三维坐标法在江阴长江公路大桥南塔TRANBBS施工测量控制中的应用
倪剑峰
【江苏省长江公路大桥建设指挥部 南京 210004】
吴栋材
【武汉测绘科技大学 武汉 430072】
摘 要：本文简要介绍了在江阴长江公路大桥南塔的施工测量中，应用全站仪及三维坐标法进行施工放样的作业方法，及时满足了塔柱、横梁、支撑等施工的需要，具有较高的放样精度和明显的作业效率。
关键词：桥塔 三维坐标法 施工测量 应用
1 工程概况
江阴长江公路大桥位于江苏省东部江阴市与靖江市之间，是一座跨越长江的钢悬索桥，主跨1385m。为目前中国第一、世界第四大跨度桥梁，大桥按六车道高速公路标准TRANBBS设计，桥下通航净高50m，可通过5万t级巴拿马散装货船。?
南北桥塔是由两根钢筋混凝土结构的空心柱和三道横系梁组成框架式塔架。塔柱在纵、横桥向分别为变宽和等宽度，截面为六边形，南北桥塔顶标高192.846m，在横桥向上下游两塔柱按斜度1/50对称内倾；在顺桥向向墩中线方向对称内倾，每道横梁为双室箱形断面，梁高11m。?
设计对索塔提出了高标准，其中倾斜度为H/3000(H为塔高)，轴线点偏差±20mm，其它尺寸＜1/1000。因此，塔柱施工测量成为整个大桥施工测量控制的重点和难点，这高于JTJ071-94《公路工程质量检验评定标准》中的有关要求。
面对如此高的TRANBBS技术要求，要在仅20个月的工期内完成，必将造成立体交叉作业，确实给施工中的测量控制带来一定困难(如图1所示)，在充分研究了大桥控制网、南岸地形、塔的“爬模”施工工艺及对“三维坐标法”的精度估算的基础上，决定放弃国内目前超高大桥传统的“天顶法”，而是采用“三维坐标法”进行测量控制，从根本上避免了“天顶法”测量人员和仪器在塔下作业易受坠物伤害的缺点。
2 三维坐标法的基本原理与实施
随着现代测量仪器的更新与进步，特别是集测角、测距、记录、计算等功能为一体的全站型电子速测仪的应用，对传统的测量方案、方法起了变革作用，在大型建筑物的施工放样中，也不例外地显示其优点。它不仅可以克服施工干扰给测量工作带来的困难，还可以提高放样的精度，更重要的是减轻测量人员的劳动强度，提高工作效率，从而满足快速施工放样的要求。
2.1 原理与精度
如图2所示，0为测站点，P为放样点。全站仪安置在0点，在P点安置反射镜，仪器测定P点相对测站点的斜距D、天顶距Z和水平方向值α。则P点相对测站点的三维坐标为：?
X=D·sinZ·cosα?
Y=D·sinZ·sinα?
H=D·cosZ
实际上，由于全站仪的前述性能，上述计算工作由仪器自动完成，并立即在显示屏上显示其相应的坐标(也可自动记录在电子手薄内)。由于其计算工作由仪器的计算程序在现场自动完成，因而杜绝了人工计算出错的机会，同时提高了速度。?
按照测量理论，从上述计算式可求得三维坐标法放样精度为：
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
根据有关文献的理论分析，采用精度为MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站仪，当测站至放样点的距离小于280m时，Mx、MY、MH的精度可高于±5mm。?
为了验证上述理论分析，探讨实际可能达到的精度，在实施放样之前和放样过程中，对放样点的测量精度进行了试验和检测，在测站至放样点约90～120m时，求得放样点的平面位置精度MP±2mm；同时对放样点高程的实测精度也进行了检测。根据与等级水准测量精度的高差进行比较，在高差约43m时，三维坐标与水准测量的高差互差为2mm。?
前述理论分析和实际检测说明，三维坐标法放样在平面位置和高程方面是能够满足精度要求的。
2.2 三维坐标法的实施
在利用三维坐标法放样塔柱各节段时，通常是直接测定该段截面相应轮廓点的平面坐标。有些情况下，例如横梁各点、塔柱变截面段与塔冠，以及某些预埋件位置，除了测定轮廓点的平面坐标之外，还需同时测定其高程。为此在放样之前应结合施工场地条件、施工进度，按事先拟定的测量方案，以桥梁施工控制网为依据，加密放样测站点。在选择测站点位置时，除了保证满足放样精度要求之外，还应考虑通视条件、放样方便和数据准备时计算简单等因素。?
按照上述原则，在南塔柱施工中，尽量利用地形，选择了在岸侧沿桥轴线布置加密站点的方案，并先后进行了5次加密，其布置示意图如图1所示。加密观测方案采用边长交会、边角交会、边角网等形成，最后用严密平差软件进行平差，加密点精度列于表1。与此同时，采用几何水准方法测量高程。从表1可以看出，测站点具有很高的精度，完全可以满足放样的精度要求。
单位：mm 表1
点 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
上述测站点的布置，完全满足了施工的要求。从点位布置还可以看出，这些点位基本上远离塔施工的安全禁区，确保了仪器和人身的安全，避免了施工干扰。?
在现场进行放样时，按照三维坐标法的原理，其测量放样方案如图3所示。一般是在一个测站上，以桥轴线方向为基准，以固定点为后视方向进行定向，依次在塔柱轮廓点1-4、7-10等角点处立镜，在测站上架设全站仪，照准相应轮廓点处的反射棱镜，仪器立即显示出各点的三维坐标。
在塔柱每节段放线前，先在劲性骨架上焊接固定轮廓点、线的专用角钢或铁板，通过施测坐标，再调整立镜点位置，放出立模控制点线。
在一般情况下，1～4、7～10各点能直接测量坐标。个别情况下因爬架、脚手架等杆件影响通视时，可通过棱镜杆的长度调整，或在局部范围内进行偏距测量等方法解决各点的通视问题。
3 结束语
施工测量的实践表明，由于利用了较先进的测量仪器(全站仪)，采取了上述测量作业方法，一个5～6人的测量组，不仅及时满足了塔柱、横梁、支撑等施工的需要，而且还完成了塔吊、电梯等附属设备的调校工作，体现三维坐标法具有明显的作业效率。
倪剑峰
【江苏省长江公路大桥建设指挥部 南京 210004】
吴栋材
【武汉测绘科技大学 武汉 430072】
摘 要：本文简要介绍了在江阴长江公路大桥南塔的施工测量中，应用全站仪及三维坐标法进行施工放样的作业方法，及时满足了塔柱、横梁、支撑等施工的需要，具有较高的放样精度和明显的作业效率。
关键词：桥塔 三维坐标法 施工测量 应用
1 工程概况
江阴长江公路大桥位于江苏省东部江阴市与靖江市之间，是一座跨越长江的钢悬索桥，主跨1385m。为目前中国第一、世界第四大跨度桥梁，大桥按六车道高速公路标准TRANBBS设计，桥下通航净高50m，可通过5万t级巴拿马散装货船。?
南北桥塔是由两根钢筋混凝土结构的空心柱和三道横系梁组成框架式塔架。塔柱在纵、横桥向分别为变宽和等宽度，截面为六边形，南北桥塔顶标高192.846m，在横桥向上下游两塔柱按斜度1/50对称内倾；在顺桥向向墩中线方向对称内倾，每道横梁为双室箱形断面，梁高11m。?
设计对索塔提出了高标准，其中倾斜度为H/3000(H为塔高)，轴线点偏差±20mm，其它尺寸＜1/1000。因此，塔柱施工测量成为整个大桥施工测量控制的重点和难点，这高于JTJ071-94《公路工程质量检验评定标准》中的有关要求。
面对如此高的TRANBBS技术要求，要在仅20个月的工期内完成，必将造成立体交叉作业，确实给施工中的测量控制带来一定困难(如图1所示)，在充分研究了大桥控制网、南岸地形、塔的“爬模”施工工艺及对“三维坐标法”的精度估算的基础上，决定放弃国内目前超高大桥传统的“天顶法”，而是采用“三维坐标法”进行测量控制，从根本上避免了“天顶法”测量人员和仪器在塔下作业易受坠物伤害的缺点。
2 三维坐标法的基本原理与实施
随着现代测量仪器的更新与进步，特别是集测角、测距、记录、计算等功能为一体的全站型电子速测仪的应用，对传统的测量方案、方法起了变革作用，在大型建筑物的施工放样中，也不例外地显示其优点。它不仅可以克服施工干扰给测量工作带来的困难，还可以提高放样的精度，更重要的是减轻测量人员的劳动强度，提高工作效率，从而满足快速施工放样的要求。
2.1 原理与精度
如图2所示，0为测站点，P为放样点。全站仪安置在0点，在P点安置反射镜，仪器测定P点相对测站点的斜距D、天顶距Z和水平方向值α。则P点相对测站点的三维坐标为：?
X=D·sinZ·cosα?
Y=D·sinZ·sinα?
H=D·cosZ
实际上，由于全站仪的前述性能，上述计算工作由仪器自动完成，并立即在显示屏上显示其相应的坐标(也可自动记录在电子手薄内)。由于其计算工作由仪器的计算程序在现场自动完成，因而杜绝了人工计算出错的机会，同时提高了速度。?
按照测量理论，从上述计算式可求得三维坐标法放样精度为：
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
根据有关文献的理论分析，采用精度为MZ=Mα=3″、MD=3+3ppm的全站仪，当测站至放样点的距离小于280m时，Mx、MY、MH的精度可高于±5mm。?
为了验证上述理论分析，探讨实际可能达到的精度，在实施放样之前和放样过程中，对放样点的测量精度进行了试验和检测，在测站至放样点约90～120m时，求得放样点的平面位置精度MP±2mm；同时对放样点高程的实测精度也进行了检测。根据与等级水准测量精度的高差进行比较，在高差约43m时，三维坐标与水准测量的高差互差为2mm。?
前述理论分析和实际检测说明，三维坐标法放样在平面位置和高程方面是能够满足精度要求的。
2.2 三维坐标法的实施
在利用三维坐标法放样塔柱各节段时，通常是直接测定该段截面相应轮廓点的平面坐标。有些情况下，例如横梁各点、塔柱变截面段与塔冠，以及某些预埋件位置，除了测定轮廓点的平面坐标之外，还需同时测定其高程。为此在放样之前应结合施工场地条件、施工进度，按事先拟定的测量方案，以桥梁施工控制网为依据，加密放样测站点。在选择测站点位置时，除了保证满足放样精度要求之外，还应考虑通视条件、放样方便和数据准备时计算简单等因素。?
按照上述原则，在南塔柱施工中，尽量利用地形，选择了在岸侧沿桥轴线布置加密站点的方案，并先后进行了5次加密，其布置示意图如图1所示。加密观测方案采用边长交会、边角交会、边角网等形成，最后用严密平差软件进行平差，加密点精度列于表1。与此同时，采用几何水准方法测量高程。从表1可以看出，测站点具有很高的精度，完全可以满足放样的精度要求。
单位：mm 表1
点 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
上述测站点的布置，完全满足了施工的要求。从点位布置还可以看出，这些点位基本上远离塔施工的安全禁区，确保了仪器和人身的安全，避免了施工干扰。?
在现场进行放样时，按照三维坐标法的原理，其测量放样方案如图3所示。一般是在一个测站上，以桥轴线方向为基准，以固定点为后视方向进行定向，依次在塔柱轮廓点1-4、7-10等角点处立镜，在测站上架设全站仪，照准相应轮廓点处的反射棱镜，仪器立即显示出各点的三维坐标。
在塔柱每节段放线前，先在劲性骨架上焊接固定轮廓点、线的专用角钢或铁板，通过施测坐标，再调整立镜点位置，放出立模控制点线。
在一般情况下，1～4、7～10各点能直接测量坐标。个别情况下因爬架、脚手架等杆件影响通视时，可通过棱镜杆的长度调整，或在局部范围内进行偏距测量等方法解决各点的通视问题。
3 结束语
施工测量的实践表明，由于利用了较先进的测量仪器(全站仪)，采取了上述测量作业方法，一个5～6人的测量组，不仅及时满足了塔柱、横梁、支撑等施工的需要，而且还完成了塔吊、电梯等附属设备的调校工作，体现三维坐标法具有明显的作业效率。
