三維坐標(biāo)法在江陰長江公路大橋南塔TRANBBS施工測量控制中的應(yīng)用
倪劍峰
【江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部 南京 210004】
吳棟材
【武漢測繪科技大學(xué) 武漢 430072】
摘 要：本文簡要介紹了在江陰長江公路大橋南塔的施工測量中，應(yīng)用全站儀及三維坐標(biāo)法進(jìn)行施工放樣的作業(yè)方法，及時滿足了塔柱、橫梁、支撐等施工的需要，具有較高的放樣精度和明顯的作業(yè)效率。
關(guān)鍵詞：橋塔 三維坐標(biāo)法 施工測量 應(yīng)用
1 工程概況
江陰長江公路大橋位于江蘇省東部江陰市與靖江市之間，是一座跨越長江的鋼懸索橋，主跨1385m。為目前中國第一、世界第四大跨度橋梁，大橋按六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)TRANBBS設(shè)計，橋下通航凈高50m，可通過5萬t級巴拿馬散裝貨船。?
南北橋塔是由兩根鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的空心柱和三道橫系梁組成框架式塔架。塔柱在縱、橫橋向分別為變寬和等寬度，截面為六邊形，南北橋塔頂標(biāo)高192.846m，在橫橋向上下游兩塔柱按斜度1/50對稱內(nèi)傾；在順橋向向墩中線方向?qū)ΨQ內(nèi)傾，每道橫梁為雙室箱形斷面，梁高11m。?
設(shè)計對索塔提出了高標(biāo)準(zhǔn)，其中傾斜度為H/3000(H為塔高)，軸線點偏差±20mm，其它尺寸＜1/1000。因此，塔柱施工測量成為整個大橋施工測量控制的重點和難點，這高于JTJ071-94《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)要求。
面對如此高的TRANBBS技術(shù)要求，要在僅20個月的工期內(nèi)完成，必將造成立體交叉作業(yè)，確實給施工中的測量控制帶來一定困難(如圖1所示)，在充分研究了大橋控制網(wǎng)、南岸地形、塔的“爬模”施工工藝及對“三維坐標(biāo)法”的精度估算的基礎(chǔ)上，決定放棄國內(nèi)目前超高大橋傳統(tǒng)的“天頂法”，而是采用“三維坐標(biāo)法”進(jìn)行測量控制，從根本上避免了“天頂法”測量人員和儀器在塔下作業(yè)易受墜物傷害的缺點。
2 三維坐標(biāo)法的基本原理與實施
隨著現(xiàn)代測量儀器的更新與進(jìn)步，特別是集測角、測距、記錄、計算等功能為一體的全站型電子速測儀的應(yīng)用，對傳統(tǒng)的測量方案、方法起了變革作用，在大型建筑物的施工放樣中，也不例外地顯示其優(yōu)點。它不僅可以克服施工干擾給測量工作帶來的困難，還可以提高放樣的精度，更重要的是減輕測量人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，從而滿足快速施工放樣的要求。
2.1 原理與精度
如圖2所示，0為測站點，P為放樣點。全站儀安置在0點，在P點安置反射鏡，儀器測定P點相對測站點的斜距D、天頂距Z和水平方向值α。則P點相對測站點的三維坐標(biāo)為：?
X=D·sinZ·cosα?
Y=D·sinZ·sinα?
H=D·cosZ
實際上，由于全站儀的前述性能，上述計算工作由儀器自動完成，并立即在顯示屏上顯示其相應(yīng)的坐標(biāo)(也可自動記錄在電子手薄內(nèi))。由于其計算工作由儀器的計算程序在現(xiàn)場自動完成，因而杜絕了人工計算出錯的機(jī)會，同時提高了速度。?
按照測量理論，從上述計算式可求得三維坐標(biāo)法放樣精度為：
Mx2=MD2·sin2Z·cos2α+D2·cos2Z·cos2α·M2Z/ρ2+D2·sin2Z·sin2α·M2α/ρ2
MY2=MD2·sin2Z·sin2α+D2·cos2Z·sin2α·M2Z/ρ2+D2·sin2Z·cos2α·M2α/ρ2
MH2=MD2·cos2Z+D2·sin2Z·M2Z/ρ2
根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的理論分析，采用精度為MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站儀，當(dāng)測站至放樣點的距離小于280m時，Mx、MY、MH的精度可高于±5mm。?
為了驗證上述理論分析，探討實際可能達(dá)到的精度，在實施放樣之前和放樣過程中，對放樣點的測量精度進(jìn)行了試驗和檢測，在測站至放樣點約90～120m時，求得放樣點的平面位置精度MP±2mm；同時對放樣點高程的實測精度也進(jìn)行了檢測。根據(jù)與等級水準(zhǔn)測量精度的高差進(jìn)行比較，在高差約43m時，三維坐標(biāo)與水準(zhǔn)測量的高差互差為2mm。?
前述理論分析和實際檢測說明，三維坐標(biāo)法放樣在平面位置和高程方面是能夠滿足精度要求的。
2.2 三維坐標(biāo)法的實施
在利用三維坐標(biāo)法放樣塔柱各節(jié)段時，通常是直接測定該段截面相應(yīng)輪廓點的平面坐標(biāo)。有些情況下，例如橫梁各點、塔柱變截面段與塔冠，以及某些預(yù)埋件位置，除了測定輪廓點的平面坐標(biāo)之外，還需同時測定其高程。為此在放樣之前應(yīng)結(jié)合施工場地條件、施工進(jìn)度，按事先擬定的測量方案，以橋梁施工控制網(wǎng)為依據(jù)，加密放樣測站點。在選擇測站點位置時，除了保證滿足放樣精度要求之外，還應(yīng)考慮通視條件、放樣方便和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時計算簡單等因素。?
按照上述原則，在南塔柱施工中，盡量利用地形，選擇了在岸側(cè)沿橋軸線布置加密站點的方案，并先后進(jìn)行了5次加密，其布置示意圖如圖1所示。加密觀測方案采用邊長交會、邊角交會、邊角網(wǎng)等形成，最后用嚴(yán)密平差軟件進(jìn)行平差，加密點精度列于表1。與此同時，采用幾何水準(zhǔn)方法測量高程。從表1可以看出，測站點具有很高的精度，完全可以滿足放樣的精度要求。
單位：mm 表1
點 位 C D H C?1 C?3 C?5
M?X 1.1 0.7 1.3 1.1 1.5 1.4
M?Y 0.4 0.5 0.6 0.6 1.8 0.8
上述測站點的布置，完全滿足了施工的要求。從點位布置還可以看出，這些點位基本上遠(yuǎn)離塔施工的安全禁區(qū)，確保了儀器和人身的安全，避免了施工干擾。?
在現(xiàn)場進(jìn)行放樣時，按照三維坐標(biāo)法的原理，其測量放樣方案如圖3所示。一般是在一個測站上，以橋軸線方向為基準(zhǔn)，以固定點為后視方向進(jìn)行定向，依次在塔柱輪廓點1-4、7-10等角點處立鏡，在測站上架設(shè)全站儀，照準(zhǔn)相應(yīng)輪廓點處的反射棱鏡，儀器立即顯示出各點的三維坐標(biāo)。
在塔柱每節(jié)段放線前，先在勁性骨架上焊接固定輪廓點、線的專用角鋼或鐵板，通過施測坐標(biāo)，再調(diào)整立鏡點位置，放出立模控制點線。
在一般情況下，1～4、7～10各點能直接測量坐標(biāo)。個別情況下因爬架、腳手架等桿件影響通視時，可通過棱鏡桿的長度調(diào)整，或在局部范圍內(nèi)進(jìn)行偏距測量等方法解決各點的通視問題。
3 結(jié)束語
施工測量的實踐表明，由于利用了較先進(jìn)的測量儀器(全站儀)，采取了上述測量作業(yè)方法，一個5～6人的測量組，不僅及時滿足了塔柱、橫梁、支撐等施工的需要，而且還完成了塔吊、電梯等附屬設(shè)備的調(diào)校工作，體現(xiàn)三維坐標(biāo)法具有明顯的作業(yè)效率。
倪劍峰
【江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部 南京 210004】
吳棟材
【武漢測繪科技大學(xué) 武漢 430072】
摘 要：本文簡要介紹了在江陰長江公路大橋南塔的施工測量中，應(yīng)用全站儀及三維坐標(biāo)法進(jìn)行施工放樣的作業(yè)方法，及時滿足了塔柱、橫梁、支撐等施工的需要，具有較高的放樣精度和明顯的作業(yè)效率。
關(guān)鍵詞：橋塔 三維坐標(biāo)法 施工測量 應(yīng)用
1 工程概況
江陰長江公路大橋位于江蘇省東部江陰市與靖江市之間，是一座跨越長江的鋼懸索橋，主跨1385m。為目前中國第一、世界第四大跨度橋梁，大橋按六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)TRANBBS設(shè)計，橋下通航凈高50m，可通過5萬t級巴拿馬散裝貨船。?
南北橋塔是由兩根鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的空心柱和三道橫系梁組成框架式塔架。塔柱在縱、橫橋向分別為變寬和等寬度，截面為六邊形，南北橋塔頂標(biāo)高192.846m，在橫橋向上下游兩塔柱按斜度1/50對稱內(nèi)傾；在順橋向向墩中線方向?qū)ΨQ內(nèi)傾，每道橫梁為雙室箱形斷面，梁高11m。?
設(shè)計對索塔提出了高標(biāo)準(zhǔn)，其中傾斜度為H/3000(H為塔高)，軸線點偏差±20mm，其它尺寸＜1/1000。因此，塔柱施工測量成為整個大橋施工測量控制的重點和難點，這高于JTJ071-94《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)要求。
面對如此高的TRANBBS技術(shù)要求，要在僅20個月的工期內(nèi)完成，必將造成立體交叉作業(yè)，確實給施工中的測量控制帶來一定困難(如圖1所示)，在充分研究了大橋控制網(wǎng)、南岸地形、塔的“爬模”施工工藝及對“三維坐標(biāo)法”的精度估算的基礎(chǔ)上，決定放棄國內(nèi)目前超高大橋傳統(tǒng)的“天頂法”，而是采用“三維坐標(biāo)法”進(jìn)行測量控制，從根本上避免了“天頂法”測量人員和儀器在塔下作業(yè)易受墜物傷害的缺點。
2 三維坐標(biāo)法的基本原理與實施
隨著現(xiàn)代測量儀器的更新與進(jìn)步，特別是集測角、測距、記錄、計算等功能為一體的全站型電子速測儀的應(yīng)用，對傳統(tǒng)的測量方案、方法起了變革作用，在大型建筑物的施工放樣中，也不例外地顯示其優(yōu)點。它不僅可以克服施工干擾給測量工作帶來的困難，還可以提高放樣的精度，更重要的是減輕測量人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，從而滿足快速施工放樣的要求。
2.1 原理與精度
如圖2所示，0為測站點，P為放樣點。全站儀安置在0點，在P點安置反射鏡，儀器測定P點相對測站點的斜距D、天頂距Z和水平方向值α。則P點相對測站點的三維坐標(biāo)為：?
X=D·sinZ·cosα?
Y=D·sinZ·sinα?
H=D·cosZ
實際上，由于全站儀的前述性能，上述計算工作由儀器自動完成，并立即在顯示屏上顯示其相應(yīng)的坐標(biāo)(也可自動記錄在電子手薄內(nèi))。由于其計算工作由儀器的計算程序在現(xiàn)場自動完成，因而杜絕了人工計算出錯的機(jī)會，同時提高了速度。?
按照測量理論，從上述計算式可求得三維坐標(biāo)法放樣精度為：
Mx2=MD2·sin2Z·cos2α+D2·cos2Z·cos2α·M2Z/ρ2+D2·sin2Z·sin2α·M2α/ρ2
MY2=MD2·sin2Z·sin2α+D2·cos2Z·sin2α·M2Z/ρ2+D2·sin2Z·cos2α·M2α/ρ2
MH2=MD2·cos2Z+D2·sin2Z·M2Z/ρ2
根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的理論分析，采用精度為MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站儀，當(dāng)測站至放樣點的距離小于280m時，Mx、MY、MH的精度可高于±5mm。?
為了驗證上述理論分析，探討實際可能達(dá)到的精度，在實施放樣之前和放樣過程中，對放樣點的測量精度進(jìn)行了試驗和檢測，在測站至放樣點約90～120m時，求得放樣點的平面位置精度MP±2mm；同時對放樣點高程的實測精度也進(jìn)行了檢測。根據(jù)與等級水準(zhǔn)測量精度的高差進(jìn)行比較，在高差約43m時，三維坐標(biāo)與水準(zhǔn)測量的高差互差為2mm。?
前述理論分析和實際檢測說明，三維坐標(biāo)法放樣在平面位置和高程方面是能夠滿足精度要求的。
2.2 三維坐標(biāo)法的實施
在利用三維坐標(biāo)法放樣塔柱各節(jié)段時，通常是直接測定該段截面相應(yīng)輪廓點的平面坐標(biāo)。有些情況下，例如橫梁各點、塔柱變截面段與塔冠，以及某些預(yù)埋件位置，除了測定輪廓點的平面坐標(biāo)之外，還需同時測定其高程。為此在放樣之前應(yīng)結(jié)合施工場地條件、施工進(jìn)度，按事先擬定的測量方案，以橋梁施工控制網(wǎng)為依據(jù)，加密放樣測站點。在選擇測站點位置時，除了保證滿足放樣精度要求之外，還應(yīng)考慮通視條件、放樣方便和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時計算簡單等因素。?
按照上述原則，在南塔柱施工中，盡量利用地形，選擇了在岸側(cè)沿橋軸線布置加密站點的方案，并先后進(jìn)行了5次加密，其布置示意圖如圖1所示。加密觀測方案采用邊長交會、邊角交會、邊角網(wǎng)等形成，最后用嚴(yán)密平差軟件進(jìn)行平差，加密點精度列于表1。與此同時，采用幾何水準(zhǔn)方法測量高程。從表1可以看出，測站點具有很高的精度，完全可以滿足放樣的精度要求。
單位：mm 表1
點 位 C D H C?1 C?3 C?5
M?X 1.1 0.7 1.3 1.1 1.5 1.4
M?Y 0.4 0.5 0.6 0.6 1.8 0.8
上述測站點的布置，完全滿足了施工的要求。從點位布置還可以看出，這些點位基本上遠(yuǎn)離塔施工的安全禁區(qū)，確保了儀器和人身的安全，避免了施工干擾。?
在現(xiàn)場進(jìn)行放樣時，按照三維坐標(biāo)法的原理，其測量放樣方案如圖3所示。一般是在一個測站上，以橋軸線方向為基準(zhǔn)，以固定點為后視方向進(jìn)行定向，依次在塔柱輪廓點1-4、7-10等角點處立鏡，在測站上架設(shè)全站儀，照準(zhǔn)相應(yīng)輪廓點處的反射棱鏡，儀器立即顯示出各點的三維坐標(biāo)。
在塔柱每節(jié)段放線前，先在勁性骨架上焊接固定輪廓點、線的專用角鋼或鐵板，通過施測坐標(biāo)，再調(diào)整立鏡點位置，放出立模控制點線。
在一般情況下，1～4、7～10各點能直接測量坐標(biāo)。個別情況下因爬架、腳手架等桿件影響通視時，可通過棱鏡桿的長度調(diào)整，或在局部范圍內(nèi)進(jìn)行偏距測量等方法解決各點的通視問題。
3 結(jié)束語
施工測量的實踐表明，由于利用了較先進(jìn)的測量儀器(全站儀)，采取了上述測量作業(yè)方法，一個5～6人的測量組，不僅及時滿足了塔柱、橫梁、支撐等施工的需要，而且還完成了塔吊、電梯等附屬設(shè)備的調(diào)校工作，體現(xiàn)三維坐標(biāo)法具有明顯的作業(yè)效率。
