在役公路桥梁位移沉降观测技术的应用研究

梁茂景，赵鹍鹏

(山东交通学院，山东 济南 250357)

1 引 言

因早期对竣工后桥梁位移沉降观测重视度的差异，大多数现役桥梁在施工结束后未及时设置位移沉降观测控制点和永久性观测点，以致无法对现役桥梁的位移沉降进行监测，无法对桥梁的稳定性进行有效分析，这是桥梁养护工作中普遍存在的问题。为了更好地掌握桥梁在营运过程中的位移沉降状态，需对未设置永久性观测点的桥梁按规定进行补设，以便完成桥梁的位移沉降观测，此项工作对桥梁养护十分重要。

关于桥梁位移沉降观测的技术和方法，国内许多专业人士对其进行了广泛研究。杨泽明[1]采用了精密几何水准测量的方法开展了桥梁的沉降观测工作，在进行观测时，将出现的各种偏差现象控制在相关要求的范围之内。黄大虎[2]从变形监测理论入手，结合多年实践经验介绍了桥梁监测中涉及的一些基本概念，包括桥梁监测中基准点，工作基点和变形观测点介绍、监测网的布设原则、一般网形示例介绍、引起桥梁不均匀沉降的原因及监测网点位置安排等内容。孙晓晖等[3]详细分析了在铁路客运专线中对桥梁沉降观测的内容、对测绘基点的分布设置、观测时的精度要求和频度、桥梁沉降的判断准绳以及评定的方式等，为施工的质量打下了很好的基础。宋剑等[4]在城际铁路桥梁下部结构施工过程沉降观测时，桥梁墩台水准路线观测按照二等水准测量精度要求形成闭合水准路线，观测数据中误差均小于规范值±1 mm，观测数据满足了精度要求。郭伟[5]以沪昆高铁江西段五标金仙特大桥以及肖家特大桥的建设过程为背景，对高速铁路桥梁沉降观测技术做出系统的总结和分析，并结合了曲线拟合，灰色系统模型等分析方法，对桥梁进行了建设过程沉降的分析以及对桥梁墩台沉降量的进行了精准预测。

上述文献对桥梁位移沉降观测进行了深入研究，但在位移沉降观测时只对桥梁部分主体结构进行观测，未将桥面高程与桥墩高程进行联测。另外，桥梁竣工后施工基准点基本不做保留，增加了运营期桥梁沉降观测工作的难度。本文结合龙青高速墨水河大桥位移沉降观测项目，通过建立独立坐标网并测量测点相对坐标的方法对桥梁进行位移沉降观测，实现了桥梁的沉降、位移及倾斜度的全面监测。

2 仪器选用

测量仪器的精度直接决定了测量结果的精确度，为保证在役桥梁位移沉降观测结果的测量精度，需根据各类仪器的特点及优势进行选用。桥梁桥面测点间高程变化较小，桥面沉降的测量选用天宝DiNi03精密电子水准仪(1 km的往返测中差为0.3 mm)。桥墩测点依托桥下地形布设，其高程相差较大，桥墩的沉降、位移及倾斜度的测量选用徕卡TM30系列(0.5″)高精度精密全站仪。在保证测量精度的前提下两种仪器配合使用，既能提高工作效率，又能实现桥梁的沉降、位移及倾斜度的全面观测。

3 控制网建立

3.1 基准点布设

基准点在整个位移沉降观测工作中起到了至关重要的作用，基准点的位移或损坏都会使位移沉降观测结果受到影响，甚至造成整个坐标系统失去作用。位移沉降观测必须确保控制点的可靠性，才能保证测量结果的准确性。国家基准点可靠性高，但高速公路路线较长，并非每座桥梁附近都有国家基准点，如果用国家基准点引测临时基准点，不仅会增大测量误差，还会使测量工作更加繁重。桥梁变形量是一个相对值，可在桥位附近布设永久性基准点，建立独立坐标系统，采用相对坐标进行测量结果对比，即可得出桥梁的沉降、位移及倾斜度的变化值。

基准点的布设位置及类型应根据现场踏勘情况进行确定，不仅要考虑土层的稳定性和测量的方便性，还要确保三个基准点通视且布设位置尽量隐蔽，便于保护。可参考水准点的类型(基岩水准点、基本水准点、普通水准点)确定永久基准点的布设类型，根据《建筑变形测量规范》[6]中第5.2.1节规定“沉降观测应设置沉降基准点。特等、一等沉降观测，基准点不应少于4个；其他等级沉降观测，基准点不应少于3个”。为了后期直观地观测桥梁倾斜度的变化方向，布设基准点时应注意BM1和BM3的连线须与桥梁的纵向轴线垂直，且∠BM2-BM1-BM3宜为锐角。

3.2 坐标网建立

采用假定高程系统，假定BM1的高程为20.000 00 m，使用精密电子水准仪对三个永久基准点采用闭合水准路线二等水准要求进行往返联测，闭合误差需符合相关规范的要求，经平差计算后的高程数据作为该桥梁基准点的高程。经测量并平差后BM2的高程为20.569 24 m，BM3的高程为21.397 18 m。

采用独立坐标系统，假定BM1的坐标为(20.000 00，20.000 00，20.000 00)，使用高精度精密全站仪里的测距和测角功能，分别测出BM1和BM2之间的水平距离HD为120.624 52 m，水平夹角α为85°45′51″，根据公式(1)和公式(2)可计算出BM2的平面坐标(28.909 56，140.295 03，20.569 24)，再用全站仪以BM1和BM2为控制点“对中整平，后视定向”，测出BM3的坐标为(100.638 18，20.000 00，21.397 18)。

X=20.000 00+HD×cosα

(1)

Y=20.000 00+HD×sinα

(2)

式中：HD为BM1与BM2之间的水平距离，m；α为水平夹角∠BM2-BM1-BM3，°。

在确定基准点的坐标时应对基准点进行联测并相互校核，且测量次数不少于3次，取读数稳定的2组数的平均值作为永久基准点的坐标。

4 测点布设及测量

4.1 位移沉降观测点布设

位移沉降观测点包括桥面高程永久测点、墩台高程永久测点和墩台倾斜度观测点。

桥面高程永久测点是相对于基准点而设立的高程测点，一方面用于观测桥面线形的平顺度，另一方面主要用于观测桥梁在运营过程中的连续沉降。由于桥梁已全部竣工通车，桥面高程永久测点采用十字测钉钉入方式进行设置。观测点的纵向位置在桥跨的支点、1/4L、1/2L、3/4L处，横向位置在桥梁两侧护栏内侧约20 cm处。

桥梁墩台高程永久测点是相对于基准点而设立的高程测点，主要用于观测桥墩在运营过程中的沉降。桥梁墩台倾斜度观测点与桥梁墩台高程测点共用，桥梁墩台高程及倾斜度永久测点采用反射片进行设置，墩台观测点分上下两个反射片，两个反射片的高程差宜为1 m左右。桥台永久测点设置于桥台台帽外侧，桥墩永久测点设置于每排桥墩两外侧墩柱上，主要用于观测桥梁墩台在运营过程中的水平倾斜变位及沉降。

4.2 位移沉降观测点测量

桥面高程永久测点的测量采用闭合水准路线，根据现场实际情况合理选择测量路线。考虑桥面与桥下的高程差较大，同时为了减少测量的工作量，可先将桥下基准点的高程引测至桥面的临时基准点上，引测路线须闭合，闭合误差须符合二等水准要求。桥面高程永久测点高程测量时用临时基准点闭合，观测方法为：往测测站数为奇数时“后—前—前—后”，测站数为偶数站时“前—后—后—前”；返测测站数为奇数站时“后—前—前—后”，测站数为偶数站时“前—后—后—前”。往测改为返测时，两根铟钢尺须互换。

桥梁墩台高程永久测点需测出观测点的三维坐标，水平坐标(X，Y)用于计算桥墩倾斜度的变化，高程数据Z用于计算桥墩的沉降值。因桥下地势限制，测量方法采用后方交会法进行测量，测量时测站点与两个控制点之间的夹角一般为60°～120°之间，夹角过大或过小都容易对精度造成影响，架设仪器时还需考虑测量过程中的“长边控制短边”，可提高测量精度。

测量频率一般为1次/年，如遇特殊情况或有其他要求时可增加测量频次，可保证测量数据的连续性，但每次测量的方法及程序须固定不变。

4.3 测量数据的处理方法

沉降观测数据须进行严格的平差计算，将误差分配至各个测点，得出最终结果。当精度不符合要求时须及时进行补测或重测。

两反射片连线的倾斜度初始值需通过两个反射片的坐标差值计算得出，用两次测量数据计算得出两反射片连线倾斜度的变化值即为桥梁墩台倾斜度的变化值。假设桥墩反射片的初测坐标为：下反射片(X1，Y1，Z1)，上反射片(X2，Y2，Z2)，根据公式(3)、公式(4)可计算反射片横向和纵向倾斜度的初始值

β1=arctan[(X2-X1)/(Z2-Z1)]

(3)

β2=arctan[(Y2-Y1)/(Z2-Z1)]

(4)

式中：β1为横桥向倾斜度初始值，°；β2为纵桥向倾斜度初始值，°。

两次测量桥面高程永久测点和桥梁墩台高程永久测点即可得出桥梁桥面沉降值、桥墩沉降值和桥墩倾斜度变化数据。两次测量结果的差值如通过曲线、表格等方式处理，可更直观的看出数据变化趋势。

4.4 测量结果的汇总与分析

对龙青高速墨水河大桥的沉降和位移进行初测和复测，汇总两次测量数据并进行对比分析，观测数据变化值汇总结果如表1所示。

表1 墨水河大桥沉降位移观测数据变化值汇总表

通过表1数据可知，桥面高程最大变化值为2.95 mm，桥墩高程最大变化值为1.60 mm，桥墩倾斜度最大变化值为0.070°。因测量时桥面处于通车状态，并考虑温度因素和测量误差的影响，判定桥梁沉降位移的变化值处于正常范围之内，桥梁处于稳定状态。

5 结 语

(1)变化值较大的位置在下次复测时应加强观测，并及时进行原因分析。

(2)为确保桥梁沉降位移观测的连续性，更好的掌握桥梁的变位情况，应加强对桥梁基准点、桥面永久测点、桥墩永久测点的保护。

(3)该测量方法在墨水河大桥上的运用，精确地测量了桥梁沉降、位移及倾斜度，得到了在役桥梁的变形数据，为桥梁的日常养护和维修加固工作提供了准确的数据支持。同时也实现了桥面高程和桥墩高程的联测，达到了预期的效果。