影響橋梁沉降觀測準(zhǔn)確度和精確度的因素分析

張 信 安

(華東冶金地質(zhì)勘查局測繪總隊，安徽 馬鞍山 243000)

影響橋梁沉降觀測準(zhǔn)確度和精確度的因素分析

張 信 安

(華東冶金地質(zhì)勘查局測繪總隊，安徽 馬鞍山 243000)

基于橋梁沉降觀測的基本要求和變形特征，從測量儀器選擇、觀測點(diǎn)布置、測量措施三個方面入手，對保證橋梁沉降觀測準(zhǔn)確度及精確度的方法進(jìn)行了總結(jié)，以推動我國橋梁沉降觀測精準(zhǔn)水平的進(jìn)一步提升。

橋梁工程，沉降觀測，變形特征，影響因素

目前，針對建筑物的沉降測量已經(jīng)相當(dāng)普遍，橋梁沉降測量的重要性也已達(dá)成共識，但是與建筑物相比，橋梁沉降觀測的重視程度及規(guī)范性還存在很大的差距，為保證橋梁工程的質(zhì)量，有必要對影響沉降觀測的準(zhǔn)確度和精確度的因素進(jìn)行分析。作為預(yù)測和控制工后沉降的重要環(huán)節(jié)，沉降觀測能夠監(jiān)測橋梁在施工和運(yùn)營期間的變形情況，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測未來變形和預(yù)防工程事故，直接影響到橋梁工程安全狀態(tài)結(jié)論的真實(shí)性，在保證橋梁運(yùn)行安全的同時，還能夠為相關(guān)病害的處理留出充足的時間，這對橋梁的測量和管理都是十分重要的。

1 橋梁工程沉降觀測的基本要求及變形特征

1.1 沉降測量要求

橋梁沉降觀測要考慮到精度要求、變形監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求以及測量點(diǎn)布置技術(shù)要求等，測量工作具體要求如下：水準(zhǔn)網(wǎng)觀測應(yīng)嚴(yán)格按照國家二等水準(zhǔn)的要求進(jìn)行測量，沉降觀測必須采用閉合或附合水準(zhǔn)路線；選用DS05級以上精度的數(shù)字水準(zhǔn)儀，保證觀測過程中儀器各設(shè)置的正確性；在外業(yè)觀測時，需明確前后視距差、累積視距差、視線長度、視線高度以及兩次讀數(shù)差和觀測高差之差；在高程差過大或出現(xiàn)反彈時，應(yīng)對水準(zhǔn)基點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行重測，必要時應(yīng)進(jìn)行聯(lián)測等[1]。提高沉降變形觀測精度是獲取真實(shí)可靠觀測數(shù)據(jù)的重要途徑，通常測量誤差的產(chǎn)生都是由觀測誤差、儀器誤差以及外界條件影響造成的，尤其是在外業(yè)沉降觀測過程中，必須要合理選擇和檢測水準(zhǔn)儀器、合理選擇水準(zhǔn)觀測路線、保護(hù)監(jiān)測元件、確保初始觀測條件的統(tǒng)一以及記錄異常情況等。

1.2 沉降變形特征

不同橋梁工程的沉降變形特征也各不相同，相關(guān)分析工作要結(jié)合各標(biāo)段的地形地質(zhì)狀況，現(xiàn)對某線下工程橋梁累積沉降量進(jìn)行統(tǒng)計分析，一、二標(biāo)段橋梁墩臺觀測標(biāo)累積沉降情況分別如圖1和圖2所示。

由橋墩最大沉降曲線圖可知，累積沉降量以0 mm～3 mm之間為主，墩臺隆起主要集中在-3 mm～0 mm之間，高程中誤差應(yīng)控制在1 mm左右，累積沉降量在-2 mm以內(nèi)則基本上是由觀測誤差引起的，再有零周期觀測方法及數(shù)據(jù)處理過程未能達(dá)到要求，出現(xiàn)高程異常，也會影響到累積沉降量，累積沉降值較大多由此類情況引起，而墩臺沉降變形觀測數(shù)據(jù)為負(fù)，則多是由個別地段水準(zhǔn)基點(diǎn)下沉引起[2]。

2 橋梁沉降觀測準(zhǔn)確度及精確度的影響因素分析

2.1 測量儀器選擇

水準(zhǔn)測量所用的儀器包括水準(zhǔn)儀、全站儀和GPS，由于這三種測量儀器各具優(yōu)勢，為確保最終測量精度，應(yīng)對其進(jìn)行配合使用。從測量精度來看，從高到低依次排列為水準(zhǔn)儀、全站儀和GPS，其中水準(zhǔn)儀應(yīng)用最為普遍，但是在長距離測量時，不僅速度緩慢、測量效率低，還容易引起不可預(yù)料的人為誤差，因此在長距離測量時多借助GPS來完成測量，尤其是在平原地區(qū)，其可測范圍可達(dá)10 km，而且能夠克服水準(zhǔn)儀在長距離測量中存在的速度慢、人為誤差高的缺點(diǎn)；全站儀的精度介于水準(zhǔn)儀和GPS之間，也是常采用的一種測量手段，其優(yōu)勢在于根據(jù)角度能夠換算成高差，但是在倒站時，因受到的影響因素較多，很難有效對誤差進(jìn)行控制，因此該方法并不適合用于倒站測量。結(jié)合以往經(jīng)驗，短距離高程測量在5 km以內(nèi)，建議采用水準(zhǔn)儀，超出這一距離，采用GPS靜態(tài)測量更為可靠，而在高程相差較大時，則應(yīng)選擇全站儀進(jìn)行測量[3]。

2.2 觀測點(diǎn)布置要求

橋梁沉降觀測應(yīng)設(shè)置墩柱沉降觀測點(diǎn)和橋面線型觀測點(diǎn)，通常在墩柱不均勻情況下，還應(yīng)在墩柱的四角位置各設(shè)置一個沉降觀測點(diǎn)。墩柱沉降測點(diǎn)多設(shè)置在墩柱長邊的中心位置上，應(yīng)距離地面40 cm上下，露出混凝土面2.5 cm左右，如果難以到達(dá)墩柱位置，則應(yīng)在2.5 cm高度附近粘貼反光片，然后選用免棱鏡全站儀進(jìn)行測量；橋面測點(diǎn)多設(shè)置在防撞墻上，略露出混凝土面，約1 cm，以免在維修照面時將觀測點(diǎn)撞落，通常情況下會在墩柱頂端左右兩側(cè)各設(shè)置一個觀測點(diǎn)，這樣做的目的是為了應(yīng)對伸縮縫位置出現(xiàn)錯臺情況，如果橋體跨度較大，已經(jīng)超過30 m，應(yīng)在中距離位置增設(shè)一個觀測點(diǎn)，對于結(jié)構(gòu)較為特殊的橋梁，則應(yīng)根據(jù)線型觀測的需要來設(shè)置觀測點(diǎn)[4]。為保證沉降觀測點(diǎn)能夠長期使用，應(yīng)確保其牢固和耐久性，并做好防腐處理，避免損壞。

2.3 觀測措施及數(shù)據(jù)處理

橋梁沉降觀測要想保證準(zhǔn)確度和精確度，首先要確保基準(zhǔn)點(diǎn)的可靠性，應(yīng)嚴(yán)格按照《工程測量規(guī)范》中有關(guān)沉降測量的相關(guān)要求來設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)石；為達(dá)到長期保存和聯(lián)測的要求，應(yīng)將其布置在變形影響范圍之外，與觀測目標(biāo)相近的位置；應(yīng)與水坑、河岸、深基坑保持50 m以上的距離，盡量避開地下管線、交通干道以及施工場所；在觀測之前要先對基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測。對高程變異情況進(jìn)行及時處理；沉降觀測點(diǎn)應(yīng)在土層較穩(wěn)定且距離建筑物較近的位置設(shè)置多個永久性基準(zhǔn)點(diǎn)；初始觀測的測量次數(shù)要在3次以上，并對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測。其次要控制觀測頻率，通?？⒐ひ荒暌陨系臉蛄海磕赀M(jìn)行一次觀測即可，但是對于受到施工影響較大的橋梁，其觀測頻率應(yīng)結(jié)合施工速度確定，保證兩次觀測的變形速度不超過1 mm[5]。再次是對環(huán)境誤差的控制，應(yīng)對時間、日照方向等觀測環(huán)境進(jìn)行固定，在成像清晰、穩(wěn)定時再進(jìn)行觀測，在風(fēng)力過大、雨雪天氣以及影響跳動的情況下，不應(yīng)進(jìn)行觀測。最后是人為誤差的控制，這也是確保準(zhǔn)確度和精確度最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，應(yīng)采用“四固定”方法，對儀器設(shè)備、觀測人員、觀測路線及相關(guān)方法進(jìn)行固定，盡量消除系統(tǒng)誤差對觀測可能造成的影響；在實(shí)際操作中，尤其是軟土位置，調(diào)整和固定三根架腿，整平時只需調(diào)整角度即可，并將圓水準(zhǔn)氣泡居中，誤差控制在0.5 mm左右；銦鋼尺上下氣泡均居中，誤差控制在0.4 mm左右，采用尺撐而非手扶尺；在臨界點(diǎn)處使用尺墊并踩實(shí)，傳遞高程的點(diǎn)的上端也要放置尺墊；采用水準(zhǔn)儀時應(yīng)確保視距接近相等，以達(dá)到規(guī)定的測量精度，此外還應(yīng)注意光線和橋梁結(jié)構(gòu)振動對觀測造成的影響。

對于測量數(shù)據(jù)的處理，應(yīng)采用測繪平差軟件，在輸入獲取的高程前，先對所使用的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，保證其變化在有效限差內(nèi)，此外還要注意檢查觀測環(huán)閉合差、觀測中誤差以及最弱點(diǎn)高程誤差，將最大高程誤差控制在0.5 mm以內(nèi)，使觀測點(diǎn)位的高程精度能夠更為準(zhǔn)確地反映橋梁的變形。由于橋梁工程的沉降變形觀測與一般的水準(zhǔn)測量存在一定的差異，其對精度的要求更高，要想能夠準(zhǔn)確反映橋梁沉降規(guī)律，在觀測時必須要采用符合相關(guān)規(guī)范和達(dá)到相關(guān)要求的水準(zhǔn)儀，并經(jīng)過有鑒定資質(zhì)的單位檢驗，檢驗合格方可在外業(yè)沉降觀測中使用。在對橋梁工程沉降進(jìn)行評估時，應(yīng)對各種觀測方法的適用性進(jìn)行評估，即對雙曲線法、指數(shù)曲線法、灰色系統(tǒng)法、星野法和Asaoka法進(jìn)行對比分析，在所獲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對橋梁沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

3 結(jié)語

橋梁在自重、地面沉降、活載荷等綜合作用下，可能會出現(xiàn)沉降，橋梁沉降觀測直接關(guān)系到橋梁的安全性和使用壽命，因其準(zhǔn)確度和精確度容易受到多種因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合橋梁工程的沉降觀測的基本要求及變形特征，采取適宜的方法和措施，確保外業(yè)觀測達(dá)到規(guī)定的精度，為預(yù)測和控制工后沉降提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

[1] 徐 猛，宋 杰，韓天培，等.懸掛式水準(zhǔn)尺在高鐵橋梁沉降觀測中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2014，12(4):130-132.

[2] 李白露.改進(jìn)的“三點(diǎn)法”預(yù)測模型在高速鐵路橋梁沉降觀測中的應(yīng)用研究[J].高速鐵路技術(shù)，2014，11(4):54-56.

[3] 高 博.高速公路改擴(kuò)建工程沉降觀測及評估技術(shù)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2014.

[4] 馬六鋒.高速鐵路線下工程沉降變形觀測與評估若干技術(shù)問題研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[5] 王益東.高速鐵路橋梁沉降觀測技術(shù)的應(yīng)用[J].科技資訊，2011(2):107-108.

On analysis of factors affecting accuracy and precision of bridge settlement monitoring

Zhang Xin’an

(MappingandSurveyingUnit,EastChinaMetallurgicalGeologicalSurveyBureau,Ma’anshan243000,China)

Based on the basic requirements and deformation features of the bridge settlement monitoring, the paper sums up the methods to ensure the accuracy and precision of the bridge settlement monitoring from the selection of monitoring meters, allocation of monitoring spots, and measurement, so as to promote the accuracy of the bridge settlement monitoring in China.

bridge project, settlement monitoring, deformation feature, influential factor

1009-6825(2015)16-0197-02

2015-03-26

張信安(1981- ),男,工程師

U446

A