基于自由测站的大跨度连续梁上CPⅡ平面网测量方法研究

夏艳平 刘成龙 何永军

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063； 2.西南交通大学,四川成都 610031)

1 工程概况

南京大胜关长江大桥是京沪高速铁路的控制性工程,也是世界首座六线高速铁路大桥,目前既是世界同类高速铁路大桥中跨度最大(主跨336 m)的钢桁梁大桥(主桥连续钢桁梁长度长达1 272 m),又是世界上设计荷载最大和设计时速最高的(最高时速300 km)高速铁路大桥。为了进行主桥上轨道的精调施工,需要在两岸基础控制网CPⅠ的基础上,布设主桥上线路控制网CPⅡ和轨道控制网CPⅢ。CPⅡ控制网点间距一般为600 m 左右,除隧道外常采用GPS方法进行建网测量,相邻网点间的边长相对中误差要求小于1/10万；在隧道内则采用导线网的方法进行洞内CPⅡ控制网的测量,此时要求测距中误差小于5 mm、方向中误差小于1.3″和相邻点的相对点位中误差小于8 mm。大胜关主桥为钢桁梁大桥,由于钢桁梁屏蔽GPS信号的原因,导致桥上的CPⅡ控制网无法采用GPS方法进行测量；又由于主桥为特长钢结构连续梁,导致桥上的CPⅡ点和CPⅢ点受温度的影响而使其点位具有多值性；因此，大胜关大桥主桥上的CPⅡ和CPⅢ控制网的测量方法,是一个必须解决和有待研究的问题。

以大胜关大桥主桥CPⅡ控制网建网测量为研究对象,主要介绍大跨连续梁上CPⅡ控制网的测量方法,而大跨连续梁上CPⅢ控制网的测量方法,将另文研究。

2 主桥CPⅡ控制点的点位布设

大胜关大桥主桥为两联连续钢桁梁和六跨连续钢桁拱桥,其中桥梁主跨长达336 m,连续钢桁梁长度长达1 272 m。针对如此大跨度的钢桁梁大桥和主桥两侧为混凝土桥的情况,大胜关大桥主桥应成对布设4对CPⅡ控制点,其中两对应布设在点位稳定和满足GPS对空测量条件的主桥两侧混凝土桥桥墩顶面上,另外两对应布设在主桥桥墩顶面上。因此,主桥CPⅡ控制点按小里程向大里程方向顺序,分别布设于小里程侧的混凝土桥墩上、主桥3号墩、主桥7号和大里程侧混凝土桥桥墩上,如图1(a)和图1(b)所示(注：3号至7号墩间控制点间距约为720 m)。考虑到主桥上CPⅡ控制网无法采用GPS方法进行测量,拟采用自由测站边角交会方法进行主桥CPⅡ控制网的测量,而自由测站边角交会又要求交会边不宜太长,故在4对CPⅡ控制点间按照一定间隔加入了4对转点以控制边角交会测量的距离。

图1 主桥CPⅡ控制点和转点布设示意(单位：m)

为了提高主桥上CPⅡ控制网测量的精度和速度,主桥上CPⅡ点和转点应布设在防撞墙顶面上,并采用类似于CPⅢ标志的强制对中标志。

3 大跨连续梁桥CPⅡ控制网测量的特殊性

南京大胜关长江大桥主桥采用连续钢桁拱桥,整体钢桥面板混凝土道砟桥面,南、北岸引桥以32.7 m简支混凝土箱梁为主。若采用GPS静态测量模式在连续钢桁拱桥桥面上测量CPⅡ控制网,GPS信号将受钢桁梁杆件的影响导致信号很弱。同时，桥体温度变化对主桥上CPⅡ点的坐标影响亦较大,常规CPⅡ控制网的测量方法将无法在大胜关主桥上实施。

上述布设在混凝土桥上的两对CPⅡ控制点,点位相对稳定且满足GPS对空测量的条件,可根据两岸的CPⅠ控制点，采用常规GPS方法进行这两对CPⅡ控制点的加密测量。而主桥上两对CPⅡ点和4对转点的坐标测量,若采用传统的导线网方法,由于需要在CPⅡ点或转点上整平和对中仪器或反光镜,势必影响导线测量速度。前已述及，由于钢梁受温度影响显著,测量速度慢了钢梁上的点位就会发生变化。因此，为了保证主桥上CPⅡ控制网的精度,不能采用导线网的方法进行测量。

针对大胜关大桥主桥CPⅡ控制网测量的特殊性,并借鉴CPⅢ自由测站边角交会网测量的成功经验,认为自由测站不需要对中,目标点由于采用强制对中标志反光镜也不需要对中和整平,因而具有测量速度快和精度高的优点。同时，因采用具有自动照准功能的智能型全站仪进行测量,照准误差也大为减小。

4 自由测站边角交会方法测量CPⅡ控制网的原理

采用自由测站边角交会方法测量主桥上CPⅡ控制网的原理如图2所示。图中的左侧和右侧混凝土引桥上的两对CPⅡ点(1003P21、1003P22、1004P23、1004P24),其坐标已采用GPS方法测量得到,可作为图2中自由测站边角交会网的坐标起算点。为了获得主桥上另外两对CPⅡ点(1003P23、1003P24、1004P21、1004P22)的坐标,设计采用方向测量精度不低于1″和测距精度不低于±(1+2×10-6D)mm的智能型全站仪,用自由测站边角交会的方法对所有主桥CPⅡ点和转点进行多测回边角测量,多测回测量时水平方向和距离的限差应满足表1和表2的要求。

图2 自由测站边角交会法测量CPⅡ控制网网形示意

表1自由测站边角交会方法测量CPⅡ网水平方向观测技术要求[2]

控制网名称仪器等级测回数半测回回归零差不同测回同一方向2C互差同一方向归零后方向值较差CPⅡ控制网0.5″26″9″6″1″36″9″6″

表2 自由测站边角交会方法测量CPⅡ网距离观测技术要求[2]

图2中的自由测站边角交会网外业观测合格后,可根据引桥上的2对已知CPⅡ点作为起算数据,进行自由测站边角交会网的约束平差计算[7],以解算主桥上CPⅡ点的坐标并进行精度评定。图2 中的自由测站边角交会网平差后的实际精度情况如表3所示。

表3 主桥CPⅡ控制网约束平差后的主要精度指标统计

从表3中统计的精度指标可以看出：按照本文的方法建立的大胜关主桥上CPⅡ控制网,其测距中误差、方向中误差和相邻点相对点位中误差,均小于前述的隧道内CPⅡ控制网测量的相应限差要求。

为了验证自由测站边角交会方法在大跨度钢桁梁上测量CPⅡ控制网的可重复性测量效果,在不同时间段温度大致相同的情况下,对该CPⅡ控制网用同样的方法进行了二次测量,两次测量的CPⅡ点坐标较差统计如表4所示。

表4 主桥上CPⅡ控制网两次测量的坐标较差

表4中的两次CPⅡ控制网测量坐标X、Y方向较差均小于5 mm,达到了文献[2] 中关于CPⅡ控制网复测对绝对点位差异应小于15 mm的要求。

5 结论

鉴于大胜关大桥主桥大跨度连续钢桁梁上无法进行GPS测量和点位受温度变化影响的的特点,提出了采用自由测站边角交会网的方法进行主桥上CPⅡ控制网的测量。自由测站边角交会网具有仪器和目标不需要对中、图形强度高和测量速度快的优势,因此这样建立的CPⅡ控制网的精度能够满足后续CPⅢ控制网测量和规范的要求。

通过对基于自由测站边角交会网的大跨度连续钢桁梁上CPⅡ控制网测量新方法的应用分析和测量实践,认为这是一种CPⅡ控制网测量的新方法,不仅能够应用在大跨度连续钢桁梁上进行CPⅡ控制网测量,而且完全可以在隧道中替代当前通常采用的导线网CPⅡ控制网测量方法,且测量效率、精度与可靠性比导线网更优,值得推广应用。

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