渭河特大橋轉(zhuǎn)體施工測量技術(shù)

常運(yùn)超

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安 710032)

1 引言

轉(zhuǎn)體施工是指橋梁跨越深谷、河流、鐵路等障礙物時(shí)通過半跨結(jié)構(gòu)偏離軸線位置施工，成型后通過轉(zhuǎn)動(dòng)體系將兩個(gè)半跨結(jié)構(gòu)同時(shí)旋轉(zhuǎn)到位，在跨中合龍成橋的一種施工技術(shù)。全球范圍內(nèi)，從20世紀(jì)40年代出現(xiàn)這種施工工藝以來，采用轉(zhuǎn)體施工建設(shè)的橋梁已不勝枚舉，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的理論與實(shí)踐水平發(fā)展迅猛。我國從20世紀(jì)70年代開始研究轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，目前該技術(shù)已發(fā)展成為國內(nèi)公路橋梁跨越鐵路時(shí)的主要施工方法。由于橋梁轉(zhuǎn)體施工測量定位精度要求高、轉(zhuǎn)體施工受天窗時(shí)間影響大，因此如何進(jìn)行轉(zhuǎn)體關(guān)鍵部位的精確定位、如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行轉(zhuǎn)體實(shí)時(shí)監(jiān)測以掌握T構(gòu)姿態(tài)直接關(guān)系到橋梁轉(zhuǎn)體的成敗。本文以隴漳高速轉(zhuǎn)體施工測量技術(shù)為例，提出一種適用于快速進(jìn)行轉(zhuǎn)體測量定位，且安全行之有效的測量技術(shù)，為類似工程提供參考。

2 工程概況

隴漳高速公路全長38.79 km，設(shè)計(jì)速度80 km/h，為雙向四車道，是國家兩大高速公路主干線連霍高速和蘭海高速的聯(lián)絡(luò)線，也是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶道路互聯(lián)互通工程重要項(xiàng)目。該高速公路通車后，對(duì)甘肅省融入“一帶一路”倡議，促進(jìn)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”黃金段建設(shè)，改善區(qū)域交通運(yùn)輸條件，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和旅游業(yè)發(fā)展具有重要意義。

隴漳高速渭河特大橋位于甘肅省定西市隴西縣境內(nèi)，起迄里程為K0＋739.12～K3＋521.12，全長2 782 m。該橋8＃～11＃墩上部為(41.4＋70＋41.4)m 連續(xù)梁，9＃、10＃墩梁體以 76°、78°上跨隴海鐵路雙線，設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)體施工。隴海鐵路6＃橋與渭河特大橋交叉處里程為K1539＋175～K1539＋225，渭河特大橋上跨既有隴海鐵路梁底距離上行線軌面最小距離為10.05 m，距離下行線軌面最小距離為11.55 m。該轉(zhuǎn)體單個(gè)T構(gòu)重量為8 500 t，兩跨T構(gòu)梁體全長152.8 m，單個(gè)轉(zhuǎn)體T構(gòu)中線位置長度為66 m，橋面寬度為25.5 m，墩高18 m。該橋位于高嚴(yán)寒、高溫差地區(qū)，冬季期間溫差達(dá)20℃，有效施工時(shí)間短，距每日運(yùn)行200多次列車的隴海鐵路僅3 m，安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工難度大，且緊鄰渭河主河道，汛期河水極易倒灌。為此該橋9＃、10＃墩設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)體施工，將極大減輕施工安全風(fēng)險(xiǎn)與施工難度。9＃、10＃墩T構(gòu)分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)76°和78°，實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)體合龍。

3 轉(zhuǎn)體關(guān)鍵部位測量

3.1 建立施工獨(dú)立控制網(wǎng)

首先對(duì)設(shè)計(jì)成果控制點(diǎn)進(jìn)行全線復(fù)測，使用符合四等精度要求的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，利用4臺(tái)R8-4天寶GNSS儀器建立渭河特大橋轉(zhuǎn)體獨(dú)立控制網(wǎng)，網(wǎng)型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)體橋獨(dú)立控制網(wǎng)網(wǎng)型布置

3.2 關(guān)鍵部位測量控制

渭河特大橋9＃、10＃墩從下至上結(jié)構(gòu)形式為鉆孔樁、下承臺(tái)、球鉸、上承臺(tái)、墩身、梁體。其中最關(guān)鍵的施工部位為球鉸中心的精確定位。球鉸中心放樣精度必須控制在1 mm以內(nèi)[1]，使用TCRP1201全站儀采用極坐標(biāo)法進(jìn)行施工放樣，采用萊卡小棱鏡進(jìn)行球鉸中心定位[2]?；烂娓叱滔鄬?duì)誤差控制在1 mm以內(nèi)，采用DINI03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行標(biāo)高控制。施工過程中，嚴(yán)格控制滑道平面位置上各點(diǎn)高程，使其誤差控制在1 mm以內(nèi)[3]。

3.3 球鉸上部位置坐標(biāo)計(jì)算

該橋轉(zhuǎn)體部位線路位于R＝830 m的右偏曲線上，球鉸中心與墩中心之間在線路橫向設(shè)計(jì)偏心距為12 cm。因此，球鉸以上部位施工時(shí)，需要考慮球鉸中心橫向偏心的影響。球鉸中心為從墩中心位置偏向線路右側(cè)12 cm的位置。由于橋梁轉(zhuǎn)體是以球鉸中心為旋轉(zhuǎn)中心，因此，上承臺(tái)、墩身及懸澆梁計(jì)算坐標(biāo)時(shí)，需要在CAD圖上按照設(shè)計(jì)線路曲線要素畫出承臺(tái)、墩身、梁體的坐標(biāo)位置，再以球鉸中心為圓心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)76°(78°)即為 9＃、10＃墩轉(zhuǎn)體前施工時(shí)的承臺(tái)、墩身、梁體的坐標(biāo)位置。該步驟需要反復(fù)驗(yàn)證，確保承臺(tái)、墩身、梁體坐標(biāo)計(jì)算無誤后才可放樣；否則，坐標(biāo)計(jì)算錯(cuò)誤時(shí)，轉(zhuǎn)體后梁體將無法合龍[4]。

4 轉(zhuǎn)體前測量準(zhǔn)備

4.1 監(jiān)測控制網(wǎng)布設(shè)

轉(zhuǎn)體前，建立監(jiān)測控制網(wǎng)，對(duì)轉(zhuǎn)體過程中T構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[5]。

如圖2 所示，JM02、JM02-1、JM04、JM04-1 為監(jiān)測控制點(diǎn)，分別控制9＃、10＃墩T構(gòu)中線位置。L1、L2、L3、L4為設(shè)置在T構(gòu)梁面的中線監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)位置時(shí)，JM04-1、L1、L2、L3、L4、JM02-1 將處于同一直線上[6]?？梢酝ㄟ^穿線檢查是否轉(zhuǎn)體到位。9＃、10＃墩平面控制點(diǎn)及球鉸中心坐標(biāo)如表1所示。

圖2 轉(zhuǎn)體監(jiān)測控制網(wǎng)

表1 控制點(diǎn)及球鉸中心坐標(biāo)

中線控制點(diǎn)轉(zhuǎn)體前后坐標(biāo)如表2所示。

表2 中線控制點(diǎn)坐標(biāo)

4.2 稱重配重

提前進(jìn)行T構(gòu)實(shí)際質(zhì)量稱重，測試轉(zhuǎn)體部分的不平衡力矩、偏心距、摩擦力矩及摩阻系數(shù)等參數(shù)，達(dá)到安全施工、平穩(wěn)轉(zhuǎn)體的目的。梁體T構(gòu)實(shí)際稱重及配重時(shí)，使用全站儀對(duì)N1～N8坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，為T構(gòu)稱重、配重提供梁體姿態(tài)指導(dǎo)數(shù)據(jù)，確保稱重、配重工作順利進(jìn)行。

4.3 粘貼度盤刻度

在上轉(zhuǎn)盤上粘貼度盤刻度(見圖3)，使用激光儀指示刻度，方便技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握T構(gòu)實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度。

圖3 度盤及弧長刻度尺

4.4 驗(yàn)證間隔度數(shù)

驗(yàn)證9＃、10＃墩T構(gòu)轉(zhuǎn)體的間隔度數(shù)設(shè)置是否合理。 設(shè)計(jì)為10＃墩先轉(zhuǎn)25°，9＃墩再與10＃墩同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩墩間隔度數(shù)越大越好，設(shè)想一個(gè)墩先轉(zhuǎn)體至一合適位置，另一個(gè)墩再轉(zhuǎn)至最有利的情況，不會(huì)發(fā)生碰撞。受既有線運(yùn)營影響，天窗時(shí)間非常寶貴，必須計(jì)算并反復(fù)驗(yàn)證最少用時(shí)。以設(shè)計(jì)為準(zhǔn)，在CAD圖上以實(shí)際T構(gòu)梁端坐標(biāo)數(shù)據(jù)模擬轉(zhuǎn)體過程中的碰撞問題，測試轉(zhuǎn)體時(shí)是否發(fā)生碰撞。經(jīng) 10＃墩先轉(zhuǎn) 25°，9＃、10＃墩再同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)模擬后，兩T構(gòu)梁端在距離最近時(shí)的間隔為1.023 m。如圖4所示，可以保證兩T構(gòu)轉(zhuǎn)體順利進(jìn)行。

圖4 兩T構(gòu)轉(zhuǎn)至最近位置時(shí)平面關(guān)系

4.5 安置梁面棱鏡

出于安全考慮，轉(zhuǎn)體時(shí)梁面上不允許站人，因此，需提前將棱鏡安置在梁面位置。在10＃、9＃墩梁面上 N2、N3、L1、N6、N7、L3 位置架設(shè)棱鏡，將棱鏡對(duì)中整平后，架腿用膨脹螺絲及鐵絲固定在梁面上，安裝360°棱鏡。 其中 N2、N3，N6、N7 位置的棱鏡在梁面上對(duì)角線位置安裝，用于轉(zhuǎn)體時(shí)監(jiān)測高程變化情況；L1、L4為轉(zhuǎn)體時(shí)跟蹤測量10＃、9＃墩 T構(gòu)中線位置。

4.6 試轉(zhuǎn)測量

為了確保準(zhǔn)時(shí)、安全轉(zhuǎn)體成功，在正式轉(zhuǎn)體前需進(jìn)行試轉(zhuǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)體的啟動(dòng)力、轉(zhuǎn)動(dòng)力及設(shè)備性能等情況進(jìn)行記錄和觀察，為正式轉(zhuǎn)體提供數(shù)據(jù)參考。通過試轉(zhuǎn)檢驗(yàn)牽引系統(tǒng)是否正常可用，明確轉(zhuǎn)體實(shí)際牽引力、測試轉(zhuǎn)動(dòng)體系在轉(zhuǎn)體過程中是否穩(wěn)定、測試轉(zhuǎn)體速度與設(shè)計(jì)值是否吻合、確定轉(zhuǎn)動(dòng)體系的點(diǎn)動(dòng)速度參數(shù)，為轉(zhuǎn)體準(zhǔn)確順利就位做好準(zhǔn)備。

本橋采用的千斤頂角速度不大于0.02 rad/min，橋體懸臂端線速度不大于1.5 m/min。先設(shè)定千斤頂線速度為5.83 m/h，即0.097 m/min，則轉(zhuǎn)動(dòng)單元的角速度為:ω＝V1/r1＝0.097/5.4＝0.018 rad/min。

本連續(xù)梁T構(gòu)總長66 m，端頭轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為:

式中:ω為轉(zhuǎn)動(dòng)體角速度，rad/min；V1為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，V1＝0.097 m/min；r1為轉(zhuǎn)盤半徑，r1＝5.4 m；V2為梁端轉(zhuǎn)動(dòng)線速度；r2為梁體的旋轉(zhuǎn)半徑，r2＝33 m。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)體角速度及梁端線速度均滿足規(guī)范要求。

在C1、C2點(diǎn)架設(shè)兩臺(tái)全站儀分別對(duì)10＃、9＃墩進(jìn)行觀測。試轉(zhuǎn)前先采集N3(10＃墩)、N7(9＃墩)兩點(diǎn)初始坐標(biāo)高程值。試轉(zhuǎn)時(shí)千斤頂分別頂進(jìn)10 mm、5 mm、3 mm各三次，使用兩臺(tái)全站儀分別測量每次頂進(jìn)后N3、N7點(diǎn)的坐標(biāo)高程數(shù)據(jù)各9次，與初始坐標(biāo)值對(duì)比計(jì)算得出梁端移動(dòng)弧長距離。試轉(zhuǎn)測量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 試轉(zhuǎn)結(jié)果記錄

5 轉(zhuǎn)體測量

5.1 平面控制

平面控制網(wǎng)按四等導(dǎo)線技術(shù)要求測量并平差計(jì)算[7－8]。 在 JM02-1、JM04-1 各架 1 臺(tái) 1″級(jí)全站儀，JM04-1點(diǎn)上全站儀后視JM04，對(duì)10＃墩梁面上L1點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；JM02-1點(diǎn)上全站儀后視 JM02，對(duì)9＃墩梁面上 L4點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；梁面監(jiān)測點(diǎn)上架設(shè)360°棱鏡。

圖5中:O為10＃墩球絞中心；B為L1點(diǎn)轉(zhuǎn)體前位置。當(dāng)OB繞球鉸中心O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至OC位置時(shí)，其轉(zhuǎn)過的角度β為:

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算

直線OC、OB的方向角α分別為:

直線OC、OB的方位角A2、A1根據(jù)以下條件進(jìn)行判斷:

(1)當(dāng)x1－x0＞0時(shí):

y1－y0≥0時(shí)，則OB(OC)方位角A＝α；y1－y0＜0時(shí)，則A＝α＋360°。

(2)當(dāng)x1－x0＝0時(shí):

y1－y0＞0時(shí)，A＝90°；y1－y0＜0時(shí)，A＝270°。

(3)當(dāng)x1－x0＜0時(shí)，則A＝α＋180°

其轉(zhuǎn)過的弧長:

根據(jù)式(1)、式(2)可計(jì)算出該點(diǎn)轉(zhuǎn)過的弧長及角度。用秒表準(zhǔn)確記錄每次測量坐標(biāo)時(shí)的時(shí)間，計(jì)算每次測量坐標(biāo)時(shí)的時(shí)間增量及角度增量[9－10]。

根據(jù)式(3)、式(4)計(jì)算出該點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度及線速度，控制梁端線速度v≤1.5 m/min，且角速度ω≤0.02 rad/min。

5.2 高程控制

高程控制網(wǎng)使用原施工控制網(wǎng)的成果。轉(zhuǎn)體過程中，架設(shè)在JM04-1、JM02-1上的兩臺(tái)全站儀對(duì)N1～N8點(diǎn)的高程進(jìn)行觀測來實(shí)時(shí)監(jiān)測T構(gòu)姿態(tài)是否穩(wěn)定。通過監(jiān)測，轉(zhuǎn)體過程中兩T構(gòu)梁面N1～N8監(jiān)測點(diǎn)高程在0～±5 mm之間浮動(dòng)，轉(zhuǎn)體過程中高程整體平穩(wěn)可控。

正式轉(zhuǎn)動(dòng)后，每隔5 min全站儀采集一次數(shù)據(jù)，兩臺(tái)儀器記錄人員依次報(bào)數(shù)，通知轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場工作人員轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)轉(zhuǎn)至最后8°時(shí)，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，及時(shí)報(bào)現(xiàn)場指揮人員。

當(dāng)轉(zhuǎn)至最后3°時(shí)[11－12]，對(duì)中線檢測點(diǎn)坐標(biāo)連續(xù)測量，進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制。當(dāng)實(shí)測Y值與設(shè)計(jì)值相差在0.5 m以內(nèi)時(shí)，減緩轉(zhuǎn)動(dòng)速度；當(dāng)儀器視野中觀測到L1、L2、L3、L4在一條直線上時(shí)，精確測量該四點(diǎn)坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，當(dāng)坐標(biāo)較差小于3 cm，停止點(diǎn)動(dòng)，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。該橋轉(zhuǎn)體測量技術(shù)經(jīng)實(shí)際轉(zhuǎn)體施工后，中線合龍誤差為4 mm，梁面高程誤差為3 mm，實(shí)現(xiàn)了精確對(duì)接。

表4為渭河特大橋10＃墩轉(zhuǎn)體過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)及由式(1)～式(4)計(jì)算結(jié)果。從表4可以看出，10＃墩T構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的角速度及梁端線速度均滿足ω≤0.02 rad/min、v≤1.5 m/min的要求。

表4 隴漳高速渭河特大橋10#墩轉(zhuǎn)體過程中線監(jiān)測點(diǎn)L1測量記錄

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)隴漳高速渭河特大橋轉(zhuǎn)體施工過程中的施工控制網(wǎng)建立、關(guān)鍵部位球鉸定位和滑道水平控制、轉(zhuǎn)體監(jiān)測控制網(wǎng)布設(shè)、轉(zhuǎn)體過程中平面及高程控制方面進(jìn)行詳細(xì)論述，解決了轉(zhuǎn)體關(guān)鍵部位定位、轉(zhuǎn)體過程監(jiān)控等測量控制難點(diǎn)，為轉(zhuǎn)體合龍后的平面及軸線位置、標(biāo)高等滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求提供了技術(shù)保證，為今后類似橋梁轉(zhuǎn)體工程測量控制提供借鑒。