深谷大跨钢管拱桥拱肋悬臂拼装线形精确测控技术研究

姚旸 、倾涛、李鹏、张付军、颉沛、许卓

（1.中铁大桥局集团第一工程有限公司，河南 郑州 450000；2.甘肃长达路业有限责任公司，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司，甘肃兰州 730000）

1 工程概况

尖山沟特大桥为主跨220m 上承式钢管混凝土拱桥，拱轴线采用悬链线，主拱圈采用等宽等高空间桁架结构，单个节段含左右两榀及风撑，全桥共分14 个节段，采用扣挂法自拱脚向跨中对称悬臂拼装，跨中合龙见图1，拱肋施工流程见图2。

图1 拱肋施工布置图（单位：标高m，尺寸mm）

图2 拱肋施工流程

2 拱肋拼装控制网及坐标系统

该桥拱肋结构复杂，要求定位精度高，测量难度大。控制网坐标为施工独立坐标系统，中央子午线为105°，投影面高程为870m，高程系统为1985 国家高程基准。

为保证钢管拱安装的精度，以首级控制网为基础，在桥位两侧加密布设主桥专用控制网，供施工放样和监测使用，如图3 控制点点位与桥梁位置关系所示：GPS018 为设计院交桩控制点，Y6、JM1、JM2-1、DX204-1 组成大地四边形为钢管拱拼装线形控制专用控制网，为减小钢管拱的拼装误差，在拼装过程中固定施工控制点，右幅固定使用JM1、JM2-1、YD6 三个控制点，左幅固定使用DX204-1、JM2-1、YD6 三个控制点；为提高测量精度，以上控制点均设置为强制墩（见图3）。

图3 控制点与桥梁位置关系图

根据规范要求，路线平面控制测量网应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km；大型构造物平面控制测量坐标系，其投影长度变形值不应大于10mm/km。针对钢管拱专用控制网的投影长度变形情况，选取GPS018～JM1 边进行检测，检测边测量采用徕卡TCRA1201+（1″）全站仪进行往返观测，成果取中数采用。测距前应在全站仪里修改温度气压等气象参数。检核边往返测较差见表1、表2。

表1 电磁波测距边往返差

表2 电磁波测距边与坐标反算距离较差

比较结果表明投影长度变形值为6.8mm/km，小于10mm/km，测区内投影长度变形值满足规范要求。

3 拱肋线形控制

钢管拱悬拼施工的首要控制目标就是使裸拱线形达到理想成拱轴线，即裸拱一次成拱时的计算轴线。

制造拱轴线=设计坐标+设计预拱度

理想成拱轴线=制造拱轴线+空钢管一次成拱挠度

所以该阶段的拱肋线形调整必须按照监控指令为准。

3.1 钢管拱拱肋坐标复核

该桥主桥处于直线段，拱肋坐标设置在上、下弦管中心，坐标原点在钢管拱理论状态下的跨中拱肋中心处，里程增加方向为正方向；Y 轴垂直于X 轴，正方向向下。拱肋坐标计算如下：

悬链线方程：

式（1）中：f为拱轴线高度，由拱顶到起拱点竖直高度为44m；

m拱轴系数为1.28；

拱轴线长度l=100m，为拱顶到起拱点的水平距离。

拱轴线坐标复核验算无误后，根据设计图所给的悬链线坐标及预拱度相加，与放样坐标表相比较，验证线形是否相吻合，并同样按1∶1 的比例绘制出施工线形图，作为后续的拼装放样断面图。

3.2 拱肋节段预拼线形测量

为了校正钢管拱肋加工误差和运输的变形，校核拱肋横联位置，在工地现场进行平拼。按照设计加工图制做1∶1 胎模大样，将钢管拱肋节段依次试拼。在预拼之前，要先用全站仪检验预拼段钢管拱肋的胎模大样是否与设计吻合。在预拼之后，对胎体上的钢管拱节段进行逐段检测其各个部位平面位置和标高，以保证符合设计图。通过试拼工艺检验试拼拱肋是否与设计吻合，确保拱轴线形符合设计要求。试拼工序是保证钢管混凝土拱肋整体吊装成功的关键[1]。

全站仪检验预拼段钢管拱肋的胎模大样时，利用AB 两点建立参考线，根据图纸所标注尺寸对钢管拱肋的胎模大样的各个结点位置进行检测，检测合格后根据各结点弹出钢管拱肋的胎模线。钢管拱肋预拼完成后，通过吊线坠对比胎模线进行对钢管拱肋预拼成果进行检验（见图4）。

图4 主拱分段匹配定位地样线图

3.3 拱肋拼装线形测量方法

为了方便快捷地指导现场拱肋线形精调工作，拱肋线形测量参考隧道断面测量工作思路，依据钢管拱制作线形（包括设计预拱度）制作一个标准断面，现场测量数据与标准断面对比得出需要精调的数据。具体操作如下：

（1）绘制钢管拱拱肋线形标准断面图：依据复核后的各节段拱肋坐标与设计预拱度绘制拱肋线形标准断面图。

（2）建立测量线路：在手机测量APP 中建立钢管拱测量线路，包括平曲线参数、竖曲线参数；线路建立完成后，拱肋的设计轴线转换成独立线路里面的里程。上下游拱肋弦管根据轴线偏距对应的里程分别为K0+001、K0+003、K0+006、K0+011。

（3）编辑标准断面：将拱肋线形标准断面参数输入手机测量APP 中，输入后如图5 所示。

图5 编辑完后的拱肋线形标准断面图

（4）利用手机测量APP 对钢管拱拱肋线形进行测量。根据监控单位出具的监控指令（考虑了拼装预抬值），使用钢管拱测量线路中的里程和“超欠挖值”对钢管拱的偏位和标高进行调整；如图6 所示，其中“超欠挖值”对应的为拱肋标高差值，里程为拱轴线位置。

图6 手机APP 辅助测量图

3.4 拱肋线形测量的棱镜装置

为提高测量精度，研发了一种应用于钢管拱桥拱肋测量的棱镜装置-两点归心棱镜装置（见图7）。线形调整时，该棱镜装置可依靠自身结构箍在拱肋悬臂端上，并通过测量两个对称的徕卡圆棱镜坐标取中值得到钢管拱拱肋中心三维坐标，实现准确定位。

图7 两点归心棱镜装置的安装图

3.5 钢管拱拱肋合龙测量

拱肋合龙成功与否是整个施工过程中的关键控制点，合龙状态误差的大小，将直接影响成拱后拱肋的内力状态。因此，该桥拱肋合龙控制，是整个施工控制的重点。

拱肋合龙温度应接近设计合龙温度（15℃）。合龙之前，全面检查全桥拱肋的标高、轴线，根据合龙口的长度对合龙段进行配切，最终完成拱肋的合龙。

在合龙段两侧对称位置的拱肋弦管中线处安装徕卡圆棱镜，拱肋标高的测量控制用徕卡TCRA1201+全站仪进行三角高程方法进行测量。为减小气象改正误差、仪器误差的影响，采用差分三角高程测量，使用大小里程的JM2-1、YD6 作为高程基准点。为确保测量数据的准确，每次观测固定观测人员、固定测量仪器、固定测站安置位置。

首先在JM2-1 附近架设仪器，测出JM2-1 与YD6之间距离L、JM2-1 分别与拱肋合龙段大小里程的高差Δh小、Δh大，距 离L小、L大，JM2-1 与YD6 之 间 高 差ΔH实测，已知JM2-1 与YD6 之间的理论高差ΔH理论，由式（2）得出：

由式（3）得出Δh均

由式（4）得出Δh改

由式（5）得出Δh实

按照以上计算顺序得出合龙段量测与JM2-1 之间的实际高差，再根据JM2-1 的高程加实际高差计算出合龙段两侧的标高。高差差分光电测距三角高程传递应进行两组独立观测，两组高差较差不应大于2.0mm，满足限差要求后，取两组高差平均值作为传递高差。

为避免外界环境对合龙口的影响，凌晨完成右幅钢管拱的合龙，主拱合龙前对主拱合龙口标高和轴线偏位进行调整和测量，合龙完成后对合龙段的线形复测，合龙标高误差分别为-5mm、-1mm、-3mm、-6mm，轴线偏差为-6mm、-2mm、-5mm、-3mm，标高及轴线合龙偏差均满足设计及规范要求。

3.6 钢管拱合龙松索后线形测量

在拱肋各节段包板、合龙口、K 撑焊接完成，并在所有焊缝检验合格后，进行拱肋各节段的扣、锚索松索拆除施工；按照第7 节至第1 节的顺序大小里程、扣锚索对称松索；在松索过程中对扣塔偏移、钢管拱线形进行监测。在各节段扣锚索拆除完成后，对拱肋各节段的线形进行测量。在松索完成后，第1 节至第3节标高明显下降，第5 节至第7 节标高明显上升，最大上升值为15mm，各节段的松索后线形（纵向）变化与计算数据相吻合[2]。

4 结论

尖山沟特大桥在桥高（距离地面200m）、两岸地形陡峭、施工场地狭小的深谷环境下，采取明确合理的测控程序及测量技术手段，确保钢管拱拱肋线形满足设计要求。

其一，通过对拱脚预埋节段的精确定位，保证拱肋首节段和预埋段顺利对接，使安装的拱肋符合设计线形。

其二，拱肋起吊前，先行复核上一段拱肋轴线、标高及扣塔偏移量。拱肋内法兰初步连接、扣索受力后，将拱肋轴线及高程偏差分阶段提供给吊装总指挥。在逐步调整索力期间，实时报告拱肋轴线、高程偏差值及扣塔偏移量，供吊装作业组及时对扣索、锚索进行张拉，对钢管拱拱肋线形进行精调。拱肋线形精调到位后，由监理、监控单位确认无误后，锚固扣索、锚索，完成安装施工。

其三，考虑外界环境对测量精度的影响，拱肋的线形精调作业选择在夜间或阴天时进行，减小测量误差的影响，但在吊装过程中由于施工荷载的增加、焊接变形及风力的影响，均有可能使拱肋节段空间位置产生变化，采用标准断面法对钢管拱进行线形控制，可实时得出拱肋线形状况。该方法结合手机测量APP 实现测量结果图像化显示，更直观、更高效、更准确地指导现场拱肋精调。

其四，研发两点归心棱镜装置。该棱镜装置结构简单、使用方便，避免了人工扶棱镜产生的误差，提高钢管拱线形控制的精度，降低了高空、夜间作业安全风险。此装置已得到国家专利局实用新型专利授权。

其五，优化建立钢管拱拼装独立控制网系统，对控制网投影变形进行分析，削弱系统误差对钢管拱线形控制测量的影响。