滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網(wǎng)復(fù)測分析

鄭 強(qiáng)，李劍坤

（1.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

隨著過江通道建設(shè)需求的日益增長，單純以公路或鐵路形式過江的項(xiàng)目在建設(shè)成本、通道資源利用、結(jié)構(gòu)剛度等方面已不具優(yōu)勢，而更多項(xiàng)目則以公鐵合建過江方式建設(shè)。公鐵大橋能充分發(fā)揮鐵路橋和公路橋豎向、橫向剛度互補(bǔ)的優(yōu)勢，且能充分合理地利用土地、河流和空間等資源，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，在技術(shù)上也具有可行性[1]。施工控制網(wǎng)是直接用于公鐵大橋項(xiàng)目建設(shè)的測量基準(zhǔn)，具有使用周期長、穩(wěn)定性要求強(qiáng)、精度要求高等特點(diǎn)，在長達(dá)數(shù)年的建設(shè)過程中，需對施工控制網(wǎng)進(jìn)行定期復(fù)測，且復(fù)測周期不應(yīng)超過1 a[2]。國內(nèi)諸多測繪工作者以項(xiàng)目為載體，圍繞施工控制網(wǎng)復(fù)測進(jìn)行了研究，如吳迪軍[3-5]等以港珠澳大橋?yàn)槔?，針對首級控制網(wǎng)復(fù)測原則、方法和技術(shù)要求以及成果比較、穩(wěn)定性分析方法等關(guān)鍵問題，得出特大型跨海橋梁工程首級控制網(wǎng)復(fù)測的若干結(jié)論；成益品[6]等以深中通道島隧工程首級施工控制網(wǎng)復(fù)測為例，從技術(shù)設(shè)計(jì)、測量實(shí)施和成果比較等方面總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)；郭保[7]以東天山特長隧道施工控制網(wǎng)為例，從穩(wěn)定性分析入手，很好地判斷了控制點(diǎn)的穩(wěn)定性狀況，對橋梁工程施工控制網(wǎng)同樣具有借鑒價(jià)值；李忠峰[8]等基于誤差理論方法提出了不同算法，解決了施工控制網(wǎng)起算點(diǎn)可靠性的問題；黃海南[9]圍繞特大型橋梁施工控制網(wǎng)復(fù)測和施工期沉降觀測關(guān)鍵技術(shù)開展研究，在穩(wěn)定性分析、復(fù)測周期、沉降觀測方法等方面有所收獲。

綜上所述，公鐵大橋施工控制網(wǎng)的穩(wěn)定性、成果的可靠性是確保項(xiàng)目順利建設(shè)的重要基礎(chǔ)條件。相對于公路、鐵路、隧道等項(xiàng)目而言，本文研究的滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網(wǎng)使用周期更長、精度要求更高、所處區(qū)域地質(zhì)條件和周邊環(huán)境更復(fù)雜，因此整個(gè)復(fù)測階段需解決的問題更多，所積累的經(jīng)驗(yàn)對類似工程施工控制建網(wǎng)和復(fù)測更具有參考與借鑒價(jià)值。求，分別于2015年4月、2016年10月、2017年11月和2018年12月組織開展了4次大橋施工控制網(wǎng)復(fù)測[11-15]。滬蘇通長江公鐵大橋施工平面和高程控制網(wǎng)示意圖如圖1、2所示。

圖1 滬蘇通長江公鐵大橋施工平面控制網(wǎng)示意圖

1 項(xiàng)目概況

滬蘇通長江公鐵大橋北起江蘇南通、南至張家港，全長11.072 km，其中正橋長5.827 km、南北岸引橋長5.245 km、跨江主跨1.092 km，是世界上首座“4線鐵路+6車道公路”、主跨超千米的公鐵兩用斜拉橋。大橋的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為“高、大、新”，即“世界最高公鐵兩用斜拉橋主塔”、“跨度大、體積大”和“運(yùn)用了一大批新材料、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備、新工藝”。大橋建設(shè)期間，30余名院士到現(xiàn)場指導(dǎo)工程建設(shè)，克服了一系列困難，在橋梁建造技術(shù)方面取得了重大突破，實(shí)現(xiàn)了5個(gè)“世界首創(chuàng)”，在我國乃至世界鐵路橋梁建設(shè)史上具有里程碑意義[10]。滬蘇通長江公鐵大橋于2014年3月1日動(dòng)工建設(shè)，2020年7月1日建成通車。

圖2 滬蘇通長江公鐵大橋施工高程控制網(wǎng)示意圖

2 施工控制網(wǎng)建設(shè)和復(fù)測情況

滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網(wǎng)于2014年初完成建網(wǎng)，并通過專家評審驗(yàn)收。為確保項(xiàng)目建設(shè)期內(nèi)控制基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，滿足橋梁工程施工放樣的高精度要

2.1 施工控制網(wǎng)建網(wǎng)和復(fù)測內(nèi)容

滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網(wǎng)建網(wǎng)階段的主要工作包括起算資料收集與聯(lián)測、大橋控制網(wǎng)布設(shè)以及平面、高程測量。各次復(fù)測階段的主要工作包括對平面、高程控制網(wǎng)進(jìn)行同等級復(fù)測以及對點(diǎn)位穩(wěn)定性進(jìn)行分析。具體工作情況如表1所示。

表1 滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網(wǎng)建網(wǎng)和復(fù)測內(nèi)容

2.2 復(fù)測原則

控制網(wǎng)復(fù)測的原則為：①控制網(wǎng)復(fù)測宜在精度與等級設(shè)計(jì)、儀器設(shè)備、觀測方案等方面與建網(wǎng)相同；②控制網(wǎng)位置、方向、尺度與高度基準(zhǔn)需與建網(wǎng)保持一致。

3 施工控制網(wǎng)復(fù)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 平面控制網(wǎng)復(fù)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 精度設(shè)計(jì)

平面控制網(wǎng)復(fù)測根據(jù)TB 10101-2018《鐵路工程測量規(guī)范》中一等GPS網(wǎng)精度要求，按靜態(tài)相對測量模式設(shè)計(jì)與觀測。主要技術(shù)要求如表2所示。

表2 GPS控制網(wǎng)測量的主要技術(shù)要求

3.1.2 外業(yè)觀測

為了保證控制網(wǎng)成果的質(zhì)量和精度可靠，觀測作業(yè)需嚴(yán)格按TB 10101-2018《鐵路工程測量規(guī)范》要求執(zhí)行。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理

1）基線解算。外業(yè)觀測結(jié)束后，采用TBC軟件解算基線，并從重復(fù)基線、同步環(huán)和異步環(huán)長度、坐標(biāo)閉合差等方面進(jìn)行限差驗(yàn)算，以剔除超限數(shù)據(jù)。當(dāng)所有基線均滿足要求后，方可供內(nèi)業(yè)平差使用。

2）平差計(jì)算。利用COSA平差軟件進(jìn)行平面控制網(wǎng)平差計(jì)算。平差時(shí)選取獨(dú)立基線，分別在WGS84坐標(biāo)系、工程坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差和二維約束平差，并通過固定穩(wěn)定、可靠的起算點(diǎn)計(jì)算得到其他控制點(diǎn)在工程坐標(biāo)系中的成果。

3.2 高程控制網(wǎng)復(fù)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 精度設(shè)計(jì)

高程控制網(wǎng)復(fù)測按GB/T 12897-2006《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中二等水準(zhǔn)測量精度進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)與規(guī)范觀測。

3.2.2 外業(yè)觀測

1）陸地水準(zhǔn)測量。采用數(shù)字水準(zhǔn)儀及其配套測尺按測段進(jìn)行往返觀測，構(gòu)成若干個(gè)陸地水準(zhǔn)閉合環(huán)。水準(zhǔn)測量中往返測高差較差、附合或環(huán)閉合差限差為（F為水準(zhǔn)測量的環(huán)線或路線長度，單位為km）[16]。觀測過程需嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行。水準(zhǔn)測量視線長度、高度和觀測限差規(guī)定如表3所示。

表3 二等水準(zhǔn)測量視線長度和高度

2）跨河水準(zhǔn)測量?？绾铀疁?zhǔn)測量共布設(shè)5條跨河線，均采用TB 10101-2018《鐵路工程測量規(guī)范》中二等測距三角高程法施測?？绾泳€場地布設(shè)為平行四邊形，采用高精度全站儀及其配套水準(zhǔn)尺、覘標(biāo)燈對向觀測，通過專用軟件自動(dòng)生成外業(yè)觀測記錄。①距離測量，北叉和人工島跨河線邊長采用兩臺(tái)全站儀同時(shí)進(jìn)行對向觀測，南叉跨河線邊長通過GPS測量坐標(biāo)，計(jì)算跨河點(diǎn)距離，具體技術(shù)要求和觀測限差如表4所示；②垂直角測量，各測回垂直角測量限差為指標(biāo)差互差≤8″，同一標(biāo)志垂直角互差≤4″。

表4 距離測量的技術(shù)要求和觀測限差

3）限差規(guī)定。跨河水準(zhǔn)測量視線距離水面要求不得低于2 m，且需滿足規(guī)范要求的視線高；內(nèi)業(yè)計(jì)算的限差主要包括每條邊各測回間高差互差限差、環(huán)閉合差限差，且滿足GB/T 12897-2006《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中跨河水準(zhǔn)的相關(guān)要求。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用COSA平差軟件對高程控制網(wǎng)進(jìn)行整體嚴(yán)密平差，以穩(wěn)定已知控制點(diǎn)為施工高程控制網(wǎng)復(fù)測的起算數(shù)據(jù)，且平差結(jié)果須滿足每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差的限差要求。

4 施工控制網(wǎng)復(fù)測成果比較與分析

本文通過滬蘇通長江公鐵大橋施工控制網(wǎng)的4次復(fù)測，對項(xiàng)目建設(shè)期內(nèi)施工控制網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了全過程監(jiān)測；從平面和高程兩個(gè)方面分別對各期成果進(jìn)行了逐次比較。

4.1 各次平面復(fù)測成果比較

本文將平面控制網(wǎng)建網(wǎng)與各次復(fù)測成果進(jìn)行比較，以此作為平面控制基準(zhǔn)穩(wěn)定性和控制點(diǎn)成果可靠性的分析依據(jù)。各次平面控制網(wǎng)成果比較結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 第一次復(fù)測與建網(wǎng)平面成果比較

4.2 各次高程復(fù)測成果比較

本文將高程控制網(wǎng)建網(wǎng)與各次復(fù)測成果進(jìn)行比較，以此作為高程控制基準(zhǔn)穩(wěn)定性和控制點(diǎn)成果可靠性的分析依據(jù)。各次高程控制網(wǎng)成果比較結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 第一次復(fù)測與建網(wǎng)高程成果比較

4.3 各次復(fù)測成果分析

通過各次平面與高程控制網(wǎng)復(fù)測成果比較，并結(jié)合各次成果中變化較大的控制點(diǎn)所處位置和環(huán)境等情況，分析可知：

1）項(xiàng)目施工控制網(wǎng)在建設(shè)期內(nèi)受破壞情況較嚴(yán)重，受破壞的控制點(diǎn)達(dá)到15個(gè)，占建網(wǎng)控制點(diǎn)數(shù)量的45%。

2）各次控制點(diǎn)復(fù)測后均存在平面控制點(diǎn)成果差異較大的情況，各次復(fù)測平面控制點(diǎn)坐標(biāo)變化值差異統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 各次復(fù)測平面控制點(diǎn)坐標(biāo)變化差異統(tǒng)計(jì)

3）各次控制點(diǎn)復(fù)測后均存在高程控制點(diǎn)成果差異較大的情況，各次復(fù)測高程控制點(diǎn)坐標(biāo)變化值差異統(tǒng)計(jì)如表6所示。

圖4 第二次復(fù)測與第一次復(fù)測平面成果比較

圖5 第三次復(fù)測與第二次復(fù)測平面成果比較

圖6 第四次復(fù)測與第三次復(fù)測平面成果比較

圖8 第二次復(fù)測與第一次復(fù)測高程成果比較

圖9 第三次復(fù)測與第二次復(fù)測高程成果比較

圖10 第四次復(fù)測與第三次復(fù)測高程成果比較

表6 各次復(fù)測高程控制點(diǎn)坐標(biāo)變化差異統(tǒng)計(jì)

4）通過對差異較大控制點(diǎn)的基礎(chǔ)、環(huán)境、所處位置等情況進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于：①受施工期間重載車輛、橋墩基礎(chǔ)施工以及其他土建施工等外界因素影響，控制點(diǎn)受到擠壓，控制點(diǎn)所處基礎(chǔ)發(fā)生變形；②部分新埋設(shè)控制點(diǎn)位于新建大堤，大堤基礎(chǔ)處于沉降穩(wěn)定期，存在大堤整體沉降，導(dǎo)致部分高程控制點(diǎn)成果差異較大；③受墩身施工影響，江中主塔自身荷載一直在增加，導(dǎo)致塔座高程控制點(diǎn)持續(xù)下沉；④部分高程控制點(diǎn)差異由測量誤差和起算點(diǎn)差異所致。

5 結(jié)語

1）橋梁工程施工控制網(wǎng)具有長周期、高精度的應(yīng)用需求，在建網(wǎng)選點(diǎn)過程中需確?？刂泣c(diǎn)所處基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)確?？刂泣c(diǎn)處于施工影響、外界環(huán)境干擾區(qū)域外，以保證控制點(diǎn)滿足長期、穩(wěn)定的應(yīng)用要求。

2）通過項(xiàng)目實(shí)測與成果比較可知，案例項(xiàng)目在建設(shè)期內(nèi)控制點(diǎn)破壞較嚴(yán)重，通過檢核與分析，同時(shí)選用合適的起算點(diǎn)，保證了建設(shè)期內(nèi)控制網(wǎng)基準(zhǔn)的穩(wěn)定與一致，確保了項(xiàng)目的順利建設(shè)。因此，復(fù)測外業(yè)工作完成后，需對影響控制網(wǎng)基準(zhǔn)的起算點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行檢核，確保起算點(diǎn)的成果可靠，以此保證測量基準(zhǔn)在建設(shè)期內(nèi)的一致性，避免控制網(wǎng)復(fù)測成果與既有成果間出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。

3）橋梁工程施工控制網(wǎng)是保證工程建設(shè)順利實(shí)施的基礎(chǔ)且重要的工作之一，與工程建設(shè)緊密相關(guān)。因此，控制點(diǎn)成果是否更新使用應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度、控制點(diǎn)成果差異等情況綜合考慮。

4）施工控制網(wǎng)的復(fù)測與成果選用是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，因此在完成復(fù)測分析后，不僅需要對控制點(diǎn)成果的使用提出建議，還需要對控制點(diǎn)保護(hù)、加固和監(jiān)測以及測量基準(zhǔn)維護(hù)等提出合理化建議，從而更好地發(fā)揮控制點(diǎn)在整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)期內(nèi)的重要基準(zhǔn)功能。