超大跨公鐵兩用鋼桁梁懸索橋CPⅢ測量技術(shù)研究

朱克成

（中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 引言

隨著世界經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，近年來，世界各國均修建了主孔跨度接近或超過千米的公鐵兩用橋梁。大跨度橋梁具有工程規(guī)模巨大、體系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)輕柔、位移量及結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大、安全性十分重要等顯著特點。本文研究的五峰山長江大橋全長6.4 km，主橋全長1 428 m，為（84＋84＋1 092＋84＋84）m 鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，是我國首座公鐵兩用懸索橋，也是目前世界上荷載最重、行車速度最快的公鐵兩用懸索橋。在溫度、風(fēng)及列車等荷載作用下，橋梁會產(chǎn)生較大的變形，從而引起橋上軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，形成較大的軌道幾何不平順。如何通過保證CPⅢ測量成果精度以進行軌道精調(diào)，從而確保大橋的施工、運營安全及優(yōu)異的服役使用性能尤為重要。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路（簡稱連鎮(zhèn)鐵路）全線施工難度最大橋梁為五峰山長江大橋，全長6.4 km，主橋長1 428 m，采用（84＋84＋1 092＋84＋84）鋼桁梁懸索橋橫跨長江航道，公鐵合建段長2.817 km，為上下兩層，上層公路為雙向八車道高速公路，設(shè)計速度100 km/h；下層鐵路為左側(cè)連鎮(zhèn)雙線客運專線＋右側(cè)預(yù)留雙線客運專線，設(shè)計速度250 km/h。如圖1所示。

圖1 五峰山長江特大橋

2.2 CPⅢ測量重難點分析

五峰山長江大橋荷載工況包括溫度荷載、風(fēng)荷載、公路荷載、鐵路列車荷載和荷載組合［1－3］。主橋為鋼桁梁懸索橋，（84＋84＋1 092＋84＋84）m 橋跨較長，橋面較寬，在溫度等環(huán)境因素作用下會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，其CPⅢ測量存在以下難題：

（1）大跨度鋼桁梁結(jié)構(gòu)變形較大導(dǎo)致CPⅢ測量的技術(shù)指標難以滿足規(guī)范限差要求。

（2）鋼桁梁懸索橋結(jié)構(gòu)因溫度等環(huán)境因素的變化產(chǎn)生較大形變導(dǎo)致CPⅢ點的位置不穩(wěn)定［4－5］。

（3）軌道精調(diào)的精度要求難以達到規(guī)范標準要求。

3 CPⅢ測量技術(shù)

大跨度的鋼桁梁大橋橋上CPⅢ控制點的位置受溫度、日照等外界環(huán)境因素的影響是非常顯著的，即在不同的溫度、日照等外界環(huán)境因素下，橋上CPⅢ控制點的三維坐標是不斷變化的，使橋上高速鐵路軌道的精調(diào)施工無法進行。為了解決這一問題，需CPⅢ點位位置以及溫度等環(huán)境因素的變化進行持續(xù)觀測，而外界環(huán)境的變化在一段時間內(nèi)呈現(xiàn)周期性，例如相鄰幾天會出現(xiàn)相同的氣溫等；同時顧及到外界環(huán)境可以通過一定的環(huán)境參數(shù)表達且可以較方便地獲取到，基于環(huán)境參數(shù)的周期性，利用環(huán)境變化數(shù)據(jù)分析CPⅢ控制網(wǎng)測設(shè)技術(shù)的可實施性。

3.1 CPⅢ點位布設(shè)

本段CPⅢ共布設(shè)72對CPⅢ點，其中北引橋布設(shè)24對CPⅢ點，主橋布設(shè)26對CPⅢ點，南引橋布設(shè)22對CPⅢ點。為保證CPⅢ點在豎向變形最小，主橋CPⅢ埋設(shè)斷面布設(shè)在吊索正下方的鋼質(zhì)擋砟墻頂面，因主橋上相鄰吊索距離14 m，為滿足規(guī)范要求，每間隔4對吊索（即56 m）埋設(shè)一對CPⅢ點，中跨共計79對吊索，布設(shè)20對CPⅢ點，主橋邊跨各布設(shè)3對CPⅢ點，主橋總計布設(shè)26對CPⅢ點。如圖2所示。

圖2 五峰山長江大橋CPⅢ布置

3.2 儀器設(shè)備選型

考慮到CPⅢ控制網(wǎng)測量的精度，以及設(shè)備的穩(wěn)定性，采用TM50測量機器人（見圖3），技術(shù)參數(shù)如下：0.5″的角度精度；0.6 mm＋ 1 ppm 的距離精度；自動瞄準（ATR）和射程3 km，具有高分辨率、自動全景圖像捕捉等功能。

圖3 TM50測量機器人

橋位處氣溫，采用溫濕度計選用美國YOUNG公司的41382VC型溫濕度計（見圖4）。

圖4 41382VC型溫度計

3.3 CPⅢ測量方法

3.3.1 測量方案

五峰山長江大橋總共6 407 m，建網(wǎng)一次性拉通測量不分段。CPⅢ平面、高程測量必須在鋼桁梁變形穩(wěn)定時段且風(fēng)力較?。☉?yīng)小于4級）的時候進行測量，短時間無明顯溫度差異。

CPⅢ網(wǎng)建網(wǎng)平面和高程均應(yīng)獨立測量兩次，兩次測量成果較差小于3 mm時，取其均值作為建網(wǎng)最終成果。若兩次測量成果較差僅個別大于3 mm時，僅需對較差偏大的點及兩端各4對點，采用同精度內(nèi)插的方式進行加密觀測；若兩次測量成果較差普遍大于3 mm時，需要重新進行獨立測量。

為了更好了解連續(xù)鋼桁梁受溫度影響的變化情況，對鋼桁梁做一次24 h靜態(tài)觀測，以便掌握鋼桁梁1 d時間里變形穩(wěn)定的具體時間［6－8］。不同季節(jié)低變形時間也不相同，夏天鋼桁梁變形穩(wěn)定是在晚上23點以后至次日太陽升起之前。

為解決CPⅢ網(wǎng)技術(shù)指標難以滿足規(guī)范限差要求的問題，現(xiàn)場采用快速測量方法，平面及高程測量選擇在夜間溫度相對穩(wěn)定的時間段以極快的速度完成；同時在軌道精調(diào)整理時，選擇與CPⅢ網(wǎng)測量近似的時間、相近的溫度快速精調(diào)完成，同時進行監(jiān)測。

3.3.2 變形觀測

對CPⅢ點的三維坐標進行24 h的靜態(tài)觀測，設(shè)站方式和架站位置見圖5。在通視條件良好的情況下，盡可能多地觀測邊跨以及主跨范圍內(nèi)的測點。白天溫度變化較快時，每30 min觀測一次；太陽下山以后1 h觀測一次。觀測時需要記錄時間、環(huán)境溫度、鋼桁梁溫度、X坐標、Y坐標、Z坐標，其中X坐標主要是了解鋼桁梁受溫度影響縱向伸縮變形情況。

圖5 CPⅢ點觀測示意

根據(jù)對外界環(huán)境因素的綜合分析，本文確定了溫度、梁體形變作為影響橋上CPⅢ控制點位置變化的主要環(huán)境參數(shù)。為了揭示橋上CPⅢ點位置與參數(shù)的關(guān)系，可對橋上CPⅢ點的三維坐標進行平均氣溫每變化1℃觀測一次，連續(xù)觀測6個月的時間進行監(jiān)測實驗，具體時長以數(shù)據(jù)的有效性為準。在監(jiān)測實驗的同時記錄相關(guān)環(huán)境參數(shù)值，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析做準備。

3.3.3 觀測周期及頻次

以48 h為一個周期，每月選擇在不同的溫度范圍內(nèi)進行觀測，在CPⅢ點安裝后開始初始值觀測，初始值觀測不少于3次，并取其穩(wěn)定值作為初始數(shù)據(jù)。各監(jiān)測項目的監(jiān)測周期及頻次，見表1。

表1 監(jiān)測周期及頻次

3.3.4 實測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2觀測數(shù)據(jù)可知，溫度變化小時高程變化較小，CPⅢ網(wǎng)測量選擇在凌晨1：00—4：00，氣溫變化趨于穩(wěn)定，風(fēng)力、水汽、霧等其他環(huán)境因素影響較小。

表2 梁體豎向變形及溫度變化（部分）

4 CPⅢ平差成果分析

4.1 平面控制網(wǎng)平差

CPⅢ控制網(wǎng)采用加密CPⅡ點作為基準，本段加密CPⅡ點采用了GPS加密和自由測站邊角交會兩種方式，數(shù)據(jù)處理采用工程測量平差數(shù)據(jù)處理軟件進行，并對觀測數(shù)據(jù)進行了各項指標差檢核，經(jīng)檢核所有測站數(shù)據(jù)都滿足限差要求。平差處理并統(tǒng)計各項指標差見表3、表4；CPⅢ平面控制網(wǎng)約束后點間相對精度見圖6。

表3 CPⅢ平面自由網(wǎng)平差精度統(tǒng)計

表4 CPⅡ約束平差精度統(tǒng)計

圖6 CPⅢ平面控制網(wǎng)約束后點間相對精度

通過表3、表4可知本段CPⅢ軌道控制網(wǎng)自由網(wǎng)平差距離和方向改正數(shù)均滿足規(guī)范要求，通過圖6可知CPⅢ網(wǎng)平面測量中CPⅡ約束平差各項精度指標滿足規(guī)范要求［9－12］。除此之外本段CPⅢ平面網(wǎng)大、小里程端各連續(xù)6對CPⅢ重疊點中獨立平差坐標成果較差≤3.0 mm，滿足規(guī)范要求，進行下一步搭接處理，采用了與搭接區(qū)段重疊的大、小里程各4個CPⅢ點作為起算點，其搭接約束平差的各項精度指標均滿足相關(guān)規(guī)范要求，CPⅢ平面網(wǎng)重疊點搭接平差成果較差最大值1.9 mm。

4.2 高程控制網(wǎng)平差

本段CPⅢ水準測量采用工程測量平差數(shù)據(jù)處理軟件進行前后視距差、前后視距累計差、視線高度的檢核，經(jīng)檢查原始觀測數(shù)據(jù)滿足精密水準規(guī)范要求，進行平差處理并統(tǒng)計各項指標差，見表5～表7。

表5 CPⅢ高程測量精度統(tǒng)計 mm

表6 相鄰CPⅢ點的水準環(huán)最大閉合差 mm

表7 約束平差附和路線閉合差統(tǒng)計（部分）

由圖7可知高程控制網(wǎng)中相鄰CPⅢ點高差中誤差最大為0.39 mm。

圖7 CPⅢ高程控制網(wǎng)平差高差中誤差

本段CPⅢ高程網(wǎng)大、小里程端各連續(xù)9對CPⅢ重疊點中獨立平差高程成果較差≤3.0 mm，滿足規(guī)范要求，進行下一步搭接處理，采用了與搭接區(qū)段重疊的大、小里程各兩個CPⅢ點作為起算點，其搭接約束平差的各項精度指標均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

連鎮(zhèn)鐵路已開通運營，通過CPⅢ測量和軌道精調(diào)整理的順利實施可得出以下結(jié)論：

（1）CPⅢ控制網(wǎng)測設(shè)中，應(yīng)選擇在夜間溫度相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)快速完成，避免溫度變化大對測量成果產(chǎn)生影響；并選擇無風(fēng)天氣進行測設(shè)，減小風(fēng)荷載的影響。

（2）CPⅢ測量成果應(yīng)及時用于軌道精調(diào)整理及后續(xù)工程施工，使用成果的時間、溫度、風(fēng)力、環(huán)境等必須與CPⅢ測量時一致，加強對CPⅢ控制點的保護工作，施工前必須自檢，確保點位無因溫度、施工過程及其他原因的破壞引起的點位變動；施工過程中被破壞的點位應(yīng)及時按同精度擴展方式進行恢復(fù)測量。

（3）五峰山長江大橋作為目前世界上荷載最重、行車速度最快的公鐵兩用懸索橋已經(jīng)順利運營，平順性良好，采用CPⅢ控制網(wǎng)測量新技術(shù)保證了軌道精調(diào)施工的順利進行。過程中需要繼續(xù)加強監(jiān)測檢測，制定科學(xué)合理的養(yǎng)護方案，在今后的類似工程中推廣應(yīng)用。