三維坐標法在江陰長江公路大橋南塔TRANBBS施工測量控制中的應用
倪劍峰
【江蘇省長江公路大橋建設指揮部 南京 210004】
吳棟材
【武漢測繪科技大學 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，應用全站儀及三維坐標法進行施工放樣的作業方法，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效率。
關鍵詞：橋塔 三維坐標法 施工測量 應用
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準TRANBBS設計，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構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，南北橋塔頂標高192.846m，在橫橋向上下游兩塔柱按斜度1/50對稱內傾；在順橋向向墩中線方向對稱內傾，每道橫梁為雙室箱形斷面，梁高11m。?
設計對索塔提出了高標準，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《公路工程質量檢驗評定標準》中的有關要求。
面對如此高的TRANBBS技術要求，要在僅20個月的工期內完成，必將造成立體交叉作業，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、南岸地形、塔的“爬模”施工工藝及對“三維坐標法”的精度估算的基礎上，決定放棄國內目前超高大橋傳統的“天頂法”，而是采用“三維坐標法”進行測量控制，從根本上避免了“天頂法”測量人員和儀器在塔下作業易受墜物傷害的缺點。
2 三維坐標法的基本原理與實施
隨著現代測量儀器的更新與進步，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用，對傳統的測量方案、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的坐標(也可自動記錄在電子手薄內)。由于其計算工作由儀器的計算程序在現場自動完成，因而杜絕了人工計算出錯的機會，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
根據有關文獻的理論分析，采用精度為MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站儀，當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行了檢測。根據與等級水準測量精度的高差進行比較，在高差約43m時，三維坐標與水準測量的高差互差為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 三維坐標法的實施
在利用三維坐標法放樣塔柱各節段時，通常是直接測定該段截面相應輪廓點的平面坐標。有些情況下，例如橫梁各點、塔柱變截面段與塔冠，以及某些預埋件位置，除了測定輪廓點的平面坐標之外，還需同時測定其高程。為此在放樣之前應結合施工場地條件、施工進度，按事先擬定的測量方案，以橋梁施工控制網為依據，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，還應考慮通視條件、放樣方便和數據準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，選擇了在岸側沿橋軸線布置加密站點的方案，并先后進行了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、邊角網等形成，最后用嚴密平差軟件進行平差，加密點精度列于表1。與此同時，采用幾何水準方法測量高程。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，這些點位基本上遠離塔施工的安全禁區，確保了儀器和人身的安全，避免了施工干擾。?
在現場進行放樣時，按照三維坐標法的原理，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，以固定點為后視方向進行定向，依次在塔柱輪廓點1-4、7-10等角點處立鏡，在測站上架設全站儀，照準相應輪廓點處的反射棱鏡，儀器立即顯示出各點的三維坐標。
在塔柱每節段放線前，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，再調整立鏡點位置，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。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整，或在局部范圍內進行偏距測量等方法解決各點的通視問題。
3 結束語
施工測量的實踐表明，由于利用了較先進的測量儀器(全站儀)，采取了上述測量作業方法，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、電梯等附屬設備的調校工作，體現三維坐標法具有明顯的作業效率。
倪劍峰
【江蘇省長江公路大橋建設指揮部 南京 210004】
吳棟材
【武漢測繪科技大學 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，應用全站儀及三維坐標法進行施工放樣的作業方法，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效率。
關鍵詞：橋塔 三維坐標法 施工測量 應用
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準TRANBBS設計，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構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，南北橋塔頂標高192.846m，在橫橋向上下游兩塔柱按斜度1/50對稱內傾；在順橋向向墩中線方向對稱內傾，每道橫梁為雙室箱形斷面，梁高11m。?
設計對索塔提出了高標準，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《公路工程質量檢驗評定標準》中的有關要求。
面對如此高的TRANBBS技術要求，要在僅20個月的工期內完成，必將造成立體交叉作業，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、南岸地形、塔的“爬模”施工工藝及對“三維坐標法”的精度估算的基礎上，決定放棄國內目前超高大橋傳統的“天頂法”，而是采用“三維坐標法”進行測量控制，從根本上避免了“天頂法”測量人員和儀器在塔下作業易受墜物傷害的缺點。
2 三維坐標法的基本原理與實施
隨著現代測量儀器的更新與進步，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用，對傳統的測量方案、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的坐標(也可自動記錄在電子手薄內)。由于其計算工作由儀器的計算程序在現場自動完成，因而杜絕了人工計算出錯的機會，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
根據有關文獻的理論分析，采用精度為MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站儀，當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行了檢測。根據與等級水準測量精度的高差進行比較，在高差約43m時，三維坐標與水準測量的高差互差為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 三維坐標法的實施
在利用三維坐標法放樣塔柱各節段時，通常是直接測定該段截面相應輪廓點的平面坐標。有些情況下，例如橫梁各點、塔柱變截面段與塔冠，以及某些預埋件位置，除了測定輪廓點的平面坐標之外，還需同時測定其高程。為此在放樣之前應結合施工場地條件、施工進度，按事先擬定的測量方案，以橋梁施工控制網為依據，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，還應考慮通視條件、放樣方便和數據準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，選擇了在岸側沿橋軸線布置加密站點的方案，并先后進行了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、邊角網等形成，最后用嚴密平差軟件進行平差，加密點精度列于表1。與此同時，采用幾何水準方法測量高程。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，這些點位基本上遠離塔施工的安全禁區，確保了儀器和人身的安全，避免了施工干擾。?
在現場進行放樣時，按照三維坐標法的原理，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，以固定點為后視方向進行定向，依次在塔柱輪廓點1-4、7-10等角點處立鏡，在測站上架設全站儀，照準相應輪廓點處的反射棱鏡，儀器立即顯示出各點的三維坐標。
在塔柱每節段放線前，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，再調整立鏡點位置，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。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整，或在局部范圍內進行偏距測量等方法解決各點的通視問題。
3 結束語
施工測量的實踐表明，由于利用了較先進的測量儀器(全站儀)，采取了上述測量作業方法，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、電梯等附屬設備的調校工作，體現三維坐標法具有明顯的作業效率。
