分的作业效率还有待进一步研究。