基于自由測站的大跨度連續(xù)梁上CPⅡ平面網(wǎng)測量方法研究

夏艷平 劉成龍 何永軍

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063； 2.西南交通大學(xué),四川成都 610031)

1 工程概況

南京大勝關(guān)長江大橋是京滬高速鐵路的控制性工程,也是世界首座六線高速鐵路大橋,目前既是世界同類高速鐵路大橋中跨度最大(主跨336 m)的鋼桁梁大橋(主橋連續(xù)鋼桁梁長度長達(dá)1 272 m),又是世界上設(shè)計荷載最大和設(shè)計時速最高的(最高時速300 km)高速鐵路大橋。為了進(jìn)行主橋上軌道的精調(diào)施工,需要在兩岸基礎(chǔ)控制網(wǎng)CPⅠ的基礎(chǔ)上,布設(shè)主橋上線路控制網(wǎng)CPⅡ和軌道控制網(wǎng)CPⅢ。CPⅡ控制網(wǎng)點間距一般為600 m 左右,除隧道外常采用GPS方法進(jìn)行建網(wǎng)測量,相鄰網(wǎng)點間的邊長相對中誤差要求小于1/10萬；在隧道內(nèi)則采用導(dǎo)線網(wǎng)的方法進(jìn)行洞內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)的測量,此時要求測距中誤差小于5 mm、方向中誤差小于1.3″和相鄰點的相對點位中誤差小于8 mm。大勝關(guān)主橋為鋼桁梁大橋,由于鋼桁梁屏蔽GPS信號的原因,導(dǎo)致橋上的CPⅡ控制網(wǎng)無法采用GPS方法進(jìn)行測量；又由于主橋為特長鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁,導(dǎo)致橋上的CPⅡ點和CPⅢ點受溫度的影響而使其點位具有多值性；因此，大勝關(guān)大橋主橋上的CPⅡ和CPⅢ控制網(wǎng)的測量方法,是一個必須解決和有待研究的問題。

以大勝關(guān)大橋主橋CPⅡ控制網(wǎng)建網(wǎng)測量為研究對象,主要介紹大跨連續(xù)梁上CPⅡ控制網(wǎng)的測量方法,而大跨連續(xù)梁上CPⅢ控制網(wǎng)的測量方法,將另文研究。

2 主橋CPⅡ控制點的點位布設(shè)

大勝關(guān)大橋主橋為兩聯(lián)連續(xù)鋼桁梁和六跨連續(xù)鋼桁拱橋,其中橋梁主跨長達(dá)336 m,連續(xù)鋼桁梁長度長達(dá)1 272 m。針對如此大跨度的鋼桁梁大橋和主橋兩側(cè)為混凝土橋的情況,大勝關(guān)大橋主橋應(yīng)成對布設(shè)4對CPⅡ控制點,其中兩對應(yīng)布設(shè)在點位穩(wěn)定和滿足GPS對空測量條件的主橋兩側(cè)混凝土橋橋墩頂面上,另外兩對應(yīng)布設(shè)在主橋橋墩頂面上。因此,主橋CPⅡ控制點按小里程向大里程方向順序,分別布設(shè)于小里程側(cè)的混凝土橋墩上、主橋3號墩、主橋7號和大里程側(cè)混凝土橋橋墩上,如圖1(a)和圖1(b)所示(注：3號至7號墩間控制點間距約為720 m)。考慮到主橋上CPⅡ控制網(wǎng)無法采用GPS方法進(jìn)行測量,擬采用自由測站邊角交會方法進(jìn)行主橋CPⅡ控制網(wǎng)的測量,而自由測站邊角交會又要求交會邊不宜太長,故在4對CPⅡ控制點間按照一定間隔加入了4對轉(zhuǎn)點以控制邊角交會測量的距離。

圖1 主橋CPⅡ控制點和轉(zhuǎn)點布設(shè)示意(單位：m)

為了提高主橋上CPⅡ控制網(wǎng)測量的精度和速度,主橋上CPⅡ點和轉(zhuǎn)點應(yīng)布設(shè)在防撞墻頂面上,并采用類似于CPⅢ標(biāo)志的強制對中標(biāo)志。

3 大跨連續(xù)梁橋CPⅡ控制網(wǎng)測量的特殊性

南京大勝關(guān)長江大橋主橋采用連續(xù)鋼桁拱橋,整體鋼橋面板混凝土道砟橋面,南、北岸引橋以32.7 m簡支混凝土箱梁為主。若采用GPS靜態(tài)測量模式在連續(xù)鋼桁拱橋橋面上測量CPⅡ控制網(wǎng),GPS信號將受鋼桁梁桿件的影響導(dǎo)致信號很弱。同時，橋體溫度變化對主橋上CPⅡ點的坐標(biāo)影響亦較大,常規(guī)CPⅡ控制網(wǎng)的測量方法將無法在大勝關(guān)主橋上實施。

上述布設(shè)在混凝土橋上的兩對CPⅡ控制點,點位相對穩(wěn)定且滿足GPS對空測量的條件,可根據(jù)兩岸的CPⅠ控制點，采用常規(guī)GPS方法進(jìn)行這兩對CPⅡ控制點的加密測量。而主橋上兩對CPⅡ點和4對轉(zhuǎn)點的坐標(biāo)測量,若采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線網(wǎng)方法,由于需要在CPⅡ點或轉(zhuǎn)點上整平和對中儀器或反光鏡,勢必影響導(dǎo)線測量速度。前已述及，由于鋼梁受溫度影響顯著,測量速度慢了鋼梁上的點位就會發(fā)生變化。因此，為了保證主橋上CPⅡ控制網(wǎng)的精度,不能采用導(dǎo)線網(wǎng)的方法進(jìn)行測量。

針對大勝關(guān)大橋主橋CPⅡ控制網(wǎng)測量的特殊性,并借鑒CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)測量的成功經(jīng)驗,認(rèn)為自由測站不需要對中,目標(biāo)點由于采用強制對中標(biāo)志反光鏡也不需要對中和整平,因而具有測量速度快和精度高的優(yōu)點。同時，因采用具有自動照準(zhǔn)功能的智能型全站儀進(jìn)行測量,照準(zhǔn)誤差也大為減小。

4 自由測站邊角交會方法測量CPⅡ控制網(wǎng)的原理

采用自由測站邊角交會方法測量主橋上CPⅡ控制網(wǎng)的原理如圖2所示。圖中的左側(cè)和右側(cè)混凝土引橋上的兩對CPⅡ點(1003P21、1003P22、1004P23、1004P24),其坐標(biāo)已采用GPS方法測量得到,可作為圖2中自由測站邊角交會網(wǎng)的坐標(biāo)起算點。為了獲得主橋上另外兩對CPⅡ點(1003P23、1003P24、1004P21、1004P22)的坐標(biāo),設(shè)計采用方向測量精度不低于1″和測距精度不低于±(1+2×10-6D)mm的智能型全站儀,用自由測站邊角交會的方法對所有主橋CPⅡ點和轉(zhuǎn)點進(jìn)行多測回邊角測量,多測回測量時水平方向和距離的限差應(yīng)滿足表1和表2的要求。

圖2 自由測站邊角交會法測量CPⅡ控制網(wǎng)網(wǎng)形示意

表1自由測站邊角交會方法測量CPⅡ網(wǎng)水平方向觀測技術(shù)要求[2]

控制網(wǎng)名稱儀器等級測回數(shù)半測回回歸零差不同測回同一方向2C互差同一方向歸零后方向值較差CPⅡ控制網(wǎng)0.5″26″9″6″1″36″9″6″

表2 自由測站邊角交會方法測量CPⅡ網(wǎng)距離觀測技術(shù)要求[2]

圖2中的自由測站邊角交會網(wǎng)外業(yè)觀測合格后,可根據(jù)引橋上的2對已知CPⅡ點作為起算數(shù)據(jù),進(jìn)行自由測站邊角交會網(wǎng)的約束平差計算[7],以解算主橋上CPⅡ點的坐標(biāo)并進(jìn)行精度評定。圖2 中的自由測站邊角交會網(wǎng)平差后的實際精度情況如表3所示。

表3 主橋CPⅡ控制網(wǎng)約束平差后的主要精度指標(biāo)統(tǒng)計

從表3中統(tǒng)計的精度指標(biāo)可以看出：按照本文的方法建立的大勝關(guān)主橋上CPⅡ控制網(wǎng),其測距中誤差、方向中誤差和相鄰點相對點位中誤差,均小于前述的隧道內(nèi)CPⅡ控制網(wǎng)測量的相應(yīng)限差要求。

為了驗證自由測站邊角交會方法在大跨度鋼桁梁上測量CPⅡ控制網(wǎng)的可重復(fù)性測量效果,在不同時間段溫度大致相同的情況下,對該CPⅡ控制網(wǎng)用同樣的方法進(jìn)行了二次測量,兩次測量的CPⅡ點坐標(biāo)較差統(tǒng)計如表4所示。

表4 主橋上CPⅡ控制網(wǎng)兩次測量的坐標(biāo)較差

表4中的兩次CPⅡ控制網(wǎng)測量坐標(biāo)X、Y方向較差均小于5 mm,達(dá)到了文獻(xiàn)[2] 中關(guān)于CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測對絕對點位差異應(yīng)小于15 mm的要求。

5 結(jié)論

鑒于大勝關(guān)大橋主橋大跨度連續(xù)鋼桁梁上無法進(jìn)行GPS測量和點位受溫度變化影響的的特點,提出了采用自由測站邊角交會網(wǎng)的方法進(jìn)行主橋上CPⅡ控制網(wǎng)的測量。自由測站邊角交會網(wǎng)具有儀器和目標(biāo)不需要對中、圖形強度高和測量速度快的優(yōu)勢,因此這樣建立的CPⅡ控制網(wǎng)的精度能夠滿足后續(xù)CPⅢ控制網(wǎng)測量和規(guī)范的要求。

通過對基于自由測站邊角交會網(wǎng)的大跨度連續(xù)鋼桁梁上CPⅡ控制網(wǎng)測量新方法的應(yīng)用分析和測量實踐,認(rèn)為這是一種CPⅡ控制網(wǎng)測量的新方法,不僅能夠應(yīng)用在大跨度連續(xù)鋼桁梁上進(jìn)行CPⅡ控制網(wǎng)測量,而且完全可以在隧道中替代當(dāng)前通常采用的導(dǎo)線網(wǎng)CPⅡ控制網(wǎng)測量方法,且測量效率、精度與可靠性比導(dǎo)線網(wǎng)更優(yōu),值得推廣應(yīng)用。

[1]崔 巍,成傳義,郭 昇.南京大勝關(guān)長江大橋控制測量的“三網(wǎng)合一”[J].橋梁建設(shè),2008(13)：8-11

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2009

[3]王國昌,徐小左,劉成龍.高速鐵路CPⅢ平面網(wǎng)的閉合差研究及其應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報,2009,31(5)：79-83

[4]劉成龍,楊友濤,徐小左.高速鐵路CPⅢ交會網(wǎng)的必要測量精度仿真計算[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2008,43(6)：718-723

[5]程 昂,劉成龍,徐小左.CPⅢ平面網(wǎng)必要點位精度的研究[J].鐵道工程學(xué)報,2009(1)：45-48

[6]王 鵬,劉成龍,楊 希.無碴軌道CPⅢ自由設(shè)站邊角交會網(wǎng)平差概略坐標(biāo)計算方法研究[J].鐵道勘察,2008(3)：26-28

[7]武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2003