自锚式悬索桥施工过程中缆索的测量控制方法
2018-03-26
1 工程概况
武西高速公路桃花峪黄河大桥位于郑州市西北郊，主桥为双塔自锚式悬索桥，跨径布置160m+406m+160m。桥塔采用门式塔，塔顶设置主索鞍，主缆索股由37股127丝直径为5.3mm的高强度镀锌钢丝（1670MPa）组成，长800.9m，主跨矢跨比为1/5.8，20%空隙率下的主缆直径为406mm，全桥共110套索夹，其中12套无吊杆。主桥共有196根吊索，基本间距13.5m，近塔处吊杆距塔中心14m。
2 总体施工方案
主塔施工完成后在塔顶拼装吊装支架，从钢箱梁桥面上进行进行主索鞍的吊装；钢箱梁顶推及合拢完成后进行锚碇及散索鞍的安装；中跨及边跨猫道的安装；主缆基准索股的架设；一般索股的架设；主缆架设完成后，对主缆进行紧缆；紧缆完成后安装索夹；按监控单位提供的体系转换方案分步骤进行吊索张拉、索鞍顶推和压重混凝土浇筑完成主桥体系转换。
3 施工测量控制方法
总体测量方法：建立主桥施工加密控制网→钢箱梁合拢前后的控制测量→主缆锚碇安装测量→钢箱梁安装完成后吊杆孔中心里程及标高测量→主索鞍及散索鞍的安装测量→中跨及边跨猫道承重索的安装测量→基准索股及主缆普通索股架设的控制测量→主缆紧缆完成后线形测量及索夹放样及安装测量→吊杆张拉及主索鞍顶推过程中的主塔偏位测量
3.1 建立主桥施工加密控制网
平面施工控制网采用GPS卫星定位静态测量方法，按《全球定位系统（GPS）测量规范》中的B级和C级GPS网测量精度进行复测；高程采用精密电子水准仪水准测量方法，并布设成水准网，按《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-2006）中的二等水准要求进行水准复测。根据主桥缆索施工测量需要布设施工加密控制网点，加密点共2对，分别布设在桥塔的上下游及两岸侧，定期检测施工加密网，施工加密网检测周期一般不超过6个月。
3.2 钢梁合拢前后的控制测量
总体施工方法：钢箱梁合拢施工在其顶推完成后进行，本桥钢箱梁根据总体施工方案存在两次合拢，第一次为南锚梁与顶推最前端的SA10节段合龙，第二次为NA10节段与北锚梁、NA9节段的合拢。具体步骤为：
1）钢导梁上南锚梁支架后，陆续段拆除钢导梁；
2）拆除导梁最后节段M0、M1，继续顶推钢主梁最前端SA10节段与锚梁钢箱梁相接（合拢前合拢缝宜在日最低温度时20cm），全桥钢箱梁顶推到位；
3）起吊NA10节段先存放在北锚梁上，再起吊NA9，并拼焊NA9，将NA10吊装就位，与钢主梁与钢锚梁拼焊，此时全桥钢箱梁合拢。
3.2.1 钢箱梁与南锚梁的合拢测量控制
按照监控规定的测量时段，对合龙口梁段所布设测点间距成对进行48h测量、记录、整理，互相校对，经监理工程师确认后用于合龙梁段的配切。
图2 钢梁节段合拢示意图
合拢口梁段SA10――SA11的端头截面均布设6个线形监测点，用于监测南锚梁的拼接线形以及监测合拢口的顶底口高差、中线偏位等。
图3 钢箱梁线形监测点位布置图
以上监测数据须在不同工况下进行连续测量，如若梁段存在高差太大的情况，应及时进行调整，调整完成后，测量梁段的高差必须满足规范要求时方能进行下一步的顶推合拢工作。
钢箱梁与南锚梁合拢之前，应严格控制钢箱梁SA10梁段的梁端里程，宜控制在距设计里程位置20cm处，且调整好钢箱梁与南锚梁的轴线偏位在10mm之内，高差宜控制在2mm之内。由于锚梁与钢梁间剩余20cm合拢缝，以上工作全部完成后，应对钢梁继续顶推，直至SA10、SA11两个梁段合拢。在此顶推过程中，由于只有20cm的距离，如果轴线再次出现偏差将很难再进行纠偏，因此在顶推过程中，应分多次进行顶推，不间断对轴线进行测量，直至钢箱梁与南锚梁的精确合拢。迅速用码板码平对接缝，及时进行焊接，必须在最短的时间内完成焊接工作，防止由于温差变大影响钢箱梁的焊缝宽度及焊接质量。
3.2.2 北锚梁与钢箱梁的合拢测量控制
在钢箱梁与北锚梁合拢之前，应在NA9与NA11梁段的端头两截面各选取底板3个、顶板3个（分别设在两腹板及中心线位置）观测点位，并连续观测其高程变化情况及轴线偏移情况。由于在NA11梁段安装测量时，在锚梁支架上的钢梁一次性定位较准确，而NA9梁段的端头截面为悬空状态，其安装后高程会出现一定的偏差，造成合龙段在安装就位时容易出现扭转。因此必须对NA9梁段的端头高程进行调整，在调整过程中，不应只调整NA9梁段的端头高程，应对平台顶的NA8、NA7的梁底高程进行相应调整，使各个梁段与设计线形一致，方便钢梁的每一个梁段都能顺利衔接。
在对合龙段NA10梁段进行吊装下放时，应在吊机起吊时调整好纵桥向的两端高差，需一端加配重，高差需控制在设计高差值123mm（节段钢梁位于竖曲线内），以方便NA10梁段起吊后能顺利放入合龙段内，底、顶口不发生扭转。
按照监控指定的测量时段，对合拢口相邻梁段所分部成对的测点的距离进行连续测量，记录整理测量数据，并绘制每一时段温度及合拢长度变化值，合拢温度和时间段确定后（宜选择一天中温差变化较小的时间段），依据测量结果，计算出合龙段长度尺寸值，以合龙段横基线为基准，按照所确定的合龙段长度尺寸值切划边线和坡口，为确保合拢顺利进行，焊接完成前有效的约束梁段收缩。在合拢接口处增加对拉螺杆底座等临时匹配连接件，当气温达到合拢温度后，按照监控要求合拢时段，迅速将合龙段吊装就位，迅速进行粗调、匹配、快速进行临时连接，临时连接完成后，迅速用码板码平对接缝，及时进行焊接，必须在最短时间内完成焊接工作。 3.2.3 合拢完成后测量控制
全桥合拢后继续对合龙段及全桥其它梁段进行线形监测，将线形测量数据及时反馈至监控单位，以便对锚碇及散索套的安装定位提供依据，为缆索顺利架设做好前提条件。
3.3 主缆锚碇安装测量
锚碇安装在钢锚梁安装定位完成、钢箱梁合拢后进行。
由于锚碇安装在箱体内进行，因此测量基准点需转点至钢箱梁顶，钢箱梁长度受温度影响较大，转点测量时应在深夜至日出前期间进行。此转点同样用于后来散索鞍的定位测量。
测量时应精确定位前后锚孔道（每面至少观测3个）的中心三维坐标，前后锚面倾角等。
安装完成后前锚孔道中心坐标允许误差不大于10mm，前锚面孔道角度不大于0.2度，前后锚连线的轴线偏位不大于5mm。并将安装完成后的测量数据提供给监控单位。
3.4 钢箱梁安装完成后吊杆孔中心里程及标高测量
锚碇安装完成后，应在夜间温度最低的时间段测量出钢箱梁的总长、上下游吊杆孔中心里程及标高，提供给监控单位。
3.5 主索鞍及散索鞍的安装测量
主塔及上横梁施工完成后，进行主索鞍的吊装就位及安装。在主索鞍的吊装过程中，应观测吊架的挠度。主索鞍底座板及鞍体的纵横向、竖向预偏量预抬值应依据监控单位的监控指令值（本桥纵向偏离边跨640mm，横桥向偏离桥梁中心5mm）。
主索鞍施工工艺流程：底板垫块调平→测量放线→支架安装→主索鞍底板纵移至起吊位置→试吊→起吊→纵移→落位→调整位置→吊装主索鞍其他组件→组件连接。
测量放线：底板垫块调平采用电子水准仪进行测量。要求平整度控制在0.5mm/平面。安装格栅之后，精确测量塔顶轴线是保证主索鞍安装位置准确的前提条件。选择在天气好并且气温稳定的夜间测量放线，放样出塔顶上下游的纵横轴线。主索鞍安装轴线均以塔顶放样的轴线为控制线，以消除温度和天气变化对塔柱的影响。
散索套安装测量：在锚梁的制作过程中，将散索套的下半部分放入箱梁底板接近散索套安装位置上，在主缆架设前，按照监控指令，采用全站仪放样出设计的纵横向轴线及里程线，并弹上墨线做好标记；用型钢支架将下半部分临时支撑起来，并在散索套两端设置限位端板，直至所有索股架设完毕，然后利用手拉葫芦安装上半部分至设计位置，调整轴线和角度，穿上螺栓，拧紧至设计要求力值。
3.6 中跨及边跨猫道承重索的安装测量
由于猫道承重索所用钢丝在使用过程中会产生一定量的永久伸长，故在架设前应根据其受力状况进行预拉，清除其非弹性变形，这样，架设之后的猫道矢度较易于控制。猫道相当于一个临时轻型索桥，其作用是在主缆架设期间提供一个空中工作平台。它是由猫道承重索、猫道面板系统、横向天桥及抗风索等组成，猫道面层距主缆中心线的高度一般约为0.8～1.2米，且一般沿主缆中心线对称布置。
每次对承重索测量时，应在日出前或日落后进行。主缆中心标高依据监控单位提供的监控指令。由于猫道铺设过程中，不平衡水平力的客观存在，故应加强对塔顶偏位观测及控制，要求主塔偏位不得超过监控方要求。
3.7 基准索股及主缆普通索股架设的控制测量
3.7.1 总体测量方法
主缆索股垂度调整分为基准索股垂度调整和一般索股垂度调整。基准索股垂度调整方法是绝对高程法，一般索股垂度调整方法是相对基准索股进行垂度调整。
图4 主缆断面
为保证一般索股调整时所用的基准索股始终处于自由漂浮状态，采用主缆各层外侧一根一般索股作为相对基准索股，其垂度依靠1#基准索股进行传递，然后利用各层相对基准索股调整同一层一般索股和上一层相对基准索股的垂度，以达到主缆线形调整目的。
为了消除调整误差的积累，每根相对基准索股的调整误差均进行传递，即调整下一根相对基准索股时，他们之间的理论相对垂度值中要减去当前相对索股的调整误差值，以确保每一根索股相对于基准索的调整误差在允许范围内。
3.7.2 基准索股测量
测量项目：包括锚跨里程及标高、塔顶标高及偏位、主索鞍预偏量、主缆垂度标高、散索套移动量等。
①在索股跨中固定棱镜，采用全站仪三角高程测量。
②计算出中跨及边跨索股跨中垂度，并与设计垂度进行比较，根据监控计算的垂度调整图表，算出索股需移动调整的长度，并作跨度、温度修正。
③通过索鞍处索股放松或收紧，完成垂度调整目的，先调整主跨、后调整边跨垂度，直至符合设计要求。
④在索股绝对垂度符合要求后，同时进行上、下游两根基准索股相对垂度调整，其相对垂度差不大于10mm。
⑤基准索股垂度调整好后，须进行至少3天稳定观测，确认索股线形完全符合稳定要求，全部结果均未超过允许偏差的范围，第一根索股的垂度即调整完成。其中绝对高程允许误差为中跨±L/20000，边跨±L/10000。
将连续3天观测数据经算术平均后作为基准索股最终线形。
3.7.3 一般索股测量
基准索股以外的索股为一般索股，一般索股是依据相对于基准索股进行相对垂度调整。采用相对基准索股方法进行一般索股垂度调整。采用游标卡尺测定索股垂度调整量。
①安装上下游主缆时通常以第一根索股为基准索股，必须认真操作。应在测量计算跨径、垂度、温度变化等影响的基础上进行调整。垂度的调整须在夜间风速较小、温度相对稳定时进行。正确放置后，停留一段时间，连续观察测量不少于3昼夜，如全部结果都未超过允许偏差的范围，第一根索股的垂度即调整完成。
②为了保证索股的架设质量，可增设1～2条基准索股。基准索股的位置应设在不被一般索股压到的主缆边缘处。
③基准索股中跨的设计垂度允许偏差应符合图纸的规定。一般索股对于基准索股垂度的相对差应在0、+5mm以内；上下游主缆的基准索股，其垂度的相对差应在10mm以内。 ④如基准索股由于受到其后安装的索股架设而影响精确度时，经检测判断已不能起到基准索股的作用，则应另选新的一根索股进行计算跨径、垂度、温度影响的测量，并进行调整，使符合（下转第115页）（上接第108页）作为基准索股的要求，然后将此新的索股作为相对垂度调整的基准索股。
因主缆长达近千米，对温度非常敏感，长度和垂度变化大，因此必须测量索股温度，垂度测量时根据设计和监控加以修正。在悬挂状态下，束断面为六角形，丝丝平行，不扭转不鼓丝。按顺序调整中跨、边跨垂度后，最后千斤顶顶推锚头增减垫片调整锚跨。调整时，中、边跨以垂度为准，锚跨以张拉力为准。架设时应注意观测塔顶扭转和位移。
3.8 主缆紧缆完成后线形测量及索夹放样及安装测量
当主缆的一般索股和基准索股架设完成后，对主缆进行紧缆工作，紧缆完成后在夜间恒定的大气温度条件下，测量出主缆的线形。
当主缆线形定型后，由监控单位提供此状态下索夹的坐标位置，并在白天沿主缆的曲线把索夹的粗略位置在主缆上作临时标记。在夜间温度较为稳定时，把临时标记作为参考快速进行索夹位置的放样。安装索夹前，应依据主塔顶偏位，主缆温度，大气温度，塔高，散索套顶点偏位等数据提交给监控单位计算出索夹中心坐标。安装索夹时，应检查索夹的位置编号是否与主索上的位置次序编号相符。索夹吊装到位后，应对索夹中心进行再次复核，复核无误后再进行索夹的安装就位。由于索夹数量较多，需用多次完成，因而放样时应量测大气温度和主缆表面温度，并尽量在温度基本相同的条件下进行索夹放样。
3.9 吊杆张拉及主索鞍顶推过程中的主塔偏位测量
在主索鞍的安装过程中，鞍体的预偏量为偏向边跨64cm，吊杆张拉的过程中，应依据监控指令分三次对其进行顶推，对主索鞍的顶推是悬索桥施工中的一个重要环节，对索鞍顶推量的控制，其实质就是要控制塔身的应力不超过容许值，以确保塔身安全，并在顶推过程中实时观测主塔的偏位情况，保证两个主塔的偏位不大于监控计算数据。
4 小结
通过以上对自锚式悬索桥施工过程中缆索测量控制方法的描述，使我们了解了在施工过程中测量需要注意的重点和难点，在今后的工作中遇到同类作业时能够做到提前筹划，迅速进入工作状态，提高工作效率。
【参考文献】
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[4]武西高速公路桃花峪黄河大桥主桥施工图设计：第四分册 主缆及吊索系统[S.]
