全站仪自动变形监测系统在宁波招宝山大桥变形监测中的应用
2015-07-27
宁波招宝山大桥位于宁波市甬江入海口，连接宁波镇海市区和小港经济开发区，其主桥为独塔斜拉桥与连续梁结合组成的协作体系。大桥于1995年动工兴建，1998年3月主塔封顶，1998年8月中旬主梁边跨合拢完成，同年9月底，悬浇主梁23号块混泥土时，主梁16号块处底版、斜腹板及直腹板发生压溃破坏。后经中铁大桥局集团一公司工程技术人员的加固修复，现已建成通车。为了保证大桥的安全运营，受大桥管理部门的委托，要求通过对大桥关键部位的空间位置及其变化的长时间定期监测，分析长期积累的数据，以确定现有结构的承载能力，使用耐久性等，确保桥跨结构处于良好的工作状态。为此开展了对大桥位移、沉降等内容的变形监测。
1、大桥主梁监测点分布介绍
招宝山大桥西接招宝山，东接金鸡山，桥梁主轴方位约为110°。桥面宽约为24米，双向6车道。大桥的主要特点是非对称大跨度斜拉索结构。结合主梁应力（应变）测试，大桥主梁沉降监测断面如图1中的“▼”所示。其中A—F为主梁应力监测断面对应的沉降监测断面；1#
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9#监测断面分别为各墩墩顶，第二跨四等分点，第三、四跨的二等分点。全桥主梁共有沉降监测断面15个，分上、下游两条线路布置，共计30个监测点。另外，在大桥上、下游两主塔顶各设1个位移、沉降监测点。
2、大桥变形监测方案
2．1 监测频率
大桥变形监测计划历时3年。第1年每月监测1次，共计12次；第2年每季度监测1次，共计4次；第3年每半年监测1次，共计2次。
2．2 监测速度和精度
为了尽量减小对社会交通的影响，大桥管理部门同意的封桥时间是30分钟。因此，大桥主梁和主塔上32个监测点的现场测量工作要在半小时内完成。位移沉降监测精度要求为±1毫米。
2．3 监测方案
采用常规的水准测量等方案，虽能保证必要的监测精度，但要在30分钟内完成大桥主梁和桥塔上32个点的位移沉降监测，困难较大。特别是大桥主塔塔顶距桥面高约有100多米，常规方法难以解决其位移、沉降的同步监测问题。参考国内外类似项目的监测方案，确定采用差分方式的自动化全站仪变形监测方案。
2．3．1 监测基准网
为了给全站仪自动化监测提供差分基准，首先建立如图2所示的监测基准网。其中QC1、QC3、QC4三点为建在基岩上永久性标石点，QC5为江边泵房顶的过渡点。利用徕卡TCA1800全站仪，按工程一等边角网施测。
2．3．2 变形点差分自动化监测
徕卡TCA1800自动化全站仪与解放军测绘学院研制开发的“自动变形监测软件—ADMS”相组合，构成招宝山大桥自动变形监测系统。在大桥主梁和主塔的32个变形监测点上各安装一个圆形单棱镜。TCA1800全站仪安置在QC1基准点上。
由于QC1基准点几乎在桥轴线的延长线上，故大桥主梁上30个监测点分布在左右宽约24米，前后纵深约600米的狭窄视场之内。即使打开TCA1800自动目标识别的小视场（8¢´8¢），也不能避免视场内有多个棱镜的干扰。因此，还需对图1所示的监测点位进行合理分组，在最大减少人工干预的前提下，尽快完成大桥主梁和主塔的32个点的变形监测。
在实际监测过程中，考虑现场大气等环境因素，选用 QC3为自动变形监测的差分基准点。
3、大桥首次变形监测结果初步分析
2001年8月18日，招宝山大桥首次进行变形监测。在首次监测中，大桥连续封桥30小时。为了初步分析监测效果，以上游主桥塔位移沉降监测为例，三维分量变形趋势监测结果分别如图3、4、5所示。其中各监测周期与时刻对应关系如下表所示。
三维分量的变形趋势图，有以下初步结果：
1）大桥上游主桥塔塔顶监测棱镜点距QC1自动化全站仪TCA1800监测站的平距约为390米、高差约为95米。
2）招宝山大桥地处甬江入海口，为海洋性气候。2001年8月18日至19日，晴天，日平均气温约为20度。
3）大桥上游主桥塔的平面位移和竖向沉降具有明显的周日变化规律：
·
上午时段（7、11、47周期），平面（X、Y）位移量逐渐增大，竖向有下沉趋势。11时（11、47周期），平面（X、Y）位移达到最大值，竖向（Z）下沉在中午1时（15周期）达到最大值；
· 下午时段（19、23周期），三维分量（X、Y、Z）的变形量都趋向减小；
·
夜间时段（3、27、31、35、39、43周期），三维分量（X、Y、Z）的变形趋于稳定，变形量较小。以18日清晨5时的第3周期为参考周期，19日清晨5时同一时刻的第43周期三维分量（X、Y、Z）变形监测结果都趋近为零。
4）对于大桥下游主桥塔变形监测结果的分析，有与上述相类似的结论。由此可见，TCA1800全站仪自动监测系统对宁波招宝山大桥的变形监测结果是有效的，能反映出桥塔非常良好的柔性变形规律。
4、结束语
宁波招宝山大桥变形监测具有点位多、精度要求高、可利用监测时间短等特点。在利用具有自动目标识别的徕卡TCA1800全站仪，按差分方式高精度、自动化监测大桥的位移与沉降的变形情况，最大的优势是可以实现三维监测同步，这一点对于100多米高的主桥塔变形监测来讲，尤为重要。
在具体监测过程中，如何合理建立差分基准网；选择差分基准点；在狭长视场范围内对多个变形监测点高效地分组监测等是宁波招宝山大桥变形监测的关键技术，在这些方面取得的经验于国内外都具有一定的参考价值。
