春意橋沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立及觀測(cè)方法研究

謝新

(天津海河建設(shè)發(fā)展投資有限公司，天津300380)

橋梁的變形監(jiān)測(cè)可以分為施工期監(jiān)測(cè)和橋梁運(yùn)營(yíng)階段的安全監(jiān)測(cè)。施工期監(jiān)測(cè)的目的是為了保證橋梁的施工質(zhì)量和施工安全，隨時(shí)觀測(cè)因基礎(chǔ)變位、混凝土收縮、徐變、溫差、風(fēng)力、振動(dòng)等因素引起的偏移及變形擺動(dòng)規(guī)律，為橋梁施工提供參考數(shù)據(jù)。當(dāng)橋梁竣工后，因自身荷載和外界因素(如構(gòu)成材料發(fā)生老化、溫度變化、風(fēng)力、日照、車(chē)流量、地震等)作用會(huì)產(chǎn)生變形，此時(shí)對(duì)橋梁實(shí)施監(jiān)控，建立監(jiān)測(cè)模型和實(shí)施有效的預(yù)報(bào)及預(yù)警，有利于規(guī)避運(yùn)行中不利因素組合的出現(xiàn)，增強(qiáng)大橋的抵抗力，延長(zhǎng)使用壽命［1］。

近年來(lái)，我國(guó)特大橋梁的發(fā)展十分迅猛，與之相關(guān)的技術(shù)與規(guī)范還不夠完善，安全事故也多次發(fā)生。在這種情況下，對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)的必要精度、大型橋梁變形觀測(cè)方案研究以及對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移精密分析都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

海河春意橋全長(zhǎng)324.660 m，橋面寬40 m。其中主橋跨越海河，為三跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式(57.5 m+85 m+57.5 m)，橋跨總長(zhǎng) 200 m，主跨 85 m。其中跨根部為6.678 m，中跨合攏段高度為1.745 m，邊跨合攏段1.773 m。

主橋由橫向7個(gè)鋼箱梁組成，橫向?qū)ΨQ布置，每個(gè)鋼箱梁寬度3.452 m，鋼箱梁之間間距1.644 m。通過(guò)對(duì)橋面觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，獲得橋面鋼箱的沉降量，反應(yīng)由鋼箱變形橋墩的徐變和沉降而引起的變化;通過(guò)對(duì)橋墩觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，獲得橋墩的沉降量，反應(yīng)由橋墩徐變、基礎(chǔ)沉降而引起的變化。

2 沉降監(jiān)測(cè)內(nèi)容

本文研究?jī)?nèi)容包括橋面沉降觀測(cè)和墩臺(tái)沉降觀測(cè)。需要建立沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，橋面觀測(cè)點(diǎn)和橋墩觀測(cè)點(diǎn)。由于春意橋跨過(guò)海河，其難點(diǎn)在于橋墩觀測(cè)點(diǎn)的布置和觀測(cè)方法的選擇。具體沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置需結(jié)合圖紙，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ8－2007)、《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026－2007)、《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB12897－2006)、《天津市城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)程》(DB 29－62－2004)來(lái)實(shí)施。

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布置

首先調(diào)查收集測(cè)區(qū)地形圖和控制點(diǎn)的成果資料，先在已有的地形圖上擬定導(dǎo)線布設(shè)方案，后到現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)、修改和落實(shí)點(diǎn)位。如果測(cè)區(qū)沒(méi)有以前的地形資料，則要詳細(xì)踏勘現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)地形條件及施工需要等具體情況，合理選定基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，并建立標(biāo)志。選點(diǎn)時(shí)以下幾點(diǎn)需要注意［2］:

(1)相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)要相互通視。(2)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)選在土質(zhì)堅(jiān)硬、穩(wěn)定的地方，以便于安置儀器。(3)所選基準(zhǔn)點(diǎn)必須滿足觀測(cè)視線超越障礙物1.3 m以上。(4)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在路線兩邊并距路線小于300 m。

為保證檢測(cè)控制點(diǎn)穩(wěn)定性，并有效剔除因路線過(guò)長(zhǎng)、通行車(chē)輛較多震動(dòng)影響而引起的累積誤差。擬在該橋兩端各自設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，共設(shè)置4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成基準(zhǔn)網(wǎng)。其布設(shè)方法如下圖1所示。

2.2 橋面觀測(cè)點(diǎn)

考慮到不影響橋面行車(chē)并保證觀測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定等各種不利因素，需要在路中及兩側(cè)地袱上建立沉降觀測(cè)點(diǎn)(10 m/個(gè))，伸縮縫位置處增設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。兩側(cè)地袱觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量為2×21=42個(gè)，路中觀測(cè)點(diǎn)數(shù)為20個(gè)，共62個(gè)。

橋面觀測(cè)點(diǎn)距橋面10 cm。橋面測(cè)點(diǎn)的安裝建議采用Φ16 mm直徑，長(zhǎng)度為8 cm(不含螺帽)的精制螺栓，采用環(huán)氧樹(shù)脂植入，深度建議7 cm。觀測(cè)點(diǎn)垂直植入，植入點(diǎn)的位置以不容易損壞為準(zhǔn)。并對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，觀測(cè)點(diǎn)的編號(hào)采用宋體，用記號(hào)筆標(biāo)注在觀測(cè)點(diǎn)旁邊。

2.3 墩臺(tái)沉降觀測(cè)點(diǎn)

在不影響橋梁美觀的前提下在橋墩選擇合適的位置布置永久性觀測(cè)點(diǎn)。墩臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中裝置。水中墩柱沉降觀測(cè)點(diǎn)采用棱鏡(全站觀測(cè))，每個(gè)墩柱左右兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)做好標(biāo)記，便于進(jìn)行沉降觀測(cè)。墩臺(tái)進(jìn)行沉降觀測(cè)，墩柱沉降觀測(cè)點(diǎn)高出常水位150 cm。布置如圖2所示。

3 觀測(cè)方法研究

3.1 普通水準(zhǔn)

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60－2004)》、《工程測(cè)量規(guī)范(GB50026－2007)》，春意橋?qū)儆诖笮蜆蛄?，其橋面沉降監(jiān)測(cè)采用二等水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)使用DS05級(jí)的電子水準(zhǔn)儀，儀器及配套水準(zhǔn)尺均應(yīng)在有效檢定期內(nèi)。用電子水準(zhǔn)儀提供水平視線，通過(guò)水準(zhǔn)尺前、后視讀數(shù)計(jì)算出橋面板上各觀測(cè)點(diǎn)高程，與各測(cè)點(diǎn)原始高程值進(jìn)行比較，以此判斷橋面沉降與梁體撓度程度。二等水準(zhǔn)觀測(cè)主要的技術(shù)要求見(jiàn)表1。

觀測(cè)時(shí)，對(duì)于有變換奇偶站功能的電子水準(zhǔn)儀，每一測(cè)段必須為偶數(shù)測(cè)站結(jié)束。按以下順序進(jìn)行:

往測(cè):奇數(shù)站為后－前－前－后。

偶數(shù)站為前－后－后－前。

返測(cè):奇數(shù)站為前－后－后－前。

偶數(shù)站為后－前－前－后。

同一測(cè)段的往測(cè)(或返測(cè))與返測(cè) (或往測(cè))應(yīng)分別在上午與下午進(jìn)行。在日間氣溫變化不大的陰天和觀測(cè)條件較好時(shí)，若干里程的往返測(cè)可同在上午或下午進(jìn)行。但這種里程的總站數(shù)，不應(yīng)超過(guò)該區(qū)段總站數(shù)的30%。

表1二等水準(zhǔn)觀測(cè)主要的技術(shù)要求Tab.1 Main technical requirements of the second level observations

3.2 中間設(shè)站式三角高程觀測(cè)

大型橋梁的沉降觀測(cè)采用不低于三等的測(cè)量方式，中間設(shè)站式三角高程測(cè)量可滿足相應(yīng)的精度，橋墩的沉降觀測(cè)采用二等精度測(cè)量［3］。

中間設(shè)站式三角高程實(shí)施沉降監(jiān)測(cè)方法，就是將全站儀架設(shè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)中間，分別測(cè)出基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)間高差、測(cè)站點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間高差，計(jì)算出基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間高差，得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程。

中間設(shè)站式三角高程測(cè)量原理如圖3所示，將全站儀安置于A、B兩點(diǎn)間的C點(diǎn)，則觀測(cè)獲得A、B點(diǎn)的高程為HA和HB。

式中i－儀器高;Sa和Sb－觀測(cè)A和B的棱鏡斜距;aa和ab－豎直角;la和lb－棱鏡高;Ha－假定儀器在C點(diǎn)高程。

后視垂距:

前視垂距:

式(3)～式(5)中K－大氣折光系數(shù);R－地球半徑。

即高差=前視垂距－后視垂距。

橋墩沉降觀測(cè)點(diǎn)采用全站儀三角高程法測(cè)量，儀器使用測(cè)角精度1″，測(cè)距精度2+2 ppm XD的全站儀。中間設(shè)站法觀測(cè)，不量?jī)x器高，固定覘標(biāo)高。為了減少對(duì)中誤差的影響，儀器和棱鏡都架設(shè)于帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩上，其高度用游標(biāo)卡尺在基座三個(gè)方向上分別量取，并在測(cè)前、測(cè)后各量一次［4］。垂直角單向觀測(cè)6測(cè)回，讀數(shù)至0.1″。兩次照準(zhǔn)目標(biāo)讀數(shù)差較差≤4″，垂直角指標(biāo)差較差≤5″，垂直角各測(cè)回較差≤5″。垂直角分組觀測(cè)，每組觀測(cè)方向數(shù)≤4，后視方向均為基準(zhǔn)點(diǎn)。距離單向觀測(cè)4測(cè)回，一測(cè)回照準(zhǔn)目標(biāo)1次，讀數(shù)4次。測(cè)回讀數(shù)間較差≤2 mm，各測(cè)回間較差≤3 mm。儀器加常數(shù)、乘常數(shù)和氣象改正元素現(xiàn)場(chǎng)輸入全站儀，直接顯示平距。垂直角、距離分別取其平均值后計(jì)算高差［5－6］。

橋墩沉降點(diǎn)選擇大氣穩(wěn)定、成像清晰、微風(fēng)等有利的觀測(cè)條件，觀測(cè)前采用與沉降觀測(cè)點(diǎn)相同的觀測(cè)方法對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)高差較差≤1.4 mm時(shí)，認(rèn)為基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定，各項(xiàng)改正正確有效。觀測(cè)前充分做好準(zhǔn)備工作，如架設(shè)儀器、棱鏡及渡船就位等輔助工作，盡量縮短觀測(cè)時(shí)間。一般一個(gè)周期的橋墩沉降觀測(cè)工作在2.5 h內(nèi)完成。橋面沉降觀測(cè)點(diǎn)與橋墩沉降觀測(cè)點(diǎn)同期觀測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量的方法求得橋面觀測(cè)點(diǎn)沉降量的精度較高，觀測(cè)技術(shù)也比較成熟，該方法非常適用于地面障礙較少的區(qū)域;但是，河中橋墩的沉降觀測(cè)應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量難度較大，所以采用全站儀代替水準(zhǔn)儀。高精度全站儀的出現(xiàn)，使得豎角和測(cè)距的精度顯著提高，對(duì)橋墩的沉降觀測(cè)采用三角高程測(cè)量方法變得可行，橋墩的沉降觀測(cè)采用中間設(shè)站式三角高程測(cè)量將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

［1］鄔昱昆.蘇通大橋超高索塔監(jiān)測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理研究［D］.南京:河海大學(xué)，2007.

［2］JGJ8－2007，建筑變形測(cè)量規(guī)范［S］.

［3］建設(shè)部.工程測(cè)量規(guī)范［S］.

［4］孫景領(lǐng).精密三角高程測(cè)量在大壩外部垂直變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10(4):35－37.

［5］金國(guó)清.全站儀三角高程法橋墩沉降觀測(cè)的嘗試［J］.工程勘察，2011，12:59 －62.

［6］吳石軍.精密三角高程在跨河水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用［J］.勘察設(shè)計(jì)，2012(4):13 －16.