滬蘇通長江大橋主塔鋼錨梁定位技術

黃紅林

（中鐵大橋局集團第二工程有限公司，江蘇 南京 210015）

1 工程概況

滬蘇通長江大橋是新建滬蘇通鐵路的控制性工程，位于江陰長江公路大橋下游約45 km，是世界上首座主跨超千米的公鐵大橋。主橋長2 300 m，橋跨布置為142+462+1 092+462+142（m）雙塔鋼桁梁斜拉橋，主跨1 092 m（見圖1）。橋址處江面寬度5.4 km，兩主塔位于江中心，離岸邊距離1.5～2.0 km。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

主塔28#、29# 墩結構尺寸相同，鋼筋混凝土結構，橋面以上為倒Y 形，下塔柱內收為鉆石形。塔頂高程為+333 m，塔底高程為+8 m，承臺以上塔高325 m。斜拉索為扇形三索面，每個主塔共36×3=108 對斜拉索，其中有99 對斜拉索錨固在鋼錨梁上。鋼錨梁豎向間距從上到下依次為2.8 m、3.0 m、3.2 m、3.4 m。全塔鋼錨梁根據(jù)尺寸和管徑，分為A、B、C 三類。鋼錨梁斜拉索預埋套筒分為3 段（L1、L2、L3），L1 預埋于混凝土塔壁中，通過勁性骨架定位，L2 焊接于牛腿預埋鋼板上，并與L1 通過法蘭盤連接，L3 焊接于錨墊板上，并與L2 之間留20 mm 間隙以適應鋼錨梁的彈性伸長。

2 前期準備工作

鋼錨梁定位精度要求很高，設計要求索道管進出口空間位置為±5 mm，兩管口連線與設計位置夾角不超過5”。由于兩主塔距離岸邊控制點太遠，常規(guī)的坐標放樣法精度難以滿足設計要求，應根據(jù)施工情況進行控制點加密。

2.1 控制網(wǎng)復測和加密

根據(jù)施工測量控制需要，結合施工實際，控制網(wǎng)采取分階段進行加密，即隨著橋墩從基礎到上部結構施工，加密點從沉井基礎到承臺再到墩身頂部，逐步上移。加密點與岸上首級控制點采取同步擴展的方式進行加密。

主橋平面網(wǎng)采用GNSS 控制網(wǎng)[1]，等級為二等。其中26D，31D 位于26# 墩、31# 墩帽上，28D，29D 位于主塔下橫梁上，其余點為岸上點，均為強制對中墩。加密網(wǎng)形如圖2 所示。

圖2 主塔施工控制點和加密點布設圖

2.2 建立獨立坐標系

由于大橋中線為直線，為了方便測量鋼錨梁的偏位，可以建立以橋軸線和墩中線為軸線的橋梁獨立坐標系[2]。在獨立坐標系下，主塔28# 墩、29# 墩中心坐標分別為（17248.84，0），（18340.84，0）。

2.3 鋼錨梁組拼測量

尺寸檢查：鋼錨梁在工廠內加工制造，由機床下料、在特制胎架上進行焊接，在拼裝場內將各單元件拼裝成整體。用全站儀測量鋼錨梁及索道管各特征點三維坐標，檢查鋼錨梁高度、螺栓孔與預留孔道間距、結構對角線尺寸等，用鋼尺復核結構尺寸，各結構尺寸偏差須小于3 mm。

鋼錨梁與鋼牛腿的組拼：拼裝在經過調平的臺座上進行。首先建立拼裝測量控制網(wǎng)，單節(jié)鋼錨梁預拼在場地上平行布設2 個平臺，調整平臺頂面高程，將鋼錨梁吊裝在平臺上并作簡易固定，起吊兩側壁板進行初步組拼。測量壁板尺寸和四角高差、錨固點高程、索道管與鋼錨梁軸線相對位置關系、壁板四角上下對角線長度等，滿足設計要求后進行鋼錨梁連續(xù)預拼。

連續(xù)預拼：將單節(jié)鋼錨梁整體起吊，與下一節(jié)鋼錨梁進行對接，形成整體。測量項目除進行常規(guī)的尺寸復核外，還要測量兩側壁板的累積高度和頂面的四角高差、傾斜度等，見圖3 所示。組拼完成后，在橫梁上標示上、下層對應軸線及特征點，作為塔柱上安裝測量的位置基準。

圖3 鋼錨梁連續(xù)預拼圖

3 鋼錨梁定位測量

鋼錨梁和斜拉索區(qū)一般位于上塔柱，塔柱施工按爬模法分節(jié)段施工，其施工工序和鋼錨梁測量定位步驟如下：

（1）鋼錨梁底下塔柱施工→（2）基準點埋設與測量→（3）鋼支架安裝定位→（4）剛牛腿、鋼錨梁安裝定位→（5）塔柱勁性骨架及鋼筋安裝→（6）塔柱模板檢查→（7）索道管三維位置復查→（8）澆筑混凝土監(jiān)測→（9）索道管竣工測量→（10）下一節(jié)鋼錨梁定位。

3.1 定位方法

由于主塔遠離岸上控制點，鋼錨梁定位主要采用內控法進行。所謂內控法[3]，是將全站儀架設在塔柱內部的基準點上，后視塔上另一基準點，來進行鋼錨梁的定位。此處的基準點，是指埋設在塔肢上，用來精確定位塔柱、鋼錨梁、鋼筋勁性骨架等設施且位置相對穩(wěn)定的測量控制點。基準點一般采用強制對中裝置，焊接在勁性骨架或鋼管樁上，以消除儀器對點誤差。因此，基準點的測設及測量精度，成為鋼錨梁精確定位的關鍵環(huán)節(jié)。

3.2 基準點測設

基準點的測設主要有GNSS 靜態(tài)測量法和邊角后方交會法。

3.2.1 GNS S 靜態(tài)測量法

GNSS 靜態(tài)測量法，是在塔頂基準點上安置GNSS 衛(wèi)星接收機（至少2 臺），與南北兩岸的控制點進行靜態(tài)聯(lián)測，解算基線進行平差，得出基準點坐標。由于受到環(huán)境溫差、混凝土收縮徐變、風力等因素的影響，高塔柱會有扭轉和變形，因此GNSS 靜態(tài)測量只適合在晚上塔柱變形最小時，才可進行。

3.2.2 邊角后方交會法

邊角后方交會法是用帶有自動照準目標、高精度的全站儀（測角精度0.5″）架設在基準點上，觀測岸上控制點的距離和角度，通過平差計算得到基準點的平面坐標。由于塔上基準點和岸上控制點高差最大達330 m，邊長投影改正最大約50 mm/ km，因此測量距離時，應往返測量邊長斜距，將邊長投影改化到相應的高程面后進行平差計算[4]。

邊角后方交會法要求基準點與控制點間距離不宜大于1.5 km，夾角不應小于30°，控制點不少于4個。

觀測技術要求[4]：

邊長觀測：每邊觀測4 測回；一測回讀數(shù)較差限值為2 mm；測回間較差限值為3 mm；一測回是指全站儀盤左、盤右各照準一次，每次讀數(shù)2～4 次；邊長經氣象、儀器常數(shù)、投影高程面改正后取平均值作為邊長觀測成果。

水平角觀測：采用全圓觀測法分別照準控制點，角度觀測6 個測回；半測回歸零差不大于4″；一測回內各方向2C 互差不大于8″；同一方向值各測回互差不大于4″；各測回觀測結果取平均值作為水平角的最終成果。

3.3 首節(jié)鋼錨梁定位

首節(jié)鋼錨梁安裝前要對主塔進行變形監(jiān)測。中塔柱施工完成后，塔柱高度已超過200m，考慮到日照、溫度、風力等外部因素對塔柱的變形影響很大，首節(jié)鋼錨梁定位前須根據(jù)塔的變形情況對放樣數(shù)據(jù)進行修正。

3.3.1 塔柱的變形監(jiān)測

在已竣工的每個上塔柱段的上、下游側埋設棱鏡，進行48 h 連續(xù)觀測，觀測頻率為1 次/2 h，同時測量大氣、塔柱四面等環(huán)境溫度。利用兩臺全站儀同步觀測塔上棱鏡，固定設站點和后視點，分別觀測從橫梁至上塔柱的所有埋設棱鏡，取兩臺儀器觀測值的平均值，作為塔柱變形測量的初始值。繪制縱、橫橋向塔柱的變形曲線，確定塔柱“零變形”狀態(tài)時的坐標值，溫度和觀測時間。

3.3.2 基準點測設

在塔柱“零變形”狀態(tài)的時間段內，對基準點進行加密測量，基準點測設應采用兩種方法進行校核。

3.3.3 鋼錨梁定位測量

首節(jié)鋼錨梁由四根鋼管樁來支撐，精確測量四個支撐管樁位置和高程，放樣出鋼錨梁和剛牛腿的設計位置（高程需考慮主塔壓縮量），并彈好墨線。起吊整節(jié)鋼錨梁，放在預先畫好的墨線上，運用全站儀測量索道管錨固點和出塔口坐標，反復調整鋼錨梁直至設計位置。

用“內控法”定位鋼錨梁，放樣坐標是不需修正的，因為基準點和塔柱的變形近似同步，可以實現(xiàn)鋼錨梁定位全天候作業(yè)。但為了進一步提高定位精度，定位測量仍然選擇在塔柱“零變形”狀態(tài)下進行。

3.3.4 索導管定位器

為了方便測量索道管錨固點和出塔口中心位置坐標，根據(jù)索道管的型號尺寸，定做出相應的索道管定位器，其錨固端口和出塔口分別為圓形和橢圓形，標志出定位器中心，鋼錨梁定位時可直接測量出管口中心點坐標，見圖4 和圖5 所示。

圖4 錨固點中心定位器之實景

3.4 鋼錨梁其他節(jié)段定位

鋼錨梁在制造和安裝時尺寸存在偏差，隨著塔柱高度的不斷增加，鋼錨梁定位偏差也逐漸累積加大。因此，當鋼錨梁安裝到一定高度后（每5 節(jié)）要進行糾偏。糾偏采用微調螺栓，在鋼錨梁分組對接牛腿位置，設置一批微調螺栓，根據(jù)測量的鋼錨梁實際傾斜、偏差情況，調整微調螺栓，控制鋼錨梁累計偏差。

圖5 出塔點中心定位器之實景

4 高程傳遞

在邊墩（26#、31#）墩身施工和主塔墩（28#、29#）下橫梁施工完成后，應進行水準貫通測量，將岸上高程控制點加密至邊墩帽梁和主塔橫梁（承臺）上，測量方法為測距三角高程法[5]，見圖6 所示。

圖6 高程加密水準傳遞示意圖

塔柱高程傳遞主要方法有：全站儀天頂測距法，懸掛鋼尺法，三角高程差分法等。測量時，通常要應用兩種方法相互檢核。

4.1 全站儀天頂測距法

利用全站儀的光電測距功能，對處于同一鉛垂線上不同高程的兩個點進行垂直測距，則兩點間高差就是全站儀所測的豎直距離與儀器高度之和。

作業(yè)時，要保證棱鏡中心和全站儀中心在一條鉛垂線上。儀器高度測量可以采用水平視線法，把儀器安置好后放平望遠鏡（天頂距為90°00′00″），從已知點A（點A 與設站點距離較近）處所立的水準尺上讀取讀數(shù)，從而實現(xiàn)從已知點A 到待求點a 之間的高程傳遞，消除了直接量取儀器高而帶來的測量誤差。施測時，應多測回、多時段測量，取平均值以保證a 處高程測量的精度。

4.2 懸掛鋼尺法

在無風、氣溫穩(wěn)定狀況下，在鋼尺上懸掛一個15 kg的重物，水準儀測量下橫梁A 處水準尺的讀數(shù)和豎直懸掛塔身上的鋼尺的讀數(shù)，測得橫梁至塔身的高差，從而將下橫梁點A 的高程傳遞到塔身上面。如圖7 所示，塔身B 點處的高程為：HB=HA+a+（a1-b1）-b。高差測量讀數(shù)四次，取其平均數(shù)。計算高差時，應進行鋼尺的尺長改正。

圖7 懸掛鋼尺傳遞高程法示意圖

4.3 三角高程差分法

三角高程差分法，是在一高程控制點上架設全站儀，利用單向三角高程法，測量塔柱下橫梁上高程控制點的高程。因為球氣差的緣故，測出的高程值與原高程值存在差值△h，可根據(jù)△h反算大氣折光系數(shù)K，改正儀器內的系數(shù)K值，再次測量高程直到接近目標高程后，方可進行高程傳遞。

以28# 主塔為例：全站儀架設在26# 墩頂高程點，精確量取儀器和棱鏡標高度，單向測量26# 墩頂高程點至28#下橫梁控制點間高差h。根據(jù)下述公式計算K值：

式中：h為兩點實測高差；△H為兩點間理論高差；D為兩點間水平距離；R為地球平均曲率半徑。

由于K值隨著大氣的狀況不同而變化，在日出后及日落前2 h 內，K值變化劇烈，不宜進行三角高程差分測量。在主塔高程傳遞過程中，要每0.5 h 進行一次差分計算，確保K值選取準確。

5 鋼錨梁竣工測量

鋼錨梁安裝完成后，需要進行竣工測量。竣工測量方法與定位測量方法相同，在對鋼錨梁定位的同時，運用索導管定位器，對上一節(jié)段已灌注混凝土索道管的錨固點和出塔點進行竣工測量，并與設計值進行比較。若偏差超限，應查明原因，在下一節(jié)段進行糾偏。

6 結 語

滬蘇通長江大橋主塔鋼錨梁定位方法實用，精度可靠。從竣工測量數(shù)據(jù)來看，索道管錨固點、出塔點偏位、鋼牛腿，以及鋼錨梁高程均滿足設計要求。鋼錨梁的安裝定位結合施工條件和外界環(huán)境，定位精度高，為后續(xù)鋼梁架設，斜拉索安裝，斜拉索索力調整提供了技術保障，保證了施工按時完成。該方法在兩主塔墩的成功應用，為其他同類橋梁及類似工程應用提供了技術指導和借鑒作用。