沪苏通长江大桥主塔钢锚梁定位技术

黄红林

（中铁大桥局集团第二工程有限公司，江苏 南京 210015）

1 工程概况

沪苏通长江大桥是新建沪苏通铁路的控制性工程，位于江阴长江公路大桥下游约45 km，是世界上首座主跨超千米的公铁大桥。主桥长2 300 m，桥跨布置为142+462+1 092+462+142（m）双塔钢桁梁斜拉桥，主跨1 092 m（见图1）。桥址处江面宽度5.4 km，两主塔位于江中心，离岸边距离1.5～2.0 km。

图1 主桥立面布置图（单位：m）

主塔28#、29# 墩结构尺寸相同，钢筋混凝土结构，桥面以上为倒Y 形，下塔柱内收为钻石形。塔顶高程为+333 m，塔底高程为+8 m，承台以上塔高325 m。斜拉索为扇形三索面，每个主塔共36×3=108 对斜拉索，其中有99 对斜拉索锚固在钢锚梁上。钢锚梁竖向间距从上到下依次为2.8 m、3.0 m、3.2 m、3.4 m。全塔钢锚梁根据尺寸和管径，分为A、B、C 三类。钢锚梁斜拉索预埋套筒分为3 段（L1、L2、L3），L1 预埋于混凝土塔壁中，通过劲性骨架定位，L2 焊接于牛腿预埋钢板上，并与L1 通过法兰盘连接，L3 焊接于锚垫板上，并与L2 之间留20 mm 间隙以适应钢锚梁的弹性伸长。

2 前期准备工作

钢锚梁定位精度要求很高，设计要求索道管进出口空间位置为±5 mm，两管口连线与设计位置夹角不超过5”。由于两主塔距离岸边控制点太远，常规的坐标放样法精度难以满足设计要求，应根据施工情况进行控制点加密。

2.1 控制网复测和加密

根据施工测量控制需要，结合施工实际，控制网采取分阶段进行加密，即随着桥墩从基础到上部结构施工，加密点从沉井基础到承台再到墩身顶部，逐步上移。加密点与岸上首级控制点采取同步扩展的方式进行加密。

主桥平面网采用GNSS 控制网[1]，等级为二等。其中26D，31D 位于26# 墩、31# 墩帽上，28D，29D 位于主塔下横梁上，其余点为岸上点，均为强制对中墩。加密网形如图2 所示。

图2 主塔施工控制点和加密点布设图

2.2 建立独立坐标系

由于大桥中线为直线，为了方便测量钢锚梁的偏位，可以建立以桥轴线和墩中线为轴线的桥梁独立坐标系[2]。在独立坐标系下，主塔28# 墩、29# 墩中心坐标分别为（17248.84，0），（18340.84，0）。

2.3 钢锚梁组拼测量

尺寸检查：钢锚梁在工厂内加工制造，由机床下料、在特制胎架上进行焊接，在拼装场内将各单元件拼装成整体。用全站仪测量钢锚梁及索道管各特征点三维坐标，检查钢锚梁高度、螺栓孔与预留孔道间距、结构对角线尺寸等，用钢尺复核结构尺寸，各结构尺寸偏差须小于3 mm。

钢锚梁与钢牛腿的组拼：拼装在经过调平的台座上进行。首先建立拼装测量控制网，单节钢锚梁预拼在场地上平行布设2 个平台，调整平台顶面高程，将钢锚梁吊装在平台上并作简易固定，起吊两侧壁板进行初步组拼。测量壁板尺寸和四角高差、锚固点高程、索道管与钢锚梁轴线相对位置关系、壁板四角上下对角线长度等，满足设计要求后进行钢锚梁连续预拼。

连续预拼：将单节钢锚梁整体起吊，与下一节钢锚梁进行对接，形成整体。测量项目除进行常规的尺寸复核外，还要测量两侧壁板的累积高度和顶面的四角高差、倾斜度等，见图3 所示。组拼完成后，在横梁上标示上、下层对应轴线及特征点，作为塔柱上安装测量的位置基准。

图3 钢锚梁连续预拼图

3 钢锚梁定位测量

钢锚梁和斜拉索区一般位于上塔柱，塔柱施工按爬模法分节段施工，其施工工序和钢锚梁测量定位步骤如下：

（1）钢锚梁底下塔柱施工→（2）基准点埋设与测量→（3）钢支架安装定位→（4）刚牛腿、钢锚梁安装定位→（5）塔柱劲性骨架及钢筋安装→（6）塔柱模板检查→（7）索道管三维位置复查→（8）浇筑混凝土监测→（9）索道管竣工测量→（10）下一节钢锚梁定位。

3.1 定位方法

由于主塔远离岸上控制点，钢锚梁定位主要采用内控法进行。所谓内控法[3]，是将全站仪架设在塔柱内部的基准点上，后视塔上另一基准点，来进行钢锚梁的定位。此处的基准点，是指埋设在塔肢上，用来精确定位塔柱、钢锚梁、钢筋劲性骨架等设施且位置相对稳定的测量控制点。基准点一般采用强制对中装置，焊接在劲性骨架或钢管桩上，以消除仪器对点误差。因此，基准点的测设及测量精度，成为钢锚梁精确定位的关键环节。

3.2 基准点测设

基准点的测设主要有GNSS 静态测量法和边角后方交会法。

3.2.1 GNS S 静态测量法

GNSS 静态测量法，是在塔顶基准点上安置GNSS 卫星接收机（至少2 台），与南北两岸的控制点进行静态联测，解算基线进行平差，得出基准点坐标。由于受到环境温差、混凝土收缩徐变、风力等因素的影响，高塔柱会有扭转和变形，因此GNSS 静态测量只适合在晚上塔柱变形最小时，才可进行。

3.2.2 边角后方交会法

边角后方交会法是用带有自动照准目标、高精度的全站仪（测角精度0.5″）架设在基准点上，观测岸上控制点的距离和角度，通过平差计算得到基准点的平面坐标。由于塔上基准点和岸上控制点高差最大达330 m，边长投影改正最大约50 mm/ km，因此测量距离时，应往返测量边长斜距，将边长投影改化到相应的高程面后进行平差计算[4]。

边角后方交会法要求基准点与控制点间距离不宜大于1.5 km，夹角不应小于30°，控制点不少于4个。

观测技术要求[4]：

边长观测：每边观测4 测回；一测回读数较差限值为2 mm；测回间较差限值为3 mm；一测回是指全站仪盘左、盘右各照准一次，每次读数2～4 次；边长经气象、仪器常数、投影高程面改正后取平均值作为边长观测成果。

水平角观测：采用全圆观测法分别照准控制点，角度观测6 个测回；半测回归零差不大于4″；一测回内各方向2C 互差不大于8″；同一方向值各测回互差不大于4″；各测回观测结果取平均值作为水平角的最终成果。

3.3 首节钢锚梁定位

首节钢锚梁安装前要对主塔进行变形监测。中塔柱施工完成后，塔柱高度已超过200m，考虑到日照、温度、风力等外部因素对塔柱的变形影响很大，首节钢锚梁定位前须根据塔的变形情况对放样数据进行修正。

3.3.1 塔柱的变形监测

在已竣工的每个上塔柱段的上、下游侧埋设棱镜，进行48 h 连续观测，观测频率为1 次/2 h，同时测量大气、塔柱四面等环境温度。利用两台全站仪同步观测塔上棱镜，固定设站点和后视点，分别观测从横梁至上塔柱的所有埋设棱镜，取两台仪器观测值的平均值，作为塔柱变形测量的初始值。绘制纵、横桥向塔柱的变形曲线，确定塔柱“零变形”状态时的坐标值，温度和观测时间。

3.3.2 基准点测设

在塔柱“零变形”状态的时间段内，对基准点进行加密测量，基准点测设应采用两种方法进行校核。

3.3.3 钢锚梁定位测量

首节钢锚梁由四根钢管桩来支撑，精确测量四个支撑管桩位置和高程，放样出钢锚梁和刚牛腿的设计位置（高程需考虑主塔压缩量），并弹好墨线。起吊整节钢锚梁，放在预先画好的墨线上，运用全站仪测量索道管锚固点和出塔口坐标，反复调整钢锚梁直至设计位置。

用“内控法”定位钢锚梁，放样坐标是不需修正的，因为基准点和塔柱的变形近似同步，可以实现钢锚梁定位全天候作业。但为了进一步提高定位精度，定位测量仍然选择在塔柱“零变形”状态下进行。

3.3.4 索导管定位器

为了方便测量索道管锚固点和出塔口中心位置坐标，根据索道管的型号尺寸，定做出相应的索道管定位器，其锚固端口和出塔口分别为圆形和椭圆形，标志出定位器中心，钢锚梁定位时可直接测量出管口中心点坐标，见图4 和图5 所示。

图4 锚固点中心定位器之实景

3.4 钢锚梁其他节段定位

钢锚梁在制造和安装时尺寸存在偏差，随着塔柱高度的不断增加，钢锚梁定位偏差也逐渐累积加大。因此，当钢锚梁安装到一定高度后（每5 节）要进行纠偏。纠偏采用微调螺栓，在钢锚梁分组对接牛腿位置，设置一批微调螺栓，根据测量的钢锚梁实际倾斜、偏差情况，调整微调螺栓，控制钢锚梁累计偏差。

图5 出塔点中心定位器之实景

4 高程传递

在边墩（26#、31#）墩身施工和主塔墩（28#、29#）下横梁施工完成后，应进行水准贯通测量，将岸上高程控制点加密至边墩帽梁和主塔横梁（承台）上，测量方法为测距三角高程法[5]，见图6 所示。

图6 高程加密水准传递示意图

塔柱高程传递主要方法有：全站仪天顶测距法，悬挂钢尺法，三角高程差分法等。测量时，通常要应用两种方法相互检核。

4.1 全站仪天顶测距法

利用全站仪的光电测距功能，对处于同一铅垂线上不同高程的两个点进行垂直测距，则两点间高差就是全站仪所测的竖直距离与仪器高度之和。

作业时，要保证棱镜中心和全站仪中心在一条铅垂线上。仪器高度测量可以采用水平视线法，把仪器安置好后放平望远镜（天顶距为90°00′00″），从已知点A（点A 与设站点距离较近）处所立的水准尺上读取读数，从而实现从已知点A 到待求点a 之间的高程传递，消除了直接量取仪器高而带来的测量误差。施测时，应多测回、多时段测量，取平均值以保证a 处高程测量的精度。

4.2 悬挂钢尺法

在无风、气温稳定状况下，在钢尺上悬挂一个15 kg的重物，水准仪测量下横梁A 处水准尺的读数和竖直悬挂塔身上的钢尺的读数，测得横梁至塔身的高差，从而将下横梁点A 的高程传递到塔身上面。如图7 所示，塔身B 点处的高程为：HB=HA+a+（a1-b1）-b。高差测量读数四次，取其平均数。计算高差时，应进行钢尺的尺长改正。

图7 悬挂钢尺传递高程法示意图

4.3 三角高程差分法

三角高程差分法，是在一高程控制点上架设全站仪，利用单向三角高程法，测量塔柱下横梁上高程控制点的高程。因为球气差的缘故，测出的高程值与原高程值存在差值△h，可根据△h反算大气折光系数K，改正仪器内的系数K值，再次测量高程直到接近目标高程后，方可进行高程传递。

以28# 主塔为例：全站仪架设在26# 墩顶高程点，精确量取仪器和棱镜标高度，单向测量26# 墩顶高程点至28#下横梁控制点间高差h。根据下述公式计算K值：

式中：h为两点实测高差；△H为两点间理论高差；D为两点间水平距离；R为地球平均曲率半径。

由于K值随着大气的状况不同而变化，在日出后及日落前2 h 内，K值变化剧烈，不宜进行三角高程差分测量。在主塔高程传递过程中，要每0.5 h 进行一次差分计算，确保K值选取准确。

5 钢锚梁竣工测量

钢锚梁安装完成后，需要进行竣工测量。竣工测量方法与定位测量方法相同，在对钢锚梁定位的同时，运用索导管定位器，对上一节段已灌注混凝土索道管的锚固点和出塔点进行竣工测量，并与设计值进行比较。若偏差超限，应查明原因，在下一节段进行纠偏。

6 结 语

沪苏通长江大桥主塔钢锚梁定位方法实用，精度可靠。从竣工测量数据来看，索道管锚固点、出塔点偏位、钢牛腿，以及钢锚梁高程均满足设计要求。钢锚梁的安装定位结合施工条件和外界环境，定位精度高，为后续钢梁架设，斜拉索安装，斜拉索索力调整提供了技术保障，保证了施工按时完成。该方法在两主塔墩的成功应用，为其他同类桥梁及类似工程应用提供了技术指导和借鉴作用。