馬鞍山長江公路大橋主纜施工線形控制技術(shù)

周亞軍 許雄飛

摘 要：馬鞍山長江公路大橋懸索橋主纜架設施工中，空纜線形控制精度尤為重要，是橋面線形是否滿足設計要求的基礎。為此需要設計相應的測量工裝，確保施工中測量技術(shù)的順利實施，制定專項測量方法，保證測量精度的準確性，結(jié)合施工中線形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，指導主纜線形調(diào)整。重點介紹主纜架設中線形測量的方法，測量工裝介紹，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和主纜線形調(diào)整方法等全過程控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：懸索橋;基準索;線形監(jiān)測;控制技術(shù)

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0149-04

1 工程概況

馬鞍山長江公路大橋主橋橋型方案為主跨2×1080m三塔兩跨懸索橋，設計車速100km/h。

主纜兩主跨跨度均為1080m，矢跨比為1/9，背纜跨度均為360m，中、邊塔頂處主纜JD點高程均為+178.3m，主纜理論散索點高程均為+30.0m，兩根主纜橫橋向的中心間距為35m（如圖1）。主纜長約3045.53m，重約7115.26t，由154股91絲預制平行索股組成。索股用定型捆扎帶綁扎而成，使其斷面成正六邊形，兩端設熱鑄錨頭。主纜索股經(jīng)成型調(diào)整按一定的排列置入散索鞍、主索鞍鞍槽內(nèi)固定。索股經(jīng)過緊纜而形成主纜結(jié)構(gòu)。

2 塔錨聯(lián)測

上部結(jié)構(gòu)安裝工程已完成索鞍及門架系統(tǒng)安裝，即將進入貓道施工階段。為了采集整個懸索橋上部結(jié)構(gòu)索塔、錨碇的初始相對位置與幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)，同步實施初始監(jiān)測。為了模擬實際主纜線形，需要采集塔錨在裸塔狀態(tài)下的初始數(shù)據(jù)。測量內(nèi)容主要包括散索鞍基準位置測量、碇沉降和位移監(jiān)測、頂高程傳遞、塔索鞍測量與索塔變形監(jiān)測的聯(lián)測、塔跨度測量、塔沉降監(jiān)測。

索鞍定位需要在各塔上橫梁建立2個強制歸心加密點。待溫度恒定，風小的夜間，后方交會法使用全站儀TCA2003結(jié)合CPⅢ操作手簿自動觀測，三塔加密同時進行，保證坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一性。索鞍定位后，直接在邊塔索鞍中心架設儀器，測量中塔索鞍中心平距，經(jīng)過投影改正后與索鞍定位實測坐標反算平距進行對比，同時對比利用三塔加密點直接測定個點之間平距（經(jīng)過投影改正）換算后的跨徑，確保系統(tǒng)的統(tǒng)一性。因為在以后索股測量時觀測跨徑過程中，由于索股的收放都是在索鞍區(qū)域內(nèi)進行，索鞍中心不易架設儀器。利用塔頂加密點間平距變化量來代替跨徑變化量非常方便，容易操作。

塔錨聯(lián)測塔頂高程傳遞采用天頂距法，將地面高程引測至塔頂加密點，控制索鞍安裝高程，從而確定初始塔高。溫度變化產(chǎn)生塔柱混凝土豎向變形，需要定期測定塔高變化量，增加實測人員工作量。利用塔偏觀測點，全站儀測量北塔承臺水準點高程及上橫梁水準點高程，計算高差變化量等同于塔高變化量。因為三角高程最大影響因素為折光系數(shù)，距離跟觀測精度成正比，同一觀測環(huán)境下這一主要測量誤差可以相互抵消。測量精度得到保障，觀測效率明顯提高，人員及儀器得到精減。

索塔偏位監(jiān)測是為了后續(xù)施工中索塔位置狀態(tài)發(fā)生變化修正監(jiān)測模型，通過在地面控制點建站，采用全站儀三維坐標法測量。監(jiān)測點采用預埋套管+焊接10cm桿件裝配微棱鏡方式，布設于塔頂邊角上。其他工況下監(jiān)測均采用第一次的設站及定向方式，保持數(shù)據(jù)的延續(xù)性。由于中塔距離邊塔塔偏監(jiān)測點較遠，單向定位待測點平面位置精度底，連續(xù)觀測值浮動大。導致測量中塔塔偏結(jié)果不可靠。中塔塔偏利用跨徑變化量和邊塔偏移量推算，較好完成三塔監(jiān)測且相對幾何關(guān)系統(tǒng)一，有利于監(jiān)控建模。但是夜間理想觀測時段為12：00～4：00，導致觀測時多次建站，效率不高。中塔監(jiān)測棱鏡可用于鋼箱梁吊裝時索塔偏位監(jiān)測，此時觀測精度要求不高，使得監(jiān)測方便快捷。

3 主纜架設

懸索橋空纜線形基本決定了成橋狀態(tài)橋面線形及主纜線形。空纜線形主要取決于基準索股及一般索股架設精度。基準索股線形測定是至關(guān)重要的?；鶞仕鞴纱苟葴y量方法是絕對高程法，一般索股是參照基準索股進行垂度調(diào)整。

基準索股經(jīng)過雙線往復式牽引系統(tǒng)牽引完成后，相應經(jīng)過橫移、整形、入鞍、入錨等工序，初步完成架設。此過程可以在白天完成。索股上相應于散索鞍處、邊跨跨中、主索鞍處、主跨跨中以及兩端錨頭附近共設置了十三個標志點，做為索股垂度調(diào)整參考點，并作了特定標記。調(diào)索前將索股的主索鞍處特定標志點對準中塔主索鞍上相應的標志點，利用南北塔頂卷揚機收放索股，實現(xiàn)調(diào)整索股跨中垂度的目的。

基準索股跨中垂度測定方法主要采用單向三角高程法，測量精度主要受大氣折光和外界環(huán)境因素的影響。結(jié)合本橋特點，跨度較大，根據(jù)單向三角高程測量原理及誤差傳播規(guī)律。高程測量誤差與距離成正比。因此折光系數(shù)的測定至關(guān)重要。利用業(yè)主提供中塔跨江水準點與岸側(cè)水準點測量兩點高差反算折光系數(shù)k，輸入儀器并驗證k值的準確性。測區(qū)k值范圍為：0.17～0.23。

外界環(huán)境因素主要包括溫度、風速、天氣情況等條件，其直接影響到測量方案的布置。根據(jù)監(jiān)控單位方面的要求，索股穩(wěn)定的條件是：長度方向索股的溫差ΔT≤2℃，斷面方向索股的溫差ΔT≤1℃;沒有雨霧;風速不大于7.9m/s;觀測時段為夜間12：00-3：00。

3.1 溫度測量系統(tǒng)

索股線形主要受溫度及跨徑的影響較大，影響參數(shù)見表1。

索股溫度的測量用接觸式溫度計，精度0.1度。采用MINI_SCADA軟件測量索股表面溫度，Enview軟件以短信的形式與測溫軟件MINI_SCADA進行通信，采集各測點索股溫度，測點沿長度方向布置為：邊跨跨中、塔頂、跨中、散索鞍處共9個斷面;測點沿斷面方向布置為：索股上緣及下緣。測點布置見圖2。塔體溫度測量：分別在南、北塔及中塔上、下橫梁處測量塔體的外表溫度。

3.2 測量方法

整個索股線形觀測時對外界條件要求苛刻，同時測量的有效時間很短，每天夜間測量所需觀測數(shù)據(jù)量大，所以在保證測量精度的前提下，方便快捷、高效、經(jīng)濟是優(yōu)化測量方法的原則。

（1）索塔塔偏監(jiān)測：索塔水平位移及扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)測，貫穿于整個上部結(jié)構(gòu)安裝施工過程。其測量精度直接影響到橋塔建模精確度。索塔偏位主要表現(xiàn)在受貓道和索股荷載不平衡和架梁及索鞍頂推時發(fā)生順橋向偏移。測量控制點布置在后錨橋軸線處，觀測測量站點至鏡點平距，推算索塔水平位移及扭轉(zhuǎn)。此時觀測上橫梁監(jiān)測點可以消除定向誤差，提高測量精度。

（2）散索鞍偏移監(jiān)測：利用塔偏測量點觀測散索鞍動態(tài)，采用簡單三維坐標觀測散索鞍監(jiān)測點變化量。由于距離很小，清晰度高，可以得到較高精度。

（3）跨徑測量：利用塔頂加密點間平距變化量（經(jīng)投影改正后換算至索鞍中心距離）來代替跨徑變化量。由于采用較高精度測量儀器（徠卡TCA2003）觀測距離精度高±（1mm+ 1ppm）;完全滿足設計要求，且操作方便，效率高。

（4）索塔塔高變化量測量：由于首次塔錨聯(lián)測時已經(jīng)測定索塔高度，在以后的每一次主纜線形監(jiān)測時，采用初始測量模型（天頂距法）測定塔高變化量或者測定塔頂、塔底水準點高差來反算塔高變化量。后者簡捷，快速。

測定基準索股時索股處于自由狀態(tài)，索股截面為正六邊形。測定索股中心高程時，索股處于扭轉(zhuǎn)且受微風影響小幅度擺動。采用常規(guī)測量方法無法架立監(jiān)測棱鏡。特制測量工裝見圖3。

將測量工裝安裝于索股跨中位置，在岸側(cè)控制點建站，單向三角高程法測量工裝上下對稱棱鏡中心高程，正倒鏡6測回為一組觀測數(shù)據(jù)，其中出現(xiàn)波動較大的應剔除補測，取其平均值作為最終測量結(jié)果。該方法消除索股傾斜和擺動時帶來的不確定誤差。

在中塔下橫梁頂面中心位置建立一個專用控制點見圖4，受貓道面網(wǎng)遮擋視線，在工裝下增加1.5m長度的特制連接桿。利用此控制點一次建站，可對兩主跨上下游四個跨中點分別進行垂度觀測，避免了由于多次建站帶來的測站間誤差;另外，該控制點到兩主跨上下游四個跨中點的水平距離基本相等（約540m），天頂距也基本相等，因而對四點的測量中誤差也基本相等，確保了四點相同的測量精度。

兩種方法互為校核，增加了多余觀測，提高了觀測可靠度，觀測精度得到有力保障。

基準索股垂度調(diào)整好后，須進行至少3天穩(wěn)定觀測，確認索股線形完全符合穩(wěn)定要求后，其中主跨絕對高程允許誤差為（+40，-20mm），邊跨為（+50，-30mm），上下游高差為（+10，-10mm）如全部結(jié)果都未超過允許偏差的范圍，第一根索股的垂度即調(diào)整完成。將連續(xù)3天觀測數(shù)據(jù)經(jīng)算術(shù)平均后作為基準索股最終線形。

3.3 作業(yè)安排

基準索股線形測量是覆蓋馬鞍山大橋主橋全線觀測，涉及測量內(nèi)容廣，作業(yè)面多，參與人員及儀器數(shù)量多。建立現(xiàn)場指揮辦公部門，統(tǒng)一調(diào)度指揮，主要組成為：施工單位測量負責人員，監(jiān)控單位線形計算及測溫人員，監(jiān)理及業(yè)主第三方測量負責人員。通過對講機通訊指揮前場觀測工作、現(xiàn)場施工調(diào)索工作和統(tǒng)計外業(yè)數(shù)據(jù)。使得索股線形測量時有序可循，外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)計算耗時最小化，處理現(xiàn)場突發(fā)事件靈活。

一般索股垂度的測量以基準索股或相對基準索股為基準，用水平尺及游標卡尺測定基準索股與待調(diào)一般索股的高差來調(diào)整實現(xiàn)（如圖5）。一般索股的相對垂度測量精度控制在5mm以內(nèi)。采用游標卡尺按以下兩種方法測定索股垂度調(diào)整量：

（1）用于基準索股與待調(diào)相對基準索股調(diào)整高差的測量，Δh=h1-d0/2-d1;（2）用于相對基準索股與待調(diào)一般索股調(diào)整高差的測量，Δh=h1+d0/2-d1。

4 索股線形測量數(shù)據(jù)分析

基準索股跨中垂度按照監(jiān)控計算線形調(diào)整好后，由于多種因素的影響，線形可能會發(fā)生變化，應在其后滿足索股線形測量要求的情況下進行多次監(jiān)測，共采集連續(xù)三個夜間索股線形數(shù)據(jù)，均在監(jiān)控允許范圍內(nèi)，確認線形符合要求。將連續(xù)三個晚上觀測數(shù)據(jù)經(jīng)算術(shù)平均后作為基準索股最終線形。使用液體靜力水準測量即連通管測量方法檢核三角高程法測量上下游高差如表2所示。

表3中各組數(shù)據(jù)高程最大互差：20.4mm;上下游各跨三天穩(wěn)定觀測數(shù)據(jù)之間對比，每天最大互差：16.1mm;上下游最大高差：南邊跨8.0mm;基準索股穩(wěn)定觀測結(jié)果滿足設計及監(jiān)控指令要求，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。

在一般索股架設期間，應根據(jù)監(jiān)控要求，定期復測基準索股的絕對垂度，以檢查基準索股的垂度是否在后續(xù)索股架設中發(fā)生變化，在必要時增加基準索股的測定。

5 結(jié)論

在主纜架設中，按照制定的測量方法實施觀測，工裝的制作保證索股中心高程的準確;結(jié)合長達七天的調(diào)索過程和最后三天的穩(wěn)定性監(jiān)測;充分反映該套技術(shù)能夠吻合線形模擬系統(tǒng)，通過纜索線形數(shù)據(jù)分析，溫度、跨徑、塔偏等綜合變化因素具體影響參數(shù)，對類似工程施工具有指導意義。

參考文獻

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