大型斜拉橋轉(zhuǎn)體施工定位測(cè)量技術(shù)

仲維玲

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝是在非設(shè)計(jì)軸線位置將橋梁T構(gòu)澆筑制作成形后，通過轉(zhuǎn)體實(shí)現(xiàn)橋位至設(shè)計(jì)軸線位置、然后合龍成橋的一種施工工法，常運(yùn)用于跨徑較大的單孔或多孔鋼筋混凝土橋梁施工，并在深谷急流、難以吊裝的河道跨越中應(yīng)用廣泛[1-2]。自20世紀(jì)40年代以后，橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝作為一種架橋工藝逐步發(fā)展成熟，并不斷朝著超大跨徑、超大重量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等方向不斷創(chuàng)新、發(fā)展，并不斷刷新、突破記錄[3]。

轉(zhuǎn)體施工靠結(jié)構(gòu)自身利用球鉸旋轉(zhuǎn)就位，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在跨越鐵路、公路等障礙物時(shí)，也開始越來越多地使用橋梁上跨的轉(zhuǎn)體施工方法[4]，它不僅具有減小施工對(duì)鐵路、公路運(yùn)輸?shù)母蓴_影響，還能降低運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)的作用，此外還可以節(jié)省大量的支架棚護(hù)材料，大大節(jié)省吊裝費(fèi)用等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。下面以丹陽斜拉橋轉(zhuǎn)體施工為例，論述轉(zhuǎn)體施工定位測(cè)量技術(shù)，供同類橋梁轉(zhuǎn)體控制測(cè)量參考。

2 工程概況

丹陽立交橋位于山東省菏澤市境內(nèi)，全長(zhǎng)2 032.383 m，起訖里程K0＋0.000～K2＋032.383，設(shè)計(jì)道路等級(jí)為城市主干道Ⅱ級(jí)，時(shí)速40 km，并以斜拉橋主跨240 m上跨京九鐵路，采用轉(zhuǎn)體施工。其轉(zhuǎn)體斜拉橋工程西起丹陽路與人民路交叉口，沿丹陽路向東延伸，依次跨越振興路、桂陵路、菏澤站貨場(chǎng)、京九鐵路、新日鐵路、電廠鐵路和長(zhǎng)沙路等多條城市道路、鐵路和場(chǎng)所，東止丹陽路與武漢路(已規(guī)劃)交叉口。

丹陽斜拉橋總長(zhǎng)520 m，總寬32 m，整幅布置，其跨徑組合為(38＋102＋240＋102＋38)m，主橋采用雙塔單索面斜拉橋。為保證施工期間鐵路運(yùn)輸安全，在靠近京九鐵路側(cè)的橋塔及兩側(cè)懸臂主梁采用轉(zhuǎn)體施工。其單轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度238 m，轉(zhuǎn)體重量2.48萬t，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主塔高度87.5 m，轉(zhuǎn)動(dòng)體系鋼球鉸直徑4.5 m，創(chuàng)當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)體橋梁最重、單球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體最長(zhǎng)以及球鉸整體鑄造加工直徑最大共3項(xiàng)紀(jì)錄。

3 主橋施工控制網(wǎng)建立

丹陽斜拉橋采用復(fù)測(cè)設(shè)計(jì)成果中D級(jí)GPS點(diǎn)作為已知邊進(jìn)行約束，并布設(shè)覆蓋測(cè)區(qū)的主橋獨(dú)立施工控制網(wǎng)，見圖1。其圖中所示雙線為約束邊，單線為加密控制點(diǎn)，其余為加密施工控制點(diǎn)；本控制網(wǎng)中采用6臺(tái)靜態(tài)GNSS天寶GPS對(duì)控制網(wǎng)采用邊聯(lián)式進(jìn)行加密，形成規(guī)則的大地四邊形，便于施工過程中主墩樁基、承臺(tái)放樣，以及滑道、球鉸安裝和定位；施工控制測(cè)量采用極坐標(biāo)放樣法，儀器為2″級(jí)高精度全站儀。

圖1 主橋控制網(wǎng)布設(shè)

4 球鉸定位和滑道水平控制

4.1 球鉸定位

橋梁轉(zhuǎn)體控制測(cè)量，關(guān)鍵在于下部結(jié)構(gòu)施工中的球鉸旋轉(zhuǎn)中心定位[6-7]。球鉸中心也就是橋梁轉(zhuǎn)體時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心位置，但容易粗略認(rèn)為下部結(jié)構(gòu)幾何中心就是球鉸中心，如在曲線型橋梁中，其下部結(jié)構(gòu)幾何中心與球鉸中心存在一定橫向偏差。球鉸中心定位一旦出現(xiàn)較大誤差，加之墩高及受力等因素影響，橋梁旋轉(zhuǎn)后就會(huì)產(chǎn)生橫向偏差，也就容易在邊跨合龍時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象。

為了減少橫向偏心誤差，提高球鉸定位精度，避免棱鏡鉛錘度影響，測(cè)量時(shí)需采用對(duì)中桿高0.1 m、常數(shù)17.5 mm的高精度徠卡小棱鏡定位，而非通常對(duì)中桿高1.35 m、常數(shù)0的大棱鏡。為防止混凝土澆筑過程中球鉸發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象，測(cè)量人員必須在球鉸施工過程中全程跟蹤測(cè)量。

4.2 滑道水平控制

滑道作為橋梁轉(zhuǎn)體的一道保護(hù)措施，與撐腳之間的間隙以及自身高程控制是主橋轉(zhuǎn)體能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)體過程中若滑道較高時(shí)將會(huì)增加鋼撐腳與滑道間的摩擦力，過高時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)“卡住”現(xiàn)象，過低時(shí)將會(huì)降低保護(hù)功能，旋轉(zhuǎn)時(shí)梁體出現(xiàn)“翹頭”現(xiàn)象的可能性、幅度將會(huì)加大，因此對(duì)滑道的高程、平整度要求較為嚴(yán)格，一般規(guī)范要求滑道表面測(cè)點(diǎn)相對(duì)高差不大于1 mm。

針對(duì)規(guī)范要求，使用常規(guī)光學(xué)水準(zhǔn)儀，測(cè)設(shè)中由于視覺誤差、偶然誤差等累積，其誤差范圍已不能滿足要求。在控制滑道高程及平整度時(shí)，采用DINI 03電子水準(zhǔn)儀在滑道安裝時(shí)，使用水準(zhǔn)儀跟蹤測(cè)量，按弧長(zhǎng)每50 cm設(shè)內(nèi)外兩個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精確測(cè)設(shè)。同時(shí)，在鋼板焊接頭處使用手提式砂輪機(jī)進(jìn)行局部修整，確?；勒w相對(duì)高程、絕對(duì)標(biāo)高的準(zhǔn)確性，施工完成后測(cè)其相對(duì)高差最大值為0.42 mm，絕對(duì)高程最大誤差值為0.49 mm，均小于橋梁規(guī)范±1 mm要求。

5 斜拉索導(dǎo)管三維定位

橋梁斜拉索的線性主要由塔上、梁上斜拉索導(dǎo)管兩端的管道空間位置決定，因此斜拉索導(dǎo)管空間位置的精密測(cè)量定位是影響橋梁施工質(zhì)量和線形的重要因素，這是斜拉橋梁體施工測(cè)量的核心。斜拉索導(dǎo)管定位方法如下:

(1)采用全站儀測(cè)設(shè)出索導(dǎo)管的上口、下口中心點(diǎn)位置，并用塔吊將索導(dǎo)管吊至設(shè)計(jì)位置，然后利用手拉葫蘆調(diào)整導(dǎo)管上口、下口的高程和方向，再利用角鋼、鋼筋等措施進(jìn)行加固，確保索導(dǎo)管基本固定在放樣位置附近，但注意必須為后續(xù)微調(diào)留下移動(dòng)空間。

(2)將小棱鏡置于索導(dǎo)管的十字框上，并調(diào)整氣泡居中，然后利用全站儀分別確定上口、下口的平面位置和高程，再利用手拉葫蘆調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)位置后加以固定。

(3)重新核對(duì)上口、下口幾何位置維度，若偏差較大時(shí)需反復(fù)調(diào)整，直至X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向增量均小于5 mm。對(duì)于鋼筋用量較多的斜拉索需從各個(gè)角度對(duì)索導(dǎo)管形成支頂和拉掛，使索導(dǎo)管完全加固，但加固時(shí)不得隨意在索導(dǎo)管上焊接，以免損壞導(dǎo)管。

6 梁體線形監(jiān)控

由于受多種因素影響，梁體在施工過程中容易產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致梁體實(shí)際位置與預(yù)期有所偏差，小者危及橋梁合龍，重者使梁體線形不符合設(shè)計(jì)要求[8]。為使橋梁線形符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，需加強(qiáng)主梁施工線形控制。在梁體線形監(jiān)控中，采用高精度電子水準(zhǔn)儀對(duì)主梁的高程進(jìn)行測(cè)量，并同時(shí)采用三維坐標(biāo)法監(jiān)測(cè)主梁軸線的平面位置和高程。

6.1 線形控制網(wǎng)及高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)核

主橋的線形控制網(wǎng)布設(shè)在橋梁北側(cè)空地，其水準(zhǔn)基點(diǎn)為引測(cè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)，為了檢查高程基準(zhǔn)點(diǎn)是否完好，線形測(cè)試前采用高精度電子水準(zhǔn)儀對(duì)已知高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，且每年復(fù)核頻次不得少于6次[9]。

6.2 主梁立模標(biāo)高與截面尺寸的放樣監(jiān)測(cè)

施工測(cè)量過程中，需重點(diǎn)控制各節(jié)段橋梁的軸線方向，以及底板兩側(cè)邊線控制點(diǎn)位置。結(jié)合設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)資料及后續(xù)可能變形等進(jìn)行綜合計(jì)算，計(jì)算出待澆筑節(jié)段立模前端底板、頂板位置各點(diǎn)坐標(biāo)，見圖2。

圖2 箱梁截面立模控制點(diǎn)布設(shè)

測(cè)量時(shí)，為保證待澆筑箱梁的平面、高程以及局部結(jié)構(gòu)尺寸的位置準(zhǔn)確，其平面位置只需利用全站儀測(cè)設(shè)各關(guān)鍵控制點(diǎn)，高程采用高等級(jí)的水準(zhǔn)基點(diǎn)來控制，細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸采用鋼尺法確定。在澆筑過程中模板會(huì)發(fā)生彈性或者非彈性變形，一般主要通過壓重試驗(yàn)來判斷，放樣過程中應(yīng)將這些變形考慮進(jìn)去，以減小箱梁截面在澆筑過程中產(chǎn)生的截面特性施工誤差。

6.3 主梁高程控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)

主梁高程控制的基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在墩頂中線處，并以此點(diǎn)向其余點(diǎn)引測(cè)，為保證準(zhǔn)確性需采用高精度電子水準(zhǔn)儀施測(cè)，且每月對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)高程不少于一次復(fù)測(cè)。

6.4 中線偏差及主梁標(biāo)高監(jiān)測(cè)

采用全站儀測(cè)量出主梁的中線標(biāo)志相對(duì)于基準(zhǔn)線之間的偏角。操作步驟為:先將儀器安置在一側(cè)墩身中心位置，轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀，將望遠(yuǎn)鏡視線指向另一側(cè)墩身所架設(shè)的棱鏡，并瞄準(zhǔn)棱鏡中心，然后測(cè)量出已架設(shè)好的主梁中心線與全站儀視準(zhǔn)軸基準(zhǔn)線之間的偏角度數(shù)αi，最后根據(jù)公式(1)算出二者之間的差值Li為:

式中，ρ″為弧度單位秒，其值為206 265；Si為測(cè)端到測(cè)點(diǎn)之間的距離。

每節(jié)段施工完成后，按照混凝土澆筑后、張拉預(yù)應(yīng)力后和斜拉索張拉后的順序?qū)χ髁簶?biāo)高測(cè)量，主要測(cè)量剛結(jié)束節(jié)段高程值，以及相鄰3個(gè)節(jié)段的高程變化值。測(cè)量前做好測(cè)點(diǎn)預(yù)埋，預(yù)埋件大多采用φ16鋼筋加工，鋼筋頭部打磨平整后加刻“十字絲”，預(yù)埋時(shí)露出混凝土頂面3～5 cm為宜，每個(gè)節(jié)段按照A、B、C、D、E五點(diǎn)預(yù)埋，其中D、E兩點(diǎn)作為該節(jié)段的校核點(diǎn)，A、B、C三點(diǎn)作為后續(xù)節(jié)段施工參考點(diǎn)，各預(yù)埋點(diǎn)設(shè)置見圖3。

圖3 主梁標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置

6.5 合龍前后線形聯(lián)測(cè)

氣溫作為梁體線性膨脹系數(shù)關(guān)鍵因素之一，不同溫度條件下梁體長(zhǎng)度、撓度等有所差異，因此在中跨、邊跨合龍之前均應(yīng)進(jìn)行一次24 h的聯(lián)測(cè)。同時(shí)，為了得出主梁隨溫度變化的線形數(shù)據(jù)，對(duì)比分析監(jiān)控計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果之間差異，因此在合龍前后聯(lián)測(cè)是必要的。

7 橋梁轉(zhuǎn)體過程控制

7.1 梁體控制點(diǎn)布設(shè)

為控制梁體平面位置和高程，在梁體頂板表面布設(shè)控制點(diǎn)(見圖4)，并采用全站儀坐標(biāo)法和方位角法進(jìn)行觀測(cè)。具體操作方法為:在邊跨現(xiàn)澆段伸縮縫向跨中方向2 m處軸線方向架設(shè)全站儀，在邊跨現(xiàn)澆段任意位置架設(shè)水準(zhǔn)儀，棱鏡架設(shè)在旋轉(zhuǎn)梁體軸線控制點(diǎn)上，與梁端向主墩方向2 m處軸線方向重合，梁端撓度觀測(cè)點(diǎn)兩端布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)。

圖4 轉(zhuǎn)體控制點(diǎn)布設(shè)示意

7.2 合龍前后平面線形聯(lián)測(cè)

該主橋位于直線段上，為更好地確保轉(zhuǎn)體后線形，首先采用全站儀精確放樣出T構(gòu)在旋轉(zhuǎn)之前的橋梁軸線，以及邊跨現(xiàn)澆段在主線上的梁體軸線。其次，在邊跨現(xiàn)澆段架設(shè)全站儀，為防止轉(zhuǎn)后視線遮擋，在轉(zhuǎn)體T構(gòu)兩端需架設(shè)不等高的覘牌，通過全站儀對(duì)兩個(gè)覘牌進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)，使用直線定向穿線法對(duì)其梁體精確定位。梁體轉(zhuǎn)體就位后，還需采用坐標(biāo)法對(duì)兩覘牌進(jìn)行坐標(biāo)校核，校核無誤后轉(zhuǎn)體方可結(jié)束[10]。

為防止出現(xiàn)過轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)體即將到位時(shí)，千斤頂拉伸需采用時(shí)間點(diǎn)動(dòng)模式，但點(diǎn)動(dòng)時(shí)間間隔的確定需提前模擬計(jì)算，一般以不同時(shí)間點(diǎn)動(dòng)梁端位移行程距離、慣性滑動(dòng)距離確定，本橋最終點(diǎn)動(dòng)時(shí)間間隔分別設(shè)置為10 s、5 s和3 s三種。

規(guī)范要求主梁軸線水平方向允許偏差±10 mm，本橋通過主梁定位坐標(biāo)復(fù)核Δx＝6 mm，Δy＝3 mm，定位后軸線均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求[11]。

7.3 合龍前后高程聯(lián)測(cè)

一方面為了保證成橋線形，另一方面作為轉(zhuǎn)體安全的保證措施之一，橋梁轉(zhuǎn)體前后均需進(jìn)行高程量測(cè)。主梁轉(zhuǎn)體前，在主梁兩端分別布設(shè)4個(gè)高程控制點(diǎn)，將水準(zhǔn)儀架設(shè)在邊跨現(xiàn)澆段上，在轉(zhuǎn)體過程中使用水準(zhǔn)儀對(duì)梁體兩端標(biāo)高進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，時(shí)刻觀察梁體中跨和邊跨梁端高程變化情況，直至轉(zhuǎn)體結(jié)束[12]。

轉(zhuǎn)體完成后，通過對(duì)主梁中跨及邊跨標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，其相對(duì)高差僅為12 mm，遠(yuǎn)小于參照設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算出的48 mm(即:±L/5 000＝4.8 cm)，說明通過高程監(jiān)控實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期效果。

8 結(jié)束語

本文通過對(duì)山東省菏澤市丹陽路立交的斜拉橋轉(zhuǎn)體全過程中的施工控制網(wǎng)建立、球鉸定位和滑道水平控制、斜拉索索導(dǎo)管定位、梁體線形監(jiān)控和轉(zhuǎn)體過程控制等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述，解決了斜拉索孔道的定位測(cè)量、梁體線形監(jiān)控等測(cè)量控制難點(diǎn)，保證了橋梁轉(zhuǎn)體定位后軸線位置、平面位置和標(biāo)高等滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，為今后類似橋梁施工測(cè)量控制起到借鑒作用。