朱克成

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，近年來，世界各國(guó)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(diǎn)。本文研究的五峰山長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)6.4 km，主橋全長(zhǎng)1 428 m，為（84＋84＋1 092＋84＋84）m 鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，是我國(guó)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(huì)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(cè)量成果精度以進(jìn)行軌道精調(diào)，從而確保大橋的施工、運(yùn)營(yíng)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(diǎn)分析

2.1 工程概況

新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路（簡(jiǎn)稱連鎮(zhèn)鐵路）全線施工難度最大橋梁為五峰山長(zhǎng)江大橋，全長(zhǎng)6.4 km，主橋長(zhǎng)1 428 m，采用（84＋84＋1 092＋84＋84）鋼桁梁懸索橋橫跨長(zhǎng)江航道，公鐵合建段長(zhǎng)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(jì)速度100 km/h；下層鐵路為左側(cè)連鎮(zhèn)雙線客運(yùn)專線＋右側(cè)預(yù)留雙線客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)速度250 km/h。如圖1所示。

圖1 五峰山長(zhǎng)江特大橋

2.2 CPⅢ測(cè)量重難點(diǎn)分析

五峰山長(zhǎng)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?yàn)殇撹炝簯宜鳂?，?4＋84＋1 092＋84＋84）m 橋跨較長(zhǎng)，橋面較寬，在溫度等環(huán)境因素作用下會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，其CPⅢ測(cè)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(cè)量的技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)的位置不穩(wěn)定［4－5］。

（3）軌道精調(diào)的精度要求難以達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 CPⅢ測(cè)量技術(shù)

大跨度的鋼桁梁大橋橋上CPⅢ控制點(diǎn)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(diǎn)的三維坐標(biāo)是不斷變化的，使橋上高速鐵路軌道的精調(diào)施工無法進(jìn)行。為了解決這一問題，需CPⅢ點(diǎn)位位置以及溫度等環(huán)境因素的變化進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，而外界環(huán)境的變化在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)周期性，例如相鄰幾天會(huì)出現(xiàn)相同的氣溫等；同時(shí)顧及到外界環(huán)境可以通過一定的環(huán)境參數(shù)表達(dá)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(cè)設(shè)技術(shù)的可實(shí)施性。

3.1 CPⅢ點(diǎn)位布設(shè)

本段CPⅢ共布設(shè)72對(duì)CPⅢ點(diǎn)，其中北引橋布設(shè)24對(duì)CPⅢ點(diǎn)，主橋布設(shè)26對(duì)CPⅢ點(diǎn)，南引橋布設(shè)22對(duì)CPⅢ點(diǎn)。為保證CPⅢ點(diǎn)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(duì)吊索（即56 m）埋設(shè)一對(duì)CPⅢ點(diǎn)，中跨共計(jì)79對(duì)吊索，布設(shè)20對(duì)CPⅢ點(diǎn)，主橋邊跨各布設(shè)3對(duì)CPⅢ點(diǎn)，主橋總計(jì)布設(shè)26對(duì)CPⅢ點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 五峰山長(zhǎng)江大橋CPⅢ布置

3.2 儀器設(shè)備選型

考慮到CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量的精度，以及設(shè)備的穩(wěn)定性，采用TM50測(cè)量機(jī)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(dòng)瞄準(zhǔn)（ATR）和射程3 km，具有高分辨率、自動(dòng)全景圖像捕捉等功能。

圖3 TM50測(cè)量機(jī)器人

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

圖4 41382VC型溫度計(jì)

3.3 CPⅢ測(cè)量方法

3.3.1 測(cè)量方案

五峰山長(zhǎng)江大橋總共6 407 m，建網(wǎng)一次性拉通測(cè)量不分段。CPⅢ平面、高程測(cè)量必須在鋼桁梁變形穩(wěn)定時(shí)段且風(fēng)力較小（應(yīng)小于4級(jí)）的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量，短時(shí)間無明顯溫度差異。

CPⅢ網(wǎng)建網(wǎng)平面和高程均應(yīng)獨(dú)立測(cè)量?jī)纱危瑑纱螠y(cè)量成果較差小于3 mm時(shí)，取其均值作為建網(wǎng)最終成果。若兩次測(cè)量成果較差僅個(gè)別大于3 mm時(shí)，僅需對(duì)較差偏大的點(diǎn)及兩端各4對(duì)點(diǎn)，采用同精度內(nèi)插的方式進(jìn)行加密觀測(cè)；若兩次測(cè)量成果較差普遍大于3 mm時(shí)，需要重新進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。

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

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

3.3.2 變形觀測(cè)

對(duì)CPⅢ點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行24 h的靜態(tài)觀測(cè)，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(cè)邊跨以及主跨范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)。白天溫度變化較快時(shí)，每30 min觀測(cè)一次；太陽(yáng)下山以后1 h觀測(cè)一次。觀測(cè)時(shí)需要記錄時(shí)間、環(huán)境溫度、鋼桁梁溫度、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)，其中X坐標(biāo)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(diǎn)觀測(cè)示意

根據(jù)對(duì)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(diǎn)位置變化的主要環(huán)境參數(shù)。為了揭示橋上CPⅢ點(diǎn)位置與參數(shù)的關(guān)系，可對(duì)橋上CPⅢ點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行平均氣溫每變化1℃觀測(cè)一次，連續(xù)觀測(cè)6個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，具體時(shí)長(zhǎng)以數(shù)據(jù)的有效性為準(zhǔn)。在監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)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(zhǔn)備。

3.3.3 觀測(cè)周期及頻次

以48 h為一個(gè)周期，每月選擇在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，在CPⅢ點(diǎn)安裝后開始初始值觀測(cè)，初始值觀測(cè)不少于3次，并取其穩(wěn)定值作為初始數(shù)據(jù)。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)周期及頻次，見表1。

表1 監(jiān)測(cè)周期及頻次

3.3.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，溫度變化小時(shí)高程變化較小，CPⅢ網(wǎng)測(cè)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(diǎn)作為基準(zhǔn)，本段加密CPⅡ點(diǎn)采用了GPS加密和自由測(cè)站邊角交會(huì)兩種方式，數(shù)據(jù)處理采用工程測(cè)量平差數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了各項(xiàng)指標(biāo)差檢核，經(jīng)檢核所有測(cè)站數(shù)據(jù)都滿足限差要求。平差處理并統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)差見表3、表4；CPⅢ平面控制網(wǎng)約束后點(diǎn)間相對(duì)精度見圖6。

表3 CPⅢ平面自由網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)

表4 CPⅡ約束平差精度統(tǒng)計(jì)

圖6 CPⅢ平面控制網(wǎng)約束后點(diǎn)間相對(duì)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(cè)量中CPⅡ約束平差各項(xiàng)精度指標(biāo)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(duì)CPⅢ重疊點(diǎn)中獨(dú)立平差坐標(biāo)成果較差≤3.0 mm，滿足規(guī)范要求，進(jìn)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(gè)CPⅢ點(diǎn)作為起算點(diǎn)，其搭接約束平差的各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，CPⅢ平面網(wǎng)重疊點(diǎn)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(zhǔn)測(cè)量采用工程測(cè)量平差數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行前后視距差、前后視距累計(jì)差、視線高度的檢核，經(jīng)檢查原始觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足精密水準(zhǔn)規(guī)范要求，進(jìn)行平差處理并統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)差，見表5～表7。

表5 CPⅢ高程測(cè)量精度統(tǒng)計(jì) mm

表6 相鄰CPⅢ點(diǎn)的水準(zhǔn)環(huán)最大閉合差 mm

表7 約束平差附和路線閉合差統(tǒng)計(jì)（部分）

由圖7可知高程控制網(wǎng)中相鄰CPⅢ點(diǎn)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(duì)CPⅢ重疊點(diǎn)中獨(dú)立平差高程成果較差≤3.0 mm，滿足規(guī)范要求，進(jìn)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(gè)CPⅢ點(diǎn)作為起算點(diǎn)，其搭接約束平差的各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

連鎮(zhèn)鐵路已開通運(yùn)營(yíng)，通過CPⅢ測(cè)量和軌道精調(diào)整理的順利實(shí)施可得出以下結(jié)論：

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

（2）CPⅢ測(cè)量成果應(yīng)及時(shí)用于軌道精調(diào)整理及后續(xù)工程施工，使用成果的時(shí)間、溫度、風(fēng)力、環(huán)境等必須與CPⅢ測(cè)量時(shí)一致，加強(qiáng)對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)的保護(hù)工作，施工前必須自檢，確保點(diǎn)位無因溫度、施工過程及其他原因的破壞引起的點(diǎn)位變動(dòng)；施工過程中被破壞的點(diǎn)位應(yīng)及時(shí)按同精度擴(kuò)展方式進(jìn)行恢復(fù)測(cè)量。

（3）五峰山長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)，平順性良好，采用CPⅢ控制網(wǎng)測(cè)量新技術(shù)保證了軌道精調(diào)施工的順利進(jìn)行。過程中需要繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)，制定科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)方案，在今后的類似工程中推廣應(yīng)用。