鐵路大跨度斜拉橋上無(wú)砟軌道精測(cè)網(wǎng)測(cè)設(shè)方法

李 雷

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

大跨度斜拉橋[1]具有橋型美觀、易于修建和維護(hù)等特點(diǎn)，因此在公路系統(tǒng)中普遍采用。公路系統(tǒng)的大跨度斜拉橋一般指主跨跨度大于500 m的斜拉橋。由于其跨度大，且一般為漂浮或半漂浮體系，因此不論在施工還是在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中，大跨度斜拉橋均存在橋面變形大和主梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差[2-3]的問(wèn)題。高速鐵路大多采用無(wú)砟軌道，而無(wú)砟軌道要求線下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)變形或變形小，因此迄今為止我國(guó)還沒(méi)有在跨度大于250 m的斜拉橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道的先例。同樣的道理，我國(guó)目前也沒(méi)有在跨度大于250 m的鐵路斜拉橋上測(cè)設(shè)高精度精密測(cè)量控制網(wǎng)[4](簡(jiǎn)稱精測(cè)網(wǎng))的先例和經(jīng)驗(yàn)。高速鐵路精測(cè)網(wǎng)包括基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)、線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)、軌道三維控制網(wǎng)(CPⅢ)和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)，其精度要求高[5]，是無(wú)砟軌道鋪設(shè)和長(zhǎng)鋼軌精測(cè)與精調(diào)的基礎(chǔ)。

為推動(dòng)在更大跨度高速鐵路橋梁上鋪設(shè)無(wú)砟軌道，本文依托昌贛客運(yùn)專線贛江特大橋(為主跨300 m的斜拉橋)進(jìn)行大跨度斜拉橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道技術(shù)深化研究。為實(shí)現(xiàn)在大跨度斜拉橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道和進(jìn)行長(zhǎng)鋼軌的精測(cè)與精調(diào)，需要配套研究如何在大跨度斜拉橋上測(cè)設(shè)滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)要求的高精度精測(cè)網(wǎng)。在大跨度斜拉橋上測(cè)設(shè)無(wú)砟軌道精測(cè)網(wǎng)的難點(diǎn)主要有：①根據(jù)CPⅢ網(wǎng)點(diǎn)縱向間距一般為60 m左右的布點(diǎn)要求，有些CPⅢ點(diǎn)將不可避免地布設(shè)在主梁的不穩(wěn)定位置，這將導(dǎo)致這些CPⅢ點(diǎn)的三維坐標(biāo)隨主梁荷載和環(huán)境溫度的變化而變化[6-8]；②如何根據(jù)主梁的實(shí)際荷載情況和環(huán)境溫度，快速得到橋上各個(gè)CPⅢ點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，使這些CPⅢ點(diǎn)的坐標(biāo)和高程盡可能地少受測(cè)量過(guò)程中環(huán)境變化的影響。

本文結(jié)合贛江特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究如何合理布設(shè)橋上CPⅡ,CPⅢ點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)的位置，使與該橋無(wú)砟軌道鋪設(shè)有關(guān)的全部CPⅡ點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位穩(wěn)定，部分CPⅢ點(diǎn)點(diǎn)位穩(wěn)定，使這些點(diǎn)不存在其點(diǎn)位隨荷載和環(huán)境溫度變化而變化的問(wèn)題；同時(shí)研究合理、可靠的橋上精測(cè)網(wǎng)測(cè)量方法，使橋上精測(cè)網(wǎng)在測(cè)量過(guò)程中控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程受環(huán)境影響盡可能地小。

1 贛江特大橋工程概況

贛江特大橋全長(zhǎng) 2 160 m，其線路立面如圖1所示。主橋結(jié)構(gòu)采用(35+40+60+300+60+40+35)m混合梁斜拉橋，邊跨設(shè)置2個(gè)過(guò)渡墩和1個(gè)邊墩，主跨跨徑為300 m。

2 橋上各類控制點(diǎn)布設(shè)方法

如前所述，高速鐵路精測(cè)網(wǎng)包括CPⅠ,CPⅡ,CPⅢ 和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)，下面根據(jù)主橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、跨徑布置，并基于穩(wěn)定性方面的考慮，介紹主橋上各類控制點(diǎn)的布設(shè)方法。

圖1 線路立面示意

需要說(shuō)明的是，由于高速鐵路要求在橋梁段相鄰CPⅠ點(diǎn)間的縱向間距為4 km左右，而本項(xiàng)目中斜拉橋全長(zhǎng)僅為572 m，所以主橋上無(wú)需布設(shè)CPⅠ點(diǎn)。

2.1 線路水準(zhǔn)基點(diǎn)布設(shè)方法

雖然高速鐵路的線路水準(zhǔn)基點(diǎn)間縱向間距為2 km 左右，但是考慮到快速測(cè)設(shè)主橋上CPⅢ點(diǎn)高程的需要，以及主塔是斜拉橋上唯一穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)物，且兩側(cè)引橋固定支座防撞墻頂面是穩(wěn)定的，為此應(yīng)該在每個(gè)主塔略高于主梁的合適位置布設(shè)2個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，如圖2所示。除此之外在兩側(cè)引橋靠近主橋的固定支座防撞墻頂面各布設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，這樣在主橋及其兩側(cè)引橋上共布設(shè)6個(gè)穩(wěn)定的水準(zhǔn)基點(diǎn)，構(gòu)成主橋上無(wú)砟軌道鋪設(shè)的線路水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)。

圖2 水準(zhǔn)基點(diǎn)布設(shè)位置示意

2.2 CPⅡ點(diǎn)布設(shè)方法

高速鐵路CPⅡ點(diǎn)間的縱向間距為500 m左右，考慮到快速測(cè)設(shè)主橋上CPⅢ點(diǎn)高程的需要，以及主橋兩側(cè)引橋固定支座防撞墻頂面是穩(wěn)定的，且主塔是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)物，因此在每個(gè)主塔略高于主梁的合適位置布設(shè)2個(gè)CPⅡ點(diǎn)，同時(shí)在主橋兩側(cè)引橋相距約300 m的固定支座防撞墻頂面各布設(shè)2個(gè)CPⅡ點(diǎn)，這樣共8個(gè)穩(wěn)定的CPⅡ點(diǎn)組成全橋CPⅡ控制網(wǎng)，如圖3所示。

2.3 CPⅢ點(diǎn)布設(shè)方法

高速鐵路要求相鄰CPⅢ點(diǎn)間的縱向間距為60 m左右。斜拉橋雖然整體穩(wěn)定性差，但是橋上還是有部分位置其縱向和豎向均是穩(wěn)定的，如主塔與主梁大致等高的塔柱內(nèi)側(cè)；主梁上還有部分位置豎向是穩(wěn)定的，如各個(gè)過(guò)渡墩頂部的防撞墻頂面。當(dāng)然，中跨主梁上的各個(gè)位置其縱向和豎向均不穩(wěn)定。由于鐵路斜拉橋的橋面寬度不大，所以荷載和溫度變化引起的橋梁結(jié)構(gòu)橫向變形較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)基本上可忽略不計(jì)。為了使主橋上的CPⅢ點(diǎn)盡可能具有較好的穩(wěn)定性，本文按照以下原則和方法布設(shè)橋上CPⅢ點(diǎn)對(duì)：

1)在靠近主橋的兩側(cè)引橋固定支座正上方的防撞墻頂面，大小里程分別布設(shè)1對(duì)雙向(縱向和豎向)穩(wěn)定的CPⅢ點(diǎn)。

2)在大小里程靠近主塔的第1個(gè)過(guò)渡墩防撞墻頂面，分別布設(shè)1對(duì)豎向穩(wěn)定的CPⅢ點(diǎn)。

3)在大小里程的主塔內(nèi)側(cè)面，分別布設(shè)1對(duì)雙向穩(wěn)定的CPⅢ點(diǎn)，此處的CPⅢ點(diǎn)可與同樣布設(shè)在該位置處的CPⅡ點(diǎn)和水準(zhǔn)基點(diǎn)共樁，做到3類控制點(diǎn)共用1個(gè)點(diǎn)位。

4)在中跨的五等分處，分別布設(shè)1對(duì)CPⅢ點(diǎn)，這些CPⅢ點(diǎn)對(duì)的雙向均是不穩(wěn)定的。

這樣主橋上的CPⅢ網(wǎng)共有10對(duì)共20個(gè)CPⅢ點(diǎn)，具體布設(shè)位置如圖4所示。

圖4 主橋上CPⅢ點(diǎn)布設(shè)位置示意(單位：m)

3 橋上各類精測(cè)網(wǎng)測(cè)量方法

根據(jù)高速鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)的精度要求，同時(shí)結(jié)合斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、變形規(guī)律，以及按照以上方法布設(shè)的橋上各類控制點(diǎn)的穩(wěn)定性情況，制定橋上各類精測(cè)網(wǎng)的測(cè)量方法。

3.1 線路水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)測(cè)量方法

目前我國(guó)高速鐵路的水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)一般情況下是采用電子水準(zhǔn)儀，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量線路沿線。本項(xiàng)目由于斜拉橋的橋長(zhǎng)短(570 m)，因此也采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量上述6個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程，并將這6個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程作為CPⅢ高程網(wǎng)的起算點(diǎn)。

3.2 CPⅡ網(wǎng)測(cè)量方法

在路基和橋梁段，高速鐵路的CPⅡ控制網(wǎng)一般采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)靜態(tài)相對(duì)定位的方法，按照三等的精度要求進(jìn)行外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，起算數(shù)據(jù)為CPⅡ網(wǎng)附近的CPⅠ點(diǎn)坐標(biāo)?？紤]到斜拉橋主塔內(nèi)側(cè)的4個(gè) CPⅡ點(diǎn)無(wú)法采用GNSS的方法測(cè)量，因此提出主橋CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量方法。

1)利用離主橋最近的2個(gè)CPⅠ點(diǎn)(起算點(diǎn))，采用GNSS靜態(tài)相對(duì)定位的方法，測(cè)量主橋兩側(cè)引橋上的4個(gè)CPⅡ點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)量精度為GNSS三等。

2)利用主橋兩側(cè)引橋上的4個(gè)CPⅡ點(diǎn)(起算點(diǎn))，采用智能型全站儀固定測(cè)站與自由測(cè)站相結(jié)合的邊角網(wǎng)測(cè)量方法，測(cè)量主塔內(nèi)側(cè)的4個(gè)CPⅡ點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)量精度為三等邊角網(wǎng)[9]。

固定測(cè)站與自由測(cè)站相結(jié)合的邊角網(wǎng)測(cè)量網(wǎng)形如圖5所示。

圖5 主橋CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量網(wǎng)形示意

3.3 CPⅢ三維網(wǎng)測(cè)量方法

CPⅢ三維網(wǎng)包括CPⅢ平面網(wǎng)和CPⅢ高程網(wǎng)，是高速鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)和長(zhǎng)鋼軌精測(cè)與精調(diào)的測(cè)量基準(zhǔn)。目前一般情況下是采用智能型全站儀自由測(cè)站邊角交會(huì)網(wǎng)的方法測(cè)量CPⅢ平面網(wǎng)，再采用智能型全站儀測(cè)量CPⅢ高程網(wǎng)?？紤]到主橋上有6對(duì)CPⅢ點(diǎn)的縱向坐標(biāo)和4對(duì)CPⅢ點(diǎn)的高程將隨橋面荷載和環(huán)境溫度的變化而變化，因此主橋上的CPⅢ三維網(wǎng)應(yīng)該采用2臺(tái)智能型全站儀同時(shí)從大小里程向中跨進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量CPⅢ平面網(wǎng)的同時(shí)，采用全站儀的三維觀測(cè)值組建CPⅢ三角高程網(wǎng)[10]，以達(dá)到在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成主橋上CPⅢ平面網(wǎng)和高程網(wǎng)的同時(shí)測(cè)量，使橋面荷載和環(huán)境溫度變化對(duì)CPⅢ點(diǎn)位的影響降低到最小。

4 結(jié)論

根據(jù)鐵路大跨度斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、變形規(guī)律以及高速鐵路精測(cè)網(wǎng)的測(cè)量要求，研究了贛江特大橋主橋上精測(cè)網(wǎng)的測(cè)設(shè)方法，該方法具有以下特色及創(chuàng)新點(diǎn)。

1)在布設(shè)精測(cè)網(wǎng)的各類控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該將盡可能多的控制點(diǎn)布設(shè)于縱向和豎向均穩(wěn)定的斜拉橋主塔及其兩側(cè)引橋固定支座的防撞墻頂面上；在迫不得已的情況下，部分CPⅢ點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在豎向穩(wěn)定的過(guò)渡墩頂面。這樣可以減少布設(shè)在斜拉橋上的不穩(wěn)定點(diǎn)的數(shù)量。

2)考慮斜拉橋及其兩側(cè)引橋的測(cè)量條件，分別采用GNSS和邊角網(wǎng)的方式測(cè)量主橋的CPⅡ控制網(wǎng)，既切合工程實(shí)際又能夠到達(dá)精度要求，特別是采用固定測(cè)站與自由測(cè)站相結(jié)合的方法測(cè)量主橋的CPⅡ邊角網(wǎng)，網(wǎng)形交互強(qiáng)度大，具有創(chuàng)新性。

本文對(duì)贛江特大橋上的精測(cè)網(wǎng)測(cè)設(shè)具有較大的指導(dǎo)價(jià)值。下一步將針對(duì)橋面上的4對(duì)雙向不穩(wěn)定的CPⅢ 點(diǎn)和過(guò)渡墩頂面上的2對(duì)縱向不穩(wěn)定CPⅢ點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和高程的獲取方法進(jìn)行研究，為鐵路大跨度斜拉橋上無(wú)砟軌道鋪設(shè)和長(zhǎng)鋼軌精測(cè)與精調(diào)提供更多的技術(shù)支撐。