某大纵坡高墩桥梁桥墩施工纠偏的垂直度测量方法分析

邹进波

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

近几年，中国在桥梁工程方面的成绩斐然，各类大型、特大型、世界一流的桥梁层出不穷。由于受地形因素的制约，梁桥在设计中经常出现高墩、大纵坡等结构形式。由于车辆荷载、温度、工艺不完善等因素，导致了桥墩的偏移[1]。为了保证桥面的安全，必须对在纵向方向上不满足规范要求的桥墩进行校正，其中包括对桥墩的垂直度进行检测[2]。该文以一座高墩大纵坡梁桥为研究对象，采用两种不同的测量方法，对其进行了桥墩垂直度测量，以保证其在纠偏过程和纠偏结束后桥梁结构的整体安全。

1 桥梁测量技术及施工测量理论

桥梁工程测量是在工程规划设计、施工阶段、运营维护等环节中进行的测量工作。随着科学技术的发展，桥梁施工技术的不断完善，对桥梁工程建造水平的提升起到了积极的推动作用[3]。桥梁的控制性测量是桥梁工程测量的基本依据和标准，根据测量阶段、测量目的和作用，可将桥梁测量控制网分为基准控制网、施工控制网、运行维护网。为了确保控制网的测量结果能达到勘测设计、施工、运营维护的要求，这3个阶段的平面高程控制测量必须采用统一的规范标准，实现“三网合一”。桥梁测量控制网也叫桥位控制网，通常是在项目初期设置的，在测量阶段，应按要求对其进行复核测量。

桥梁施工测量是桥梁工程测量中的一个重要环节，是桥梁施工阶段必不可少的基础性工作。施工测量的工作是根据工程设计图纸的要求，在现场对建筑物的位置、形状尺寸等进行放样测量，包括对施工质量进行复核，指导和协调项目的顺利建设[4]。桥梁工程测量通常包含了工程放样和工程完工验收。现代桥梁向大跨、高墩高塔、大型构件的工厂化生产方向发展，施工工艺更复杂，施工精度要求更高，这些都对施工测量的精度要求有了进一步的提高。

常见桥梁工程的测量方法分为3类：1）传统的大地测量技术。目前，全站仪、电子水准仪的应用，主要突出在自动跟踪、无棱镜等新技术角度。由于全站仪精度和自动化水平的提高，传统的经纬仪和光学水准仪的测量手段已经被淘汰；2）卫星定位测量技术。GPS相对静态定位技术已被广泛应用于桥梁建设中，特别是超大型、长距离跨海大桥的建设。RTK法主要应用于海洋大桥桩基础的施工定位，而采用相对静态定位法进行施工加密网的测量和桥墩的平面位置的准确测量；3）其他专门的测量技术，例如利用电子倾斜仪等专门的仪器进行桥墩垂直度的测量[5]。总之，全站仪和电子水准仪技术依然是桥梁工程建设的重要测量手段，GPS相对静态测量和RTK测量技术已经被大量应用于大型跨江跨海桥梁建设。可以预见，以智能全站仪、GNSS、激光为基础，采用遥测、遥控、通信等技术结合的高精度空间放样测设技术，将成为今后桥梁工程测量的主要技术。

2 工程概况

某大桥工程项目是一座于2015年完工的高速公路大桥，全长366 m，其跨径组合为（4×30+3×30+5×30）m。该桥梁共两幅，其中单幅桥梁的宽度为12 m，桥面宽度为2*11 m。双幅桥的整体宽度为：0.5 m（防撞栏杆）+11 m（行车道）+0.5 m（防撞栏杆）+0.5 m（防撞栏杆）+11 m（行车道）+0.5 m（栏杆）。

通过对该桥的定期检查，发现右桥墩1#、2#墩在斜坡方向有25.3～25.5 m的偏移；R7墩1#、2#柱各有24.0 cm、24.3 cm的偏移。这将导致T梁上部结构失稳，需要对其进行及时的纠偏和复位。

3 桥墩垂直度规范要求及测量

3.1 桥墩垂直度规范要求

桥墩是桥梁的主要承载结构件，在承受荷载时，会向桩基结构传递荷载，其质量的优劣直接影响桥梁的整体运行。桥墩的竖直度直接关系到桥梁结构的稳定性与承载力，也直接影响到桥梁结构的内力、线形、结构安全和行驶舒适性。《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1—2017）中对桥墩的垂直度进行了相应的规范，具体内容见表1；桥墩垂直度示意图参见图1，H、Δx分别表示桥墩的桥墩高度和垂直度。

表1 桥墩垂直度检验标准

图1 桥墩垂直度示意图

3.2 桥墩垂直度测量

针对现场实际情况，对R4、R7墩墩柱的垂直度进行了不同方式的测量，R4墩墩柱采用圆柱切线法，R7墩墩柱采用圆柱三点法。

3.2.1 圆柱切线法测量方法及原理

（1）测量操作步骤：先在已知的点位设站、确定方向，然后利用全站仪的偏心测量软件，对墩柱的两边切线和两切线的平分线进行测量，再调用仪器计算程序求解出墩柱底面、顶截面的圆心坐标值[6]。

（2）切线测量的原理：详见图2，0是墩柱底部横断面的中心，坐标设为（x0，y0，z0），用R表示圆半径值。

图2 圆柱偏心法示意图

已知a点的坐标值（xa，ya，za），定向点为b，ac，ad为圆柱两侧面的两条切线，∠cad的角平分线为ae，L为平距。e点坐标实测值为（xe，ye，ze），其圆心坐标推导方法如下：

求得圆心坐标为：

利用相同的计算理论方法，可求出墩柱顶截面的圆心坐标值O1（x1，y1，z1），则墩柱的垂直度i计算方式如下：

见表2、表3，为R4、R7墩墩柱纠偏过程垂直度测量统计情况。由表2、表3可知，采用全站仪切线测量方法，纠偏完成后，其垂直度满足规范及安全运营要求。

表2 R4墩墩柱纠偏过程垂直度测量统计情况

表3 R7墩墩柱纠偏过程垂直度测量统计情况

3.2.2 圆柱三点测量方法及原理

相对于偏心测量法而言，圆柱三点测量法对桥墩所处的地形环境要求较低[7-8]。任取圆柱表面上3个点a1、a2、a3，测量出其坐标a1（x1，y1，z1）、a2（x2，y2，z2）、a3（x3，y3，z3），代入方程（x-m）2+（y-n）2=r2，通过求解方程取得半径r，圆心坐标（m，n），方程式如下：

采用同样的方法求出底和顶截面圆心坐标分别为，0底（m0，n0，z0）、0顶（m1，n1，z），则墩柱垂直度（i）计算如下：

由于现场实测环境的原因，R7桥墩在纠偏时采用圆柱三点方法进行测量，在校正完毕后，垂直度达到设计规范和桥梁的安全运行要求。

4 结论

综上所述，该文提出了两种不同的圆桥墩垂直度的测量方法，并结合两种测量方法的特点，对不同地形条件下的桥墩进行了垂直度的纠偏控制测量[9-10]。这两种测量方法只适用于圆柱形的桥墩，以后还需要进一步的研究，如箱体等非圆柱体的垂直度。此外，在实际测量中，采用这两种方法进行桥墩纠偏时，由于数据处理耗时太多，导致测量速度不能达到工程进度的要求，建议进一步开发和编写有关的计算软件，以便对测量资料进行快速的处理。