跨大面積水域橋梁墩柱沉降監(jiān)測(cè)方法研究

段舉舉，徐春明，趙為民

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014）

橋梁墩柱沉降監(jiān)測(cè)是軌道交通施工及運(yùn)營(yíng)期的一項(xiàng)重要工作，通常采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法[1]。水準(zhǔn)測(cè)量精度比較高，但其測(cè)量工作量大，速度慢，所需測(cè)量人員多，特別是對(duì)于地面高低起伏較大或不便于進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的地區(qū)，用這種方法速度緩慢，有的甚至非常困難[2]。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與測(cè)量?jī)x器的更新進(jìn)步，三角高程測(cè)量的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，研究也越來(lái)越深入，三角高程測(cè)量以其簡(jiǎn)便靈活、省時(shí)省力、受地形條件限制較小的優(yōu)勢(shì)，正在逐步代替一定范圍內(nèi)的水準(zhǔn)測(cè)量工作[3]。

根據(jù)相關(guān)研究成果，精密三角高程測(cè)量可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度[4]，采取必要的措施甚至可以達(dá)到一等水準(zhǔn)測(cè)量的精度[5]。本文結(jié)合實(shí)例，采用水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量相結(jié)合的方法，對(duì)跨大面積水域橋梁墩柱沉降進(jìn)行觀測(cè)，能夠達(dá)到監(jiān)測(cè)精度要求。

1 工程概況

某軌道交通以橋梁形式跨越湖區(qū)段，湖區(qū)段全長(zhǎng)12.8 km，對(duì)應(yīng)里程 DK30 + 471.86～DK43 + 301.52，對(duì)應(yīng)的墩臺(tái)號(hào)為 99# 墩～518# 墩，湖區(qū)內(nèi)橋梁共 3 幅，中間幅為軌道交通橋梁，左右 2 幅為公路橋梁。軌道交通與公路橋結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖 1 所示，軌道橋中心與公路單幅橋中心距 15.025 m，橋面邊凈距 4.15 m，公路橋與軌道橋上部結(jié)構(gòu)間無(wú)影響，公路橋比軌道橋先施工。

圖1 軌道交通與公路橋結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖（單位：cm）

2 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)作為沉降監(jiān)測(cè)的起始依據(jù)，其穩(wěn)定性十分重要，基準(zhǔn)點(diǎn)要求穩(wěn)定可靠。本項(xiàng)目采用業(yè)主單位提供的已有基準(zhǔn)點(diǎn)，在湖北岸有 3 個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)（DS1-36、DS1-37、DS1-38）、1 個(gè)基巖水準(zhǔn)點(diǎn)（DJ-46），湖南岸有 2 個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)（DTNH-44、DTNH-49），南、北兩岸基準(zhǔn)點(diǎn)之間分別布設(shè)成閉合水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測(cè)。

2.2 工作基點(diǎn)布設(shè)

在公路橋橋面上每隔 240 m 布設(shè) 1 個(gè)工作基點(diǎn)，工作基點(diǎn)采用電錘在地表頂部鉆孔埋入特制的監(jiān)測(cè)道釘，并用高效植筋膠水粘接密實(shí)，工作基點(diǎn)埋設(shè)元件如圖 2所示。測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)高度應(yīng)方便觀測(cè)，還應(yīng)注意不影響車輛的安全。

圖2 工作基點(diǎn)埋設(shè)元件

在公路橋梁施工期間，工作基點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間布設(shè)成閉合水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測(cè)。公路橋梁施工完成之后，南北兩岸基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)布設(shè)成附合水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測(cè)。由于觀測(cè)線路長(zhǎng)達(dá) 12 km，最弱點(diǎn)的高程中誤差會(huì)比較大，為了提高水準(zhǔn)觀測(cè)的精度，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)擬按照GB 50308-2008《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》Ⅰ等垂直位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的要求進(jìn)行觀測(cè)[6]。

公路橋橋面鋪裝施工完成后，原橋面上的工作基點(diǎn)將會(huì)被覆蓋，此時(shí)工作基點(diǎn)需要重新布設(shè)，并按照原來(lái)的方法進(jìn)行觀測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本工程跨越湖區(qū)，橋墩都處于湖面上，與公路橋及棧橋間分離，人員較難直達(dá)，無(wú)法按照陸域常規(guī)的方法布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。因此，采用在每個(gè)橋墩的墩頂用電錘鉆孔、用膨脹螺絲固定小棱鏡作為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量標(biāo)志的方式，正常監(jiān)測(cè)時(shí)人員無(wú)需到達(dá)墩臺(tái)之上，并可滿足觀測(cè)精度和技術(shù)要求。要求小棱鏡固定牢固，正對(duì)儀器架設(shè)方向，高度適宜觀測(cè)，橋墩小棱鏡安裝位置如圖 3 所示。每個(gè)橋墩上布設(shè) 1 個(gè)墩柱沉降測(cè)量標(biāo)志，共計(jì) 420 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 橋墩小棱鏡安裝位置示意圖

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 水準(zhǔn)測(cè)量

每次監(jiān)測(cè)時(shí)，分別從南、北兩岸基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)，按照閉合或附合水準(zhǔn)路線將工作基點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，從而可以得到各工作基點(diǎn)的高程。然后對(duì)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，將各工作基點(diǎn)觀測(cè)高程值與初始高程值進(jìn)行比較，若檢測(cè)較差大于 2 倍高程中誤差時(shí)，則判定該工作基點(diǎn)不穩(wěn)定，后續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)不穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行高程修正，否則采用原高程值。

3.2 三角高程測(cè)量

沉降監(jiān)測(cè)采用徠卡 TCRA1201 全站儀精密三角高程測(cè)量方法進(jìn)行觀測(cè)。每次觀測(cè)時(shí)，在工作基點(diǎn)上安裝三角對(duì)中桿和圓棱鏡，并將高度固定，同時(shí)將全站儀架設(shè)在相對(duì)固定位置的公路橋橋面上。后視工作基點(diǎn)為圓棱鏡，前視墩柱沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)為小棱鏡。通過(guò)角度和距離觀測(cè)計(jì)算出工作基點(diǎn)棱鏡中心和墩柱沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)小棱鏡中心之間的高差。

工作基點(diǎn)處的圓棱鏡中心到該工作基點(diǎn)頂部（即水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)）間高差為一個(gè)固定常數(shù)，從而可由工作基點(diǎn)的頂部水準(zhǔn)高程、工作基點(diǎn)棱鏡與小棱鏡中心高差，得到墩柱沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（小棱鏡中心）的高程。橋梁墩柱沉降觀測(cè)路線如圖 4 所示。

圖4 橋墩小棱鏡安裝位置示意圖

初始值需進(jìn)行 2 次獨(dú)立觀測(cè)，取 2 次觀測(cè)均值作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始高程。由于三角高程測(cè)量受大氣遮光的影響較大，初始值的采集宜安排在夜間或上、下午分別進(jìn)行。

3.3 主跨監(jiān)測(cè)方法

跨湖區(qū)段主橋?yàn)?75 m+130 m+75 m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主跨跨度為 130 m。為了提高主跨墩柱沉降監(jiān)測(cè)精度，在主跨對(duì)應(yīng)的 2 個(gè)橋墩位置布設(shè) 2 個(gè)工作基點(diǎn)，全站儀架設(shè)在橋墩和工作基點(diǎn)之間，利用三角高程測(cè)量可以得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程。

4 三角高程測(cè)量可行性及精度分析

4.1 可行性

將全站儀架設(shè)在 2 個(gè)橋墩之間，儀器高度約 1.6 m，儀器距橋面邊（內(nèi)護(hù)欄內(nèi)側(cè)）約 1 m。每站觀測(cè)4 個(gè)墩柱，前后各 2 個(gè)，前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)又分為近橋墩和遠(yuǎn)橋墩。全站儀與近橋墩、遠(yuǎn)橋墩之間的相對(duì)位置關(guān)系如圖 5、圖 6 所示，據(jù)此可以算出視線與水平線的夾角分別為 14.4°和 5.4°。由此可見(jiàn)，全站儀的架設(shè)滿足三角高程測(cè)量的通視性要求和監(jiān)測(cè)要求。

圖5 全站儀和近橋墩相對(duì)位置關(guān)系示意圖（單位：m）

圖6 全站儀和遠(yuǎn)橋墩相對(duì)位置關(guān)系示意圖（單位：m）

4.2 精度分析

三角高程測(cè)量的原理如圖 7 所示。為測(cè)定 A、B 兩點(diǎn)之間的高差hAB，將全站儀架設(shè)在 O 點(diǎn)，A 為后視點(diǎn)，B 為前視點(diǎn)，可測(cè)得儀器到 A、B 兩點(diǎn)的斜距S1、S2和豎直角α1、α2。由于后視點(diǎn)目標(biāo)高為固定值，前視點(diǎn)為小棱鏡，不需要量取 A、B 兩點(diǎn)的目標(biāo)高，這樣可以不考慮目標(biāo)高的量取誤差。同時(shí)，儀器距前后視點(diǎn)的距離最大不超過(guò) 62 m，地球曲率和大氣折光的影響較小，可忽略不計(jì)。

圖7 三角高程測(cè)量原理示意圖

因此，A、B 兩點(diǎn)間的高差可簡(jiǎn)化為：

利用公式（1），結(jié)合誤差傳播定律，估算三角高程測(cè)量的精度。假設(shè)α1≈α2≈α0，S1≈S2≈S0，對(duì)該公式進(jìn)行全微分處理后，可將高差微分形式轉(zhuǎn)化為高差中誤差，公式如下：

式（2）中，mα0、mS0分別為豎直角中誤差、距離中誤差；ρ表示弧度化為秒的乘常數(shù)。從式（2）中可以看出，影響三角高程測(cè)量精度的誤差主要來(lái)自于測(cè)角誤差和測(cè)距誤差。

本文所采用徠卡 TCRA1201 全站儀精度，角度測(cè)量為 1″，距離測(cè)量為 1 mm + 1.5 ppm，因此，可以認(rèn)為mα0= 1″，mα0=（1+1.5×D×10-6）mm，ρ= 206 265。以最大距離和最大垂直角進(jìn)行計(jì)算，可假設(shè)α0= 14.4°，S0= 62 m，代入上述公式可得兩點(diǎn)之間的高差中誤差為mhAB= 0.56 mm 。每一測(cè)站進(jìn)行多測(cè)回的觀測(cè)可以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)精度。

5 結(jié)論

（1）本次沉降觀測(cè)采用水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量相結(jié)合的方法進(jìn)行，解決了跨大面積水域墩柱沉降無(wú)法利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，且滿足監(jiān)測(cè)精度要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）三角對(duì)中桿和圓棱鏡之間應(yīng)進(jìn)行高度固定，使工作基點(diǎn)處的圓棱鏡中心到該工作基點(diǎn)頂部間高差為一個(gè)固定常數(shù)，可以減少每次調(diào)節(jié)對(duì)中桿高度帶來(lái)的誤差影響。

（3）采用中間法三角高程測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)不需要量取儀器高和目標(biāo)高，全站儀架設(shè)位置自由，可以大大提高測(cè)量工作效率。