不良環(huán)境下索道管定位特征點獲取測量技術研究

李施展

（中鐵大橋局第七工程有限公司，湖北武漢 430050）

0 引言

在現(xiàn)代橋梁施工中，錨固系統(tǒng)作為橋梁重要的受力結(jié)構(gòu)，定位精度要求高，其定位測量環(huán)境及相關工作要求往往對測量工作的實施造成較大的困難（高空、風大、視線遮擋）。尤其在大型的懸索橋、斜拉橋、拱橋施工過程中，錨固系統(tǒng)需要精密定位。根據(jù)誤差傳播定律，錨固系統(tǒng)精密定位涉及多個方面，全要素精密控制才能達到預期的測量精度，其誤差來源主要有：測量控制網(wǎng)、測量設備、測量方法、測量環(huán)境、測量輔助工裝及人員操作。而其精密定位的對象，一般為索道管精密定位或錨桿精密定位。研究索道管定位特征點獲取測量技術，主要目的是盡可能減少后三種因素帶來的誤差影響。

1 技術背景

在索道管定位測量中，傳統(tǒng)的特征點獲取及觀測方法主要采用現(xiàn)場人工分中或十字分中的定位板和人工置鏡進行定位測量[1]。

但傳統(tǒng)的特征點獲取方法存在以下的問題或風險。

1.1 軸線特征點不易尋找

對端部進行現(xiàn)場分中時，測量人員手持棱鏡立在分中點進行測量定位，存在現(xiàn)場分中誤差。且在高空、多風的環(huán)境下，人工置鏡的對點方式，置鏡人員不能完全扶穩(wěn)，測量精度有一定的局限性，并存在一定的安全風險。

1.2 傳統(tǒng)定位板的問題

采用傳統(tǒng)定位板獲取索道管定位特征點，可以解決部分環(huán)境下特征點獲取的問題。大跨徑斜拉橋的索道管直徑尺寸較為多變，測量人員需手持棱鏡立在定位板標記點上，定位板尺寸不能變徑，需要加工多套定位板配合現(xiàn)場施工定位。傳統(tǒng)定位板重量大，攜帶不便，且在高空、多風的環(huán)境下同樣存在一定的安全風險。

在不同項目索道管定位的實踐中，提出了在不良環(huán)境下，索道管定位特征點獲取測量技術，以解決上述困難。從測量環(huán)境、測量輔助工裝、人員操作三個方面，提高測量精度。

2 索道管定位方案

2.1 數(shù)據(jù)準備

在索道管施工前，依據(jù)設計圖紙給出的參數(shù)，復核計算每一個索道管兩端部坐標、長度和傾斜角度，并歸納出索道管的空間直線方程。

2.2 加密控制點

根據(jù)索道管施工測量工作需求，在作業(yè)區(qū)附近加密高精度控制點。加密方法可采用GPS 靜態(tài)測量或全站儀邊角網(wǎng)測量，并結(jié)合二等水準測量。

2.3 定位支架安裝

一般情況下，大型橋梁的索道管構(gòu)件重量較重，需要先安裝定位支架，對其進行支撐及定位?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實際需求，自主設計和現(xiàn)場加工定位支架[2]。

2.4 索道管定位測量

在實際索道管定位測量過程中，可以通過建立以索道管軸線為基準的三維參考線，確定索道管實測軸線和理論軸線的空間位置關系（見圖1）。

圖1 測點與空間參考線位置關系示意圖

具體計算可以通過計算器編程的方式求出測點與參考線之間的相對位置關系。還可使用徠卡全站儀加載三維的參考線程序進行測量，直接輸出測點在空間參考線上的里程、平面投影偏距、點到線的垂距，便于調(diào)整。

3 不良環(huán)境下索道管定位特征點獲取測量技術及案例

主要依托的工程項目為：太原攝樂大橋、宜昌香溪河大橋、山西左云十里河橋、湖北秭歸童莊河大橋。針對不同項目索道管及其相關結(jié)構(gòu)的設計特點（管徑大小、特征點位置侵占等）和作業(yè)環(huán)境特點（高空、大風、視線遮擋等），提出了不同的解決方案，并發(fā)明了相關的測量輔助工裝，配套使用。

3.1 索道管定位相關案例的技術背景及存在問題

3.1.1 香溪河大橋

香溪河大橋為主跨470m 雙塔組合混合梁斜拉橋，空間雙索面，東、西索塔各有17 對斜拉索。1#、2#斜拉索錨固于塔柱合龍段索道管端頭[3]其余15 對斜拉索錨固于預埋于主塔內(nèi)的鋼錨梁中。合龍段高10.0m，采用鋼結(jié)構(gòu)牛腿支架法施工。首先，安裝圓弧底模；其次，安裝勁性骨架。利用塔柱勁性骨架進行1#索道管定位，由于1#索道管出塔口與圓弧底模嚴密貼實，無法通過常規(guī)測量方法，測量管口中心坐標進行定位。

3.1.2 左云十里河橋

左云十里河橋橋梁全長180m，跨徑布置為3×30m+3×30m，主梁采用預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，并設置鋼結(jié)構(gòu)裝飾拱。鋼拱下錨管管徑較小，常規(guī)方法中的鋼結(jié)構(gòu)定位板不易現(xiàn)場切割加工。

3.1.3 攝樂大橋

攝樂大橋為獨塔空間扭索面斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置30+150+150+30=360m，斜拉索布置形成空間曲面[4]?，F(xiàn)場先安裝鋼主梁，后安裝索道管。安裝索道管時，錨固點已被翼緣板遮擋，僅從梁面露出索道管出口，無法使用常規(guī)方法直接測量錨固點。

3.1.4 童莊河大橋

童莊河大橋全長651m，主橋為H 型雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，跨徑布置45m+100m+320m+100m+45m[5]。主梁施工工藝為牽索掛籃施工。在索道管定位時，需要先行將斜拉索穿過索道管，并錨固于牽索掛籃弧形首處，導致索道管的軸線特征點位置被斜拉索占用，無法直接測量，需要在索道管軸線以外任意位置獲取特征點[6]。

3.2 針對性解決措施

橋梁索道管設計位置一般為空間三維傾斜姿態(tài)，大多需要高空作業(yè)，具有一定的安全風險。根據(jù)現(xiàn)場實際需求，設計并加工索道管測量輔助工裝，使索道管定位測量工作滿足精度要求的同時，盡可能提高測量工作的效率，降低安全風險，同時還應考慮大風、視線遮擋等不利因素。結(jié)合不同橋梁項目的施工環(huán)境介紹了3 種類型的測量輔助工裝。

3.2.1 端部外卡式測量輔助工裝

左云十里河橋使用了一種索導管定位測量夾具[7]，用于索道管定位測量。

對于小管徑索道管定位測量，發(fā)明了一種索道管上口中心點坐標定位夾具，夾具由圓木板、直角角碼、螺絲釘組成，材料簡單，易獲得。夾具中心標記點用于放置棱鏡，測量出的數(shù)據(jù)即為索道管上口中心點數(shù)據(jù)。

在索道管出口安裝定位夾具，測量索道管出口的三維坐標，指導現(xiàn)場進行精調(diào)。夾具安拆便捷，攜帶方便。

3.2.2 管身外卡式測量輔助工裝

在香溪河大橋和童莊河大橋索道管定位中，存在端部測量視線受限或軸線位置被占用無法直接測量的問題（見圖2）。

圖2 牽索掛籃索道管定位時斜拉索已穿入管道

工程實踐中采用了一種U 形卡具輔助定位工裝（見圖3），可安置在索道管管身處。通過測量卡具兩側(cè)對稱棱鏡快速獲取任意高度處索道管軸線坐標，適用于索道管端部通視困難和索道管軸線位置被占用的情況。

圖3 索道管定位測量U 型卡具

3.2.3 穿心軸線內(nèi)撐式測量輔助工裝

該裝置可放置在圓形管件內(nèi)部，通過變換棱鏡高，測量2 次棱鏡坐標及其棱鏡桿的長度（見圖4）。利用共線方程及空間距離方程進行傾斜測量，計算索道管內(nèi)隱蔽點坐標。

圖4 穿心軸線內(nèi)撐式測量輔助工裝

共線方程：

空間距離方程：

式（1）～式（2）中：x、y、z 為待求的隱蔽點坐標；x1、y1、z1、L1為第1 次測量時采集的棱鏡頭坐標及棱鏡桿長度；x2、y2、z2、為第2 次測量時采集的棱鏡頭坐標。

該測量輔助工裝在攝樂大橋的主梁索道管定位中成功應用。

考慮到同類型項目需要用于不同的索道管內(nèi)徑，可以將內(nèi)撐支架設計成可變徑的結(jié)構(gòu)[8]。

4 結(jié)論

根據(jù)不良環(huán)境下（高空、大風、視線遮擋等）的測量工作需求，研究了索道管定位特征點獲取測量技術，介紹了多種索道管測量輔助工裝及相關的適用情況：

其一，針對小管徑索道管定位測量，介紹了一種索道管定位測量夾具，易于現(xiàn)場加工制作及攜帶方便。

其二，針對索道管管口通視困難或索道管軸線位置被占用情況，介紹了一種U 型卡具輔助定位工裝，可安置在索道管管身處，通過測量卡具兩側(cè)對稱棱鏡，快速獲取任意高度處索道管軸線坐標。

其三，針對索道管內(nèi)隱蔽的錨固點測量，介紹了一種軸線內(nèi)撐式分中測量裝置，通過2 次測量，利用共線方程及空間距離方程，計算得到隱蔽點（如錨墊板）中心坐標、索道管傾角，解決了索道管管身絕大部分被遮擋的難題。

該技術通過不同項目的工程實踐，并根據(jù)不良環(huán)境下（高空、大風、視線遮擋、測量點位置被占等）的測量工作需求，研發(fā)了一系列測量輔助工裝，有針對性地解決各種不良環(huán)境下的索道管特征點獲取的問題，使測量工作安全、高效，大幅度減弱測量環(huán)境、測量輔助工裝及人員操作對測量精度的影響，提高了索道管定位的測量精度和測量效率。同時，可以解放測量人員的雙手，有效降低高空作業(yè)、危險源附近作業(yè)等不良環(huán)境下人工置鏡的安全風險。