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1、基于单向三角高程测量的悬索桥基准索线形测量新方法马林（湖南长沙，湖南路桥建设集团公司， 410004）摘要：矮寨悬索大桥地处德夯大峡谷，其地形、气候条件极为复杂，且桥梁本身横跨悬崖，这使得在基准索调索测量工作中，传统的精密水准测量和对向三角高程测量都变得不可行。为了解决这个难题，本文提出了一种基于单向三角高程测量的基准索线形测量新方法，它很好的解决了基准索股单向三角高程测量、边跨中跨跨度精密测量以及跨峡谷的高精度二等水准测量等一系列难题，为施工的顺利进行提供了有力的保证。 关键词：悬索桥基准索；跨峡谷水准测量；单向三角高程测量 1.引 言矮寨悬索桥为吉茶高速公路的控制性工程，跨越德夯大峡谷，桥
2、面设计标高位置与地面高差达 330m 左右，山谷两侧悬崖距离从 900m 至 1300m 之间变化，且当地气候多变，山顶云雾天气较多，风速较大；这些因素给精密的测量工作带来很大的困难，且大桥本身横跨峡谷，使传统的精密水准测量和对向三角高程测量基本变得不可行。而在桥梁施工中，主缆的线形控制至关重要，它直接与悬索桥整体受力及桥梁结构安全息息相关，是一项复杂、繁琐的系统工程，而基准索股的定位则直接影响着主缆的线形，是整个主缆线性控制中的重中之重。本文在已有测量方法的基础上，充分考虑了矮寨大桥所处的环境和施工条件的限制，提出了一种针对于此类跨峡谷大型悬索桥的基准索线形测量新方法。它很好的克服了桥梁跨度
3、大、气候条件恶劣等各种因素的影响，并在实际施工中验证了其可靠性和可行性。2.基准索线形测量的主要内容基准索线性测量内容主要包括中跨、边跨的跨度测量和索股高程测量。跨度测量主要通过测量两岸左右幅散索鞍、主索鞍实时里程来实现，散索鞍在基准索调整期间是可以认为稳定不动的，主索鞍与索塔间也是相对固定的，因而可以通过观测索塔偏位来获得实时跨度。索股高程测量根据相应规范要求，在中跨、边跨跨中处分别布置点位，全桥测点共 6 处（见图 1） 。图 1 基准索测量点位布置示意图3.基准索线形测量主要难点3.1 两岸同步对中跨跨中点观测，两岸高程控制网必须在同一高程系统内，精度要求高于普通的二等跨河水准，如何预先
4、测定高精度跨河水准成为确保基准索定位精度的关键因素。3.2 德夯峡谷地形条件复杂，气象条件变化异常，索股高程测量无法采用水准测量或对向三角高程测量，只能采用单向三角高程测量，而如何解决大气折光对单向三角高程测量的影响则成了基准索股线形控制的关键。3.3 跨度测量与索股高程测量在两岸同步进行，中跨、边跨跨度必须精确、快速测量才能精确计算实时理论基准索高程，而基准索的定位对于外界天气条件较苛刻，要求在最短的时间内完成测量工作，这就对测量方法的精确高效性提出了很高的要求。4.高精度高程基准的建立根据桥位区地形条件和基准索测量测站点位置，分别在吉首岸、茶洞岸各布置两个点位（见下图 2） 。吉首岸点位设
5、置在山顶，茶洞岸设置在挡土墙下，四点最大高差小于 0.5m，其中 J1 设在原埋设的 AZ02 观测墩，C2 为新建观测墩，观测墩高度约为 50cm，C1、J2 两点为混凝土埋石点。两岸间点位跨度约为 1297m，距离德夯大峡谷谷底 409m，本岸点间隔约为 5m。图 2 水准测量示意图由于德夯峡谷特殊地形条件及异常气候，最终以经纬仪倾角法按二等跨河水准精度要求实施跨河水准 ，该方法1最长跨度可达 3.5km，且精度也完全能满足施工需求。两岸各用一台瑞士 Wild T3 经纬仪（1）进行同步观测，用垂直度盘测定水平视线上、下两标致的倾角，计算水平视线位置，计算出两岸高差。为了保证两岸水准网精度
6、能够满足基准索高程定位要求，在规范规定的基础上增加测回数，每岸分上、下午和夜间观测，总共在三天内完成，每岸测回至少在 18 个以上。为实现观测严格同步，首先安置仪器于 J1、C2 点，同步照准本岸 J2、C2 点的三米区格木尺，获得本岸高差，然后同步照准对岸 C1、J2 点的反射觇板上、下标志线，完成四组观测后再置仪与 J2、C1 点，同法完成 8 组观测，即完成一个测回。在跨河水准测量中，上、下午完成两个测回观测，夜间完成三个测回观测，增加数据可靠性，跨河水准共计完成双测回数 24 个。二等跨河水准测量各测回间互差按下式（1）计算 ：3,24dHMNs限（1）式中： M ：每 km 水准测量
7、的偶然中误差限值，单位为mm；N：双测回的测回数；s：跨河视线长度，单位为 km。代入公式计算得限差为 21.5mm，实测数据计算得的最小高差为-0.48760m，最大高差为-0.47944m，互差为8.2mm，小于规范的 21.5mm，说明外业观测数据可靠。计算每测回高差中误差 mh=1.7mm，高差中数中误差 mho=0.3mm，单位权中误差 =0.15mm，由 C1C2J2J1 组成的闭合水准，计算闭合差为 4mm，也完全满足我们的施工需求。完成跨河水准后，吉首岸跨河点即为基准索观测测站点，茶洞岸以精密二等几何水准将高程引测至茶洞岸基准索股观测点 AZ03 和 JM15（见图 2） ，采
8、用原武汉测绘科技大学研制的科傻地面控制测量数据处理系统严密平差软件进行平差计算.跨河水准的实施有效的保证的两岸高程系统的统一，为之后的基准索的精确定位提供了精确的保障。5.基于单向三角高程测量的基准索线形测量5.1 实时跨度测量主桥跨度测量的精度直接影响到基准索股实时计算的重要依据，跨度会随索股变化、索塔偏位等因素随时变化，而在每次基准索调整前均需测量实时跨度。因此，必须拿出一套高效、高精度的测量方法才能满足要求。跨度的测量主要是通过测量散、主索鞍实时位置来获得，散索鞍在基准索股架设、调整阶段位移量甚微可以认为是稳定不动的，而主索鞍会随着大气温度、风力、基准索股自身变化而随时变化，因此，跨度测
9、量的主要工作便是测量主索鞍实时位置。主索鞍与索塔自身已稳定固结，通过测量埋设在混凝土索塔顶面外侧的监测点位移量，便能间接计算出主索鞍位移量，从而获得边、中跨实时跨度。以第一次塔锚联测（塔、锚均为裸塔无荷载状态）的主索鞍底板坐标为基准，在混凝土索塔顶面外测布置监测点C1、C2、J1、J2（全桥共布设 4 个，将加工的连接杆直接焊接于混凝土索塔顶的预埋件上，连接杆顶端直接安置徕卡圆棱镜，为永久装置） ，同时测量主索鞍和监测点，获得两者间相对几何关系，通过测量监测点即可获得主索鞍实时坐标（见图 3） 。图 3 实时跨度测量示意图监测点的观测，在一个测站完成，采集各测点及测站温度、气压、湿度分别输入全
10、站仪自动改正。由于索塔横向位移很小且对于跨度影响甚微，因而，在测站采用全站仪分别观测四个测点的边长，其中位于吉首岸索塔的 J1、J2点测量斜距，茶洞岸的 C1、C2 测量平距，丈量仪高，将水准高程引测至监测点棱镜中心处，通过斜距、高差计算出水平距离，通过全站仪测距常数、边长投影等改正计算后，得出测站至各点的修正后的水平距离。根据各测点及测站的 y 坐标值计算其 x 坐标，再根据测点与各主索鞍底板的相对几何关系计算出实时主索鞍里程值，根据散索鞍里程最终可计算出左、右幅的中、边跨实时跨度。索塔偏位测量采用 Leica TS30(0.5,0.6mm+1ppm)全站仪进行观测，采用徕卡原装原棱镜作为反
11、射装置。5.2 基准索高程测量为确保外业测量精度，设三个测站同步对中跨测点观测，吉首岸在 AZ02、茶洞岸在 AZ03、JM15 点进行。三点均为二等平面、高程精度，且均在同一平面、高程网内完成的平差计算。 5.2.1 照准标的制作根据基准索六边形的特性及尺寸，项目部自精加工了一批能够刚好与基准索相套、两端均设有反射棱镜的六边形卡环，卡环两端各焊接 15cm 长与徕卡圆棱镜相连的铁杆，两铁杆端点连线穿过卡环中心（见图 4） 。测量时，通过测量卡环两端棱镜的边长、高程取中数，即为对应里程的对应基准索股中心点高程，且无需棱镜处于铅垂状态，立镜误差可忽略不计，减少内业计算量、提高野外观测效率。图 4
12、 卡环制作图片5.2.2 实时折光系数 K 值的测定因大气折光系数随气候、时间、地区等因素变化而不同，即使精确测定了某一测线折光系数，但随着时间和测线穿越地物的不同也会无规律的变化 。位于德夯峡谷上空的5,4基准索股测线，气候变化无法预测，无法在每次高程测量时即时测量每个测站至觇点的折光系数，成为三角高程测量精度提高的瓶颈。而基准索的测量目前除单向 EDM 三角高程，还没有更好的高程测量方法，如何有效精确的测定折光系数成为基准索线性定位精度的关键。在基准索测量正式测量前 1 小时内测量实时折光系数，往返测量 AZ02、AZ03 两点斜距、天顶距，采用两台同精度Leica TCA2003(0.5
13、,1mm+1ppm)全站仪观测，用仪器 ATR自动照准功能测量圆棱镜，用三角板丈量仪器、棱镜高，读数至 0.1mm，两点理论平距为 1235.6m。其中吉首岸 AZ02位于桥轴线右侧 62m、距离中跨跨中点 692m、至中跨高差为-60m，距离吉首岸边跨跨中点 67m；茶洞岸 AZ03 点位于桥轴线右侧 142 米、距离中跨跨中点 562m、至中跨高差为-89m。由此可见，选择以 AZ02AZ03 测线折光系数代替基准索跨中点高程具有一定的代表性，由于两测站距离中裤跨中点边长差值为 130 米，仅为总长度的 1/10，取两岸测量高差中数同时也能在很大程度上消弱因大气折光带来的高程误差。两已知水
14、准点往返观测折光系数 K 值岸下式（2）计算： Rslilisk 2)co(sinin1211 211 （2） 式中：s 为观测斜距； 为仪器高； 为觇高， 为垂直il角；R 为观测出曲率半径，按如下式（3）求出；式中 C 为光速，e为扁率，B 为纬度。BeCR2cos1（3）5.2.3 基准索单向三角高程测量在左右幅索股温差、风力等现场条件满足要求后，首先对中跨跨中点进行观测。将加工的卡环固定在基准索上，套上徕卡原棱镜，两岸同时分别对卡环的上、下棱镜进行斜距、天定距的观测，每岸观测 6 个全测回，完成后旋转上、下棱镜对准另一岸测站，继续观测六个全测回，在同法照准另一幅完成观测（见图 5） 。
15、在此原始测量数据的基础上还需要添加大气折光 K 值的改正，其计算方法如下式（4）：RskisH2)co()1n测镜（4）式中 s 为观测斜距， 为垂直角， 为仪器高，K 为大气i折光值，R 为地球曲率半径。图 5 基准索中跨跨中点布置示意图在中跨跨中点观测完成后，吉首岸在 AZ02 点以 AZ08为定向点观测边跨跨中点，茶洞岸在 JM15 以 AZ05 定向观测边跨跨中点。矮寨桥基准索股调整测量共用了 6 天时间，稳定观测用了 4 天时间。在稳定观测期间，共观测 8 组数据，两岸测量同一点位最大高程差值为 27mm，平均差值为7.6mm。稳定观测期间中跨跨中点与理论最大差值为 11mm，平均差
16、值为 5.9mm，左右幅最大相对高差为 10.3mm，平均高差为 6.2mm。其稳定观测成果表如下表 1。表 1 矮寨大桥主缆基准索股中跨跨中高程稳定观测成果表日期观测时间位置实测高程/m理论高程/m差值/mm相对垂度/mm2010 年8 月 802:0002:30左幅 589.6570 589.6570 0.0 6.5日 右幅 589.6454 589.6520 -6.6左幅 589.6725 589.6710 1.52010 年8 月 8日04:3005:00 右幅 589.6542 589.6630 -8.810.3左幅 589.6430 589.6360 7.02010 年8 月 9日02:1003:13 右幅 589.6300 589.6250 5.02.0左幅 589.6508 589.6460 4.82010 年8 月 9日04:
