15北京地铁五号线清河斜拉桥施工测量技术总结.doc

北京地铁五号线清河曲线斜拉桥施工测量控制技术张凤翊（北京市政建设集团第一工程处，北京 100044）摘 要：北京地铁五号线清河斜拉桥全长210m，为三跨独塔半漂浮结构体系，该桥位于R=400m圆曲线上，为国内首次采用的小曲率半径、非对称结构；塔高66.893m，是北京市第一座轻轨交通工程中的斜拉桥。本文论述了清河斜拉桥施工过程中的施工测量控制技术。关键词：曲线斜梁桥 施工测量1 概述1.1 工程概况北京地铁五号线第14合同段清河斜拉桥位于现状安立路清河公路桥西侧约100m处，与建设中的奥运村遥相呼应，是立水桥站至立水桥北站高架区间的景观性建筑。斜拉桥全长210m，宽为11m。属非对称半漂浮结构体系。主塔为钻石型钢筋混凝土索塔，塔底高程为33.016m，塔顶高程为99.909m，塔高为66.893m。塔柱横桥向宽2.2m，顺桥向长44.88m。在高程42.665m以下为钢筋混凝土桥台，采用直径1800mm深75m大直径深桩基础；在高程69.409m以上，为钢筋混凝土塔柱；塔柱斜拉索距为1.5m和2m两种。小半径预应力混凝土斜拉桥主梁为C50预应力现浇钢筋混凝土箱梁。主跨索距为7m，边跨索距为4m和7m两种。全桥共56根斜拉索，112套锚块。斜拉索采用空间扇形布置。根据线路总体规划要求，该桥位于圆曲线半径R=400m，曲线长Ls=300.127m，切线长T=153.696m，缓和曲线长L0=65m曲线上，右折角为 33°4046，纵向为16的降坡（见图1所示）。 图1 清河斜拉桥立体效果图 1.2 曲线斜拉桥施工测量控制的特点与难点清河斜拉桥全长210m，为三跨独塔半漂浮结构体系，为国内首次采用的小曲率半径、非对称结构；塔高66.893m，是北京市第一座轻轨交通工程中的斜拉桥。该桥位于R=400m圆曲线上，右折角为33°4046，缓和曲线长L0=65 m，切线长Ts=153.696m，纵向为16的降坡。由于桥结构的特点，清河斜拉桥集曲线（圆曲线与缓和曲线）、高度、坡度等特点于一体，在国内尚属首创；在国际上，同类型的曲线斜拉桥也无资料报道。因此，给斜拉桥线形控制、各部构件定位点坐标计算及施工放样增加不少难度。1）主塔高带来的困难清河斜拉桥主塔较高，线路两侧高楼林立，交通繁忙，通视困难，在施工测量中，对主塔线形控制以及主塔上预埋件的定位测量，特别是高空作业，给施工测量增加了难度。此外，随着主塔建筑的升高，受日照、风力、自重等因素的影响也加大，主塔变形给高精度的定位测量增加了难度。 2) 桥梁结构复杂带来的困难斜拉桥结构复杂，主塔与主梁相互关系复杂，如：每根斜拉索预埋导管的长度不同，厚度不同，方位不同，仰角不同，索预埋导管的垫板厚度不同等等，这一切都给斜拉索预埋导管定位点坐标计算与斜拉索预埋导管安装测量增加大量工作量与困难；又如：主梁为双线线路，并以右线中线为依据进行设计。由此，线路两侧偏距不等，图形不对称，大大增加曲线斜拉桥各部件定位坐标计算的难度。3) 影响施工因素多带来的困难影响斜拉桥施工因素很多，如：结构刚度、梁段的重量、斜拉索张拉力、施工荷载、混凝土的收缩徐变、温度和预应力等，且定位精度要求较高，给测量工作带来较大困难。2 施工测量执行规范标准1 地下铁道、轻轨交通工程测量规范（GB/50308-1999）；2 工程测量规范（GB50026-93）；3 城市测量规范（CJJ 8-99）；3 施工测量准备工作施工测量准备工作是保证施工测量全过程顺利进行的重要环节。其主要内容包括：设计图纸的解读、测量控制点的验收与校测、测量仪器的配置、测量仪器的检校等工作。3.1 设计图纸解读设计图纸是施工测量与工程施工的依据。通过设计图纸解读，了解设计意图，计算定位数据，验证设计参数、设计数据的正确性，以及了解拟建筑物跟周围建筑物、市政道路和河流的位置关系，确保工程施工定位数据无误，为施工测量与工程施工奠定基础。3.2 测量仪器配置清河曲线斜拉桥施工测量精度要求较高，根据工程特点与需要并结合经济合理原则，配置如下测量仪器（见表1）：表1 测量仪器与测量精度要求序 号仪器名称型 号精 度用 途1全站仪GTS-711S±2±(2mm+2ppm.d)控制测量定位、验线2高精度铅垂仪PL-I1/10万投测轴线3光学水准仪AL332±1.5mm/km高程测量4电子水准仪DINI12±0.3mm/km高程控制测量5全站仪DTM-352C±2±(2mm+2ppm.d)控制测量定位、验线3.3 测量仪器的检校 在施工测量之前，检查所使用的测量仪器是否经过检校和是否在有效期之内；凡是没有达到以上要求的测量仪器，应送到仪器检校单位进行检校，确保仪器在使用过程中准确有效。4 控制测量4.1 平面控制测量 根据斜拉桥的结构特点，分期布设精密导线作为清河斜拉桥施工测量的平面控制（见图2）。以满足各阶段施工的精度要求。4.1.1 平面控制网的布设原则 平面控制网的坐标系统采用北京市坐标系统；平面控制网覆盖整个施工场区，点位布设均匀，尽量布设直伸导线, 确保桥的两端至少有2个通视良好的导线点；布点要与施工平面布置图相结合，确保点位稳定，便于长期保存，通视良好，有利于相邻点位的准确连接；为了满足上部结构高精度定位要求，在靠近斜拉桥的导线点上设置仪器观测台，以减少仪器对中误差。图2 导线平面示意图4.1.2 导线布设导线起于高级点WD195、WD194，闭合于高级点WD191、WD1810。导线全长1033.820米，共8点。所有导线点应埋设固定标石，导线点TA2、TA3、TA4应敷设仪器台，以便强制归心架设仪器，减少对中误差并加强测站稳固性。将TA3选在塔柱上能更好的控制斜拉桥主梁和边梁与塔柱上索导管的精度相对一致，还能随时观测塔柱的变化情况。 导线测量主要技术要求见表2。表2 导线测量主要技术要求附合导线长 度（km）平均边长（km）测 角测 距导线相对 闭合差中误差（）测回数方位角 闭合差（ ）测 距中误差（mm）边 长相 对精 度1/350001-40.20±2.545±41/60000附注：n为测站数。4.2 高程控制测量建立一条附合水准路线，作为清河斜拉桥施工测量的高程控制。4.2.1 水准路线布设原则 高程系统应采用北京市高程系统；为满足斜拉桥高精度线形控制的要求，应布设高精度水准路线；水准路线应覆盖整个场区，以满足斜拉桥施工测量对高程控制的需求；为避免重复埋设标石，达到经济合理的原则。平面控制导线点与高程控制水准点，可以共用同一标石。4.2.2 水准路线布设水准路线起于WD195，经过TA5、TA4、SZ1-16、SZ1-17、SZ1-17-1、TA2、SB等点，闭合于WD191，全长920m。4.2.3 水准测量的精度指标（见表3）表3 水准测量主要精度指标视 线长 度（m）前 后 视距差（m）视 距 累计差 （m）视 线高 度（m）仪 器型 号观 测次 数往返较差或 附合闭合差（mm）50130.5DS1往返±8注：L为线路长度，单位为千米。5 斜拉桥施工测量内容及精度要求5.1 承台施工测量全桥共有13#、14#、15#、16#四个承台，施测内容及方法如下。5.1.1 承台基础开挖测量在桩基完工后平整场地，实测出实际高程，以确定实际开挖深度；根据土质确定边坡，确定开挖宽度。计算出开挖承台四角坐标，用全站仪极坐标法放出四角坐标，并标出开挖线。5.1.2钢筋及模板安装测量 浇筑垫层后，根据设计图纸，用全站仪双极坐标测量的方法，精确放出承台四角坐标。安装预埋件前，应准确定出预埋件的位置；支设模板时，控制好各角点坐标、倾斜度。5.1.3 混凝土浇筑控制浇筑过程中，做好模板及预埋件控制。浇筑完成后，用水准仪实测承台顶面高程，对其高程加于控制。 5.1.4 精度要求 平面误差小于10mm；高程误差小于5mm 。5.2 桥墩施工测量桥墩施工时，依据设计数据，将桥墩中线移轴到桥墩边线，全站仪安置在轴线上，挑直线指导立模，使模板中线与控制线重合。精度要求同上节。5.3 主梁施工测量5.3.1主梁施工测量内容及方法5.3.1.1围堰及辅助支墩测量根据河道实际情况及围堰方案定出围堰角点坐标及支墩坐标，并作实地放样，以控制好支墩基础开挖。5.3.1.2支架的搭设测量 通过对地形的初测，为支架的搭设工作提供地形资料；根据设计数据放出支架特征点的位置；控制好支架顶面的高程，并在支架搭设时考虑沉降预调值。5.3.1.3底模的铺设测量 用AL332水准仪，采用四等水准测量精度控制其高程。平面位置用方向线或坐标校测的方法控制平面位置，使其边线顺直协调。5.3.1.4斜拉桥主梁锚块的定位测量 斜拉桥主梁锚块的定位测量，是清河斜拉桥施工测量重要组成部分；必须在理论上，实践上进行探讨解决。（1）主梁上锚块点坐标计算 根据设计图纸给出的曲线元素（见图4），以斜拉桥右线设计为依据，计算出主梁上各锚块0点所对应右线的桩号。图4清河斜拉桥曲线要素注：R园曲线半径；a园曲线转折角；T曲线切线长；E外距长。建立以右线中心线缓直（HZ）点为平面坐标原点（0，0），以HZ点切线方向为X轴，法线方向为Y轴，竖直方向为Z轴的坐标系。应用清河斜拉桥设计图纸提供的数据，按下式计算平面坐标原点（HZ）的北京坐标系坐标：X0=X右JD+T·COSY0=Y右JD+T·SIN式中：X0、Y0平面坐标原点（HZ）的北京坐标系坐标；X右JD 、Y右JD右线折点（JD）的北京坐标系坐标；T曲线切线长；曲线切线方位角，即：357º5157。则：X0=320044.739Y0=504606.857 缓和曲线段上点的坐标计算:Xi曲=- Yi曲=-式中： Xi曲、Yi曲缓和曲线段上i点的坐标； -缓直点至曲线上任意点的曲线长，等于两点的里程数之差； R曲线半径； 缓和曲线长。圆曲线段上点的坐标计算：Xi曲=x1+qyi曲=y1+p式中： Xi曲、yi曲圆曲线段上i点的坐标；x1、y1未设缓和曲线时圆曲线的切线支距值； x1 =R×sinap (ap该段弧长所对的圆心角)； y1 =R×(1-cosap )；q圆心向切线引垂线，其垂足至缓直（HZ）点的距离；q； p圆曲线自切线向内移动的距离； p。坐标转换：应用坐标换算公式，将曲线上点的坐标转换为北京市坐标系坐标。X= X0 + Xi曲cos - Yi曲sinY= Y0 + Yi曲cos + Xi曲sin式中X0 、Y0 -缓直（HZ）点的坐标（北京坐标系）；对应坐标轴的夹角，即：2 º 8 3； Xi曲、yi曲曲线段上i点的设计坐标系坐标（见图5）。注意：当右偏时，计算与上面公式完全一致；当左偏时，偏角与Yi曲值应冠予“-”号。图5 曲线段上i点的设计坐标系坐标由上述方法所计算的坐标是右线中心线的坐标。在此基础上，应计算右线中心线内外侧锚块点的坐标。则将起始方位角旋转90度，再加（减）该点对应曲线起点的偏角。依据设计书，梁索内侧偏距为3m加减设偏值，梁索外侧偏距为-7m加减设偏值。按下式计算主梁内外两侧锚块点的坐标：Xi块=Xi右+J×cosAYi块=Yi右+J×sinA式中：Xi块、Yi块主梁第i锚块北京坐标系坐标；Xi右、Yi右对应主梁第i锚块右线中线点北京坐标系坐标；J锚块对右线中线偏距；A右线中线点与对应锚块点的方位角。A=0-90-90×式中：0起始方位角，即：177º5157；K曲线上某点至缓和曲线起点（HZ）的曲线长，由里程差求得。应用计算机或计算器完成计算。清河斜拉桥梁索内侧、外侧各有28个锚块。 （2）主梁锚块坐标放样测量主梁锚块放样时，将全站仪架设在主塔下的导线点（TA3）的仪器台上，应用解析坐标法放样。改变测站进行校核。5.3.1.5 斜拉索预埋导管安装测量（1）斜拉索预埋导管控制点坐标计算 主梁锚块定位后，即定位了斜拉索预埋导管O点的坐标。为指导斜拉索预埋导管安装，首先应计算出预埋导管两端点的坐标（如图6）。为了测量的方便，沿预埋导管下端截取0.1m的长度，以该点作为下端控制点。由图6，可以计算下列数据：图6 预埋导管两端点的坐标L1=L2=L+t2- L1 L3=L4=L-0.1+ L3S2= L2h2=L2S4= L4h4= L4式中： b预埋导管底座宽度，b=0.8m； 预埋导管的垂直角；L预埋导管的长度；t2预埋导管垫板的厚度；D预埋导管的外径；S2预埋导管O点至上端点1在水平面的投影；S4预埋导管上端点1至下端控制点2在水平面的投影。则：预埋导管控制点坐标为：X2=Xo+S2Y2=Yo+S2H2=Ho+h2X1= X2+S4Y1=Y2+ S4H1= H2+D/2- h4式中：Xo、Yo、Ho预埋导管O点设偏后的三维坐标；另外H0还需要加一项施工控制拱值。A曲线切线的方位角；B曲线上某点的弦切角；斜索在XY平面的投影与主梁切线方向的夹角，当斜索由锚固端向主梁内侧移动，取正值，反之取负值。上述所有的计算，均已编成软件，由计算机完成计算。其结果见附录2。（2）预埋导管安装测量预埋导管安装测量步骤： 将直径等于锚固钢导管内径的圆盘标志件放入锚固钢导管顶部，并固定，使其盘面与锚垫板位于同一平面，并标出十字中心线和钢导管上的中心线； 预埋钢导管粗略定位 用全站仪进行三维坐标跟踪测量，测出预埋钢导管上管口中心点的三维坐标。将测得坐标值与上面的计算的预埋钢导管控制点坐标值比较，得出三维坐标偏离值。使用吊链和紧绳器进行调整，直至偏离值小于误差允许值。此时，应粗略固定预埋钢管上端，即：将一根略长于管口径16的钢筋焊在管壁上，且与十字水平线重合，然后，再用钢筋分别将两端与固定架上下连接，则预埋钢管上端粗略定位；沿着预埋钢管顶部量取套筒顶部点到钢管下端L-0.1米的长度（钢管下端控制点），并做出标志。重复上半部操作，则预埋钢管下端粗略定位； 预埋钢管准确定位 预埋钢管粗略定位后，要反复对预埋钢管上下端口进行复测校核，直至偏离值小于误差允许值，固定焊牢。（3）混凝土浇筑过程中应作好模板、支架的监测，作好预应力孔道和斜拉索预埋管道的监测。浇筑时，还应控制梁的顶面高程。（4）在锚索张拉后，对梁顶高程进行复测。在精度允许范围内，进行调整。5.3.2 主梁施工测量主要精度指标表5 主梁施工测量主要精度指标项 目精 度平面（mm）高程(mm)主梁锚块定位±5±5桥 墩±10±5各跨纵向累计误差10（n为跨数）腹板外侧面距梁段中线+10，-55.4 主塔施工测量5.4.1 主塔施工测量内容 主塔施工测量内容包括：主塔线形控制测量、主塔劲性骨架施工测量、主塔斜拉索预埋导管定位测量、模板安装测量。5.4.1.1主塔线形控制测量（1）特征点坐标计算根据主塔的设计数据（图7）计算出斜率。 主塔正面（Y方向）的斜率6.209/57.244=0.108465516 主塔侧面（X方向）的斜率0.5145/66.893=0.007691388然后按下面公式计算不同高度特征点的增量值。 Xi =（Ai-42.665）×0.007671388 Yi= (Ai-42.665) ×0.108465516 式中， Ai主塔上任意点高程。 图 7 主塔特征点坐标计算图 使用4.3.1.5斜拉桥主梁锚块定位测量的方法，计算14号墩中心点O以及两座塔柱8个角基点的坐标（图8）。图8 主塔基角点坐标计算图 按下式计算塔柱特征点坐标： X=Xi角+cos×Y=Yi角+sin×式中： Xi角、Yi角塔柱角基点的坐标； 塔柱角基点至特征点的方位角； xi、yi特征点对塔柱角基点的增量。 主塔特征点计算用计算器完成。清河斜拉桥主塔特征点共136个。 （2）主塔线形控制点坐标放样将全站仪安置在观测台上强制归心，采用解析坐标法进行实地放样。每站测量时应进行两测回，两测回互差不超过7mm。当互差小于限差时，取其平均值作为定位点。主塔线形控制点定位后，应变换测站进行检测。5.4.1.2主塔斜拉索预埋导管定位测量（1）主塔锚固控制点坐标计算 建立Z轴为竖直方向（向上为正），X轴为14号墩中线与桥面中线的交点处，桥面中线的切线方向（指向HZ点为正），Y轴为14号墩中线与桥面中线的交点处，桥面中线的的法线方向（指向外侧为正）的坐标系。使用4.3.1.5斜拉桥主梁锚块定位测量的方法，计算14号墩中心点坐标（北京坐标系）与偏角（注意：14号墩中心点对应右线中心点的偏距为-2米，参阅图9），则： X0=319927.354 Y0=504618.821 0=12 º1439.3 北京坐标系与以缓直（HZ）点为原点，以其切线、法线为X、Y轴的坐标系的相应轴夹角为2 º 8 3。 根据设计给定的锚块控制点K7、K8坐标，由坐标换算公式将其转换成北京市坐标系坐标（计算方法同4.3.1.5的坐标转换，相应坐标轴的夹角 =0+2 º 83）。编写计算机应用软件，应用计算机技术计算各锚块点坐标。 主塔锚固控制点共224个。（2）主塔斜拉索预埋导管放样与安装斜拉索预埋导管的安装精度对拉索施工影响很大，必须高度重视。在劲性骨架定位后即开始斜拉索预埋导管的定位。根据K7、K8两点的三维坐标，采用全站仪解析坐标放样的方法，将预埋导管K7、K8（图10）实放到劲性骨架上，然后将导管初步稳固，再用全站仪复核，达不到设计要求时，可用吊链和紧绳器反复进行调整，直至符合要求为止，并将预埋导管固定。图 9 斜拉索导管测量定位点示意图5.4.1.3主塔斜拉索预埋导管定位测量优化上述采用K7、K8两点的三维坐标进行预埋导管放样与安装的方法，在实际作业时，由于在K8点立镜困难而大大影响工效。由此，做如下优化，即：将控制预埋导管中心K8点改为控制导管顶部点，如是，便于立镜，安装速度快，可大大提高工效。具体做法是：（1） 计算预埋导管顶部点高程在导管水平方向任取水平距离（S），则：导管顶部点高程为：HK8顶=HK8+tg（a）×S+式中：HK8顶预埋导管顶部点高程；HK8预埋导管K8点高程；D预埋导管外径长；（a）预埋导管中心线与水平方向的夹角。（2）计算预埋导管顶部点坐标Xk8顶=Xk8+S×cosYk8顶=YK8+S×sin 式中：Xk8顶、Yk8顶预埋导管顶部点坐标；Xk8、YK8原K8点坐标；原K8到K7点的方位角。（3）计算预埋导管顶部点到导管上端的长度lili=L-t2式中：L预埋导管的长度；D预埋导管外径长；（a）预埋导管中心线与水平方向的夹角。（4）塔柱斜索预埋导管的安装测量步骤 将直径等于预埋导钢管内径的圆盘标志件放入预埋导管顶部，并固定，使其盘面与锚垫板位于同一平面，并标出十字中心线和钢导管上的中心线； 预埋导管粗略定位 用全站仪进行三维坐标跟踪测量，测出预埋钢管上管口中心点的三维坐标。将测得坐标值与上面的计算值比较，得出三维坐标偏离值。使用吊链和紧绳器进行调整，直至偏离值小于误差允许值。此时，应粗略固定预埋钢管上端，即：将一根略长于管口径16的钢筋焊在管壁上，且与十字水平线重合，然后，再用钢筋分别将两端与固定架上下连接，则预埋钢管上端粗略定位；由锚垫板下端沿着预埋钢管顶部量取钢管顶部点到钢管上端的长度li，并做出标志。重复上半部操作，则预埋钢管下端粗略定位； 预埋钢管准确定位 预埋钢管粗略定位后，要反复对预埋钢管上下端口进行复测校核，直至偏离值小于误差允许值，固定焊牢。5.4.1.4 模板安装测量 计算出每节段塔柱四角三维坐标，利用全站仪放出各角点，安装板模；立模后须用全站仪进行校核并调整，直至达到精度要求。混凝土浇筑全过程应对特征点进行监测，防止模板和预埋件位移，以便及时做出调整。混凝土浇筑后，浇筑下一节段之前，对本节段塔柱进行复测，验证其平面位置、尺寸等，确认无误后方可进行下一节段的浇筑。表6 主要控制精度指标项 目精 度平面(mm)高程(mm)主塔线形控制测量±5±5劲性骨架施工测量±10±10斜拉索锚固箱套筒定 位 测 量±5±5模版安装测量±10±10锚垫板与管道垂直度小于塔高的1/3000并25mm6 施工测量时段选择（1）施工测量应避开日照的影响施工测量最好在夜间、清晨或阴天进行。这个时间段没有日照，气温变化小，测量时成像清晰稳定、照准准确，可以提高施工测量精度。（2）同一施工项目在较短或较相同的外界条件下完成，避开温度过大的变化给施工测量带来的影响。（3）施工测量在无风或微风的条件下进行，避免大风给施工测量带来的测量误差。7 测量仪器的管理 测量仪器是施工测量的必备设备，作好测量仪器的管理，使之保持良好的状态及精度等级是件重要的事情。为此，制定完善的仪器管理制度，以确保仪器的安全，精度可靠。（1）为施工测量所配置的测量仪器需经计量检定部门检定合格后方可使用。凡是未经检定或有效期超限的仪器不能投入使用；（2）测量仪器必须有专人负责保管，建立仪器档案，加强对仪器维护与保养，使仪器处于良好状态；（3）仪器管理人与仪器使用人要严格执行仪器借用制度，使仪器时时处于受控状态；（4）测量人员必须熟悉仪器性能并严格遵守仪器操作规程，避免人为造成仪器损伤；（5）仪器使用人要严格执行规范、规程的要求，定期对仪器进行检定或调校，发现仪器偏差超限时，应及时送有关部门进行检定和维修，防止不合格仪器对施工测量精度造成影响。8 结束语 清河斜拉桥自2004年5月开工，至2005年11月竣工,经过设计、施工、测量、监理等各方人员的共同努力，我国第一座小曲率、非对称结构独塔斜拉桥跨立于清河河畔，与奥运村遥相呼应，为北京城市增添一幅靓丽风景性建筑。 张凤翊（1957-），男，汉，北京人，测量技师，主要从事市政工程测量工作。电话：13520203014email：xwd_2004