李洪超 聂松广 师军良

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

大型公铁两用桥的变形监测方案研究

李洪超 聂松广 师军良

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

公铁两用桥中公路和铁路共用同一桥位，其载荷大、跨度大、受力复杂，要保证桥梁安全运行需对桥体变形进行监测及预报。本文以某大型公铁两用桥为例对变形监测基准网的布设、桥梁平面位移、桥面挠度、桥墩沉降、垂直度和伸缩缝宽度的监测方案进行了研究，可为其它公铁两用桥的变形监测工作提供借鉴。

公路；铁路；公铁两用桥；变形监测；方案

1 引言

目前，我国公路、铁路均处在快速发展阶段，特别是高速铁路技术已经成为中国制造走向世界的名片。我国地域广袤、河流湖泊较多，当公路、铁路建设遇到河流湖泊时，桥梁是跨越河流湖泊障碍的最佳选择。桥梁建设须考虑船舶航行、河流冲刷引起的河床变迁、河床的地质情况等因素，因此，在建设桥梁时可选择的桥位比较有限［1］。公铁两用桥由于能使公路和铁路共用桥位而在工程建设中备受推崇。与分别建设公路桥和铁路桥相比，公铁两用桥不仅能充分合理地利用土地、河流湖泊等资源的自然空间，而且能够大大节省基础建设的材料及施工费，具有良好的环保性、节能性、可持续发展性等科学发展观的要求［2］。

公铁两用桥的设计寿命一般都大于100年，变形监测是保证公铁两用桥的安全运行必不可少的工作。许多学者进行了相关研究，孙英杰等对郑州黄河公铁两用桥施工控制关键技术进行了研究，采用板梁索相结合的空间计算模型，使控制计算与施工过程更加吻合［3］。秦顺全等对武汉天兴洲公铁两用长江大桥结构体系、主桁结构、基础选型和基础施工等关键技术进行了研究［4］。丁幼亮等对公铁两用斜拉桥的竖向挠度的长期变化特点，分析了竖向挠度与温度、列车载荷、汽车载荷的相关性［5］。吕龙等分别分析了列车在制动和运行情况下大跨度公铁两用斜拉桥的纵向振动特点［6］。以上研究大多是针对公铁两用桥的关键技术及局部变形监测进行了研究，引起大型公铁两用桥变形的因素较多、变化特点复杂，因此有必要对对整体变形监测分析方案进行探讨。文章结合某具体公铁两用桥 （大桥为单塔单索面部分斜拉桥结构，长700多米，上层为公路，下层为铁路）研究了大型公铁两用桥整体变形监测方案，以期为相关工程建设及研究提供借鉴。

2 基准网布设

2.1 平面基准网布设

平面基准网是大桥进行水平位移监测的基础。理论上2个平面控制点就可以确定大桥水平位移监测的基准，为了防止基准网中部分控制点的破坏而无法恢复平面基准网以及为了大桥水平位移监测的方便，实际中往往建立3个以上平面控制点组成的平面基准网。经实地调研、踏勘，大桥共布设平面基准网点8个，以满足水平位移监测的需要，平面基准点分布如图1所示。

图1 平面基准网点位分布图

图中，YZ01、YZ02是桥梁施工独立坐标系下的已知基准点，XJ01、XJ02、XJ03、XJ04、XJ05、XJ06是新建变形监测基准点。平面基准网采用GPS静态测量的方法按照城市三等的精度要求施测。其主要技术要求为各基准点设站至少2次，每个时段长度不小于90分钟，观测有效卫星数不少于6颗，卫星高度角大于15°，网中与各点连接的基线边不少于3条。静态数据采集完成后，对GPS数据进行基线解算和网平差计算处理，计算完成以后，其主要的精度结果为重复基线最大较差为13.9mm，限差为±29.7mm；最大同步环分量闭合差为：28.2mm，分量限差为±36.6mm；异步环分量闭合差最大为28.8mm，限差为±36.6mm；三维无约束平差中，基线分量改正最大值为7.7mm，限差为15.1mm，以上指标均满足规范要求。通过重复基线较差、同步环、异步环和三维无约束平差等项目限差的检查，证明平面基准网的GPS基线完全满足城市三等GPS测量规范的要求，基线的实际质量优于规范要求，而且在桥梁施工独立坐标系对GPS控制点进行二维约束平差以后，其精度指标也能够满足大桥变形监测的要求［7］。

计算得到新建6个平面变形监测基准点在桥梁施工独立坐标系下的平面坐标后，利用主桥桥轴线上布设的平面位移点在桥梁施工独立坐标系下的平面坐标，构建新的专门服务于桥梁变形监测的桥轴线独立坐标系。最后将平面基准控制点坐标经过坐标的旋转和平移后得到平面基准控制点在桥轴线独立坐标系下的新坐标值，作为后期桥梁变形监测的平面坐标起算基准。

2.2 高程基准网布设

高程基准网由 11个水准点组成，其中“GCJZ01”、 “GCJZ02”、 “GCJZ03”、 “GCJZ04”为高程基准点， “BM1”、 “BM2”、 “BM3”、“BM4”、 “BM5”、 “BM6”和 “BM7”是位于桥头稳定地段的高程工作基点。高程基准网的点位分布如图2所示。

图2 高程基准网点位分布图

高程基准网采用国家二等水准观测精度进行观测。外业观测完成后，技术指标为：最长视距为47.31m，限差为50.0m；前后视距差最大为1.31m，限差为±1.5m；前后视距累积差最大为4.7m，限差为±6.0m；电子水准仪两次读数之差最大为0.2mm，限差为±0.4mm；所测高差之差最大为0.4mm，限差为±0.6mm；各测段往返高差较差最大为3.12mm，限差为±4.3mm；环闭合差最大为0.45mm，限差为±21.6mm；每千米水准测量的偶然中误差为0.93mm，限差为±1.0mm。观测数据经各项改正后，采用平差软件进行整网严密平差计算，各项精度指标均优于规范要求［8］。

3 桥梁平面位移监测

大桥共布设平面位移监测点42个，包括主桥桥面平面位移监测点 23个，分别命名为ZQM01～ZQM23。匝道桥面平面位移监测点18个，分别命名为ZDM01～ZDM18。主塔平面位移监测点1个，命名为ZTM01。部分平面位移监测点位置如图3所示。

图3 部分平面位移监测点位置分布图

使用1″级测量机器人对42个平面位移监测点按照建筑变形观测二级精度进行观测。采用全站仪自由测站边角交会网的外业数据采集方法进行数据采集。外业数据采集的各项误差如下：2C互差最大值为4.5秒，限差为9.0秒；水平方向观测6测回，测回间方向值较差最大值为3.1秒，限差为±5.0秒；半测回归零差最大值为 1.9秒，限差为±5.0秒；每测站天顶距观测6测回，指标差互差最大值为2.7秒，限差为±5.0秒，测回间天顶距较差最大值为1.3秒，限差为±5.0秒，各项限差均符合规范要求［9］。采用测量平差处理软件在桥轴线独立坐标系进行数据处理，得到平面位移监测点在桥轴线独立坐标系的平面坐标，作为桥梁变形监测的首期坐标。

4 桥面挠度及桥墩沉降监测

桥面挠度点和桥墩沉降点分布于大桥两侧人行道路沿上，为不锈钢钢钉。桥面挠度点点号上游方向为奇数，下游方向为偶数，共计 64点。挠度点以监测主桥上层桥面挠度变化为主，根据目前引桥两侧在进行深基坑施工情况，兼顾A、B、C、D匝道及引桥的挠度变形，故点位布设以主桥按1/4跨距布设原则，共计布设挠度点34个，点名为 “QSN15”~“QSN48”；引桥、C和D匝道按每跨跨中位置布设于匝道内侧，A和B匝道现在未建成，导致 “QSN49”～“QSN54”共6个挠度点未测。暂计划按每匝道3个点布测，联中及联两端位置 （根据实际建成情况而定）共布设挠度点 30个，点名为 “QSN01”～“QSN14”和 “QSN55”～“QSN64”。部分挠度点位位置如图4所示。

图4 部分挠度点位置分布图

为监测桥台、桥墩的沉降，在大桥每个桥墩墩底上部1～2m的位置布设1个沉降观测点，索塔上沉降点布设在高于桥面约0.5m的位置。大桥共布设沉降点 37个，分别命名为 CJD01～CJD37，部分沉降点位置如图5所示。

图5 部分沉降点位置分布图

为了确保变形观测的连续性和准确性，桥面挠度点和桥墩沉降点的观测在夜间隔断交通的条件下进行。外业观测采用电子水准仪配条形码铟瓦尺，按 《建筑变形测量规范》二级水准精度要求进行。所有外业数据经检核合格后，采用平差软件进行内业数据处理。

5 垂直度监测

为监测大桥引桥和匝道超过15m高的墩柱的垂直度变化，需要布设垂直度观测点，C匝道的CP0、CP1、CP2、CP3、CP4墩柱，D匝道的DP4、DP5、DP6，DP7、DP8、DP9橔柱，引桥的YP6墩柱和主桥的ZP3墩柱共12个墩柱。在超过15m的每个墩柱的顺桥向和横桥向方向的墩顶与墩底位置均布设观测点，即每个墩柱为四个观测点，分别为顺桥向上、顺桥向下、横桥向上、横桥向下。对各垂直度观测点进行多期观测即可获取墩柱各位置的垂直度变化情况。

6 伸缩缝宽度量测

大桥伸缩缝包括主桥两端的模数式伸缩缝以及匝道上安装的异型钢单缝式伸缩缝，模数式伸缩缝共4道，其中主桥与南北引桥相接处各1道，主桥和C、D匝道相接处各1道。异型钢单缝式伸缩缝有4道，分别为C、D匝道的二联交接处及桥跨与桥台接接处。

对于模数式伸缩缝除对伸缩缝的总宽变化进行监测外，还需要对伸缩缝每个中梁间的小缝宽度变化进行监测，大桥的模数式伸缩缝有5道小缝。伸缩缝的变形监测方法为在每道伸缩缝的两侧靠人行道处伸缩缝的顺桥向两侧分别设置两个带十字丝的测标，每次量测两测标十字丝之间的宽度即为伸缩缝总宽度，对于中梁间的小缝以两测标十字丝之间的连线为基线分别量测其宽度。需要设立的测标数量模数式伸缩缝为16个，异型钢单缝式伸缩缝设置测标数量为16个。观测缝宽数量模数式伸缩缝为28个，异型钢单缝式伸缩缝为8个。

采用专门钢尺对北引桥与主桥边跨连接处缝进行量测。每条伸缩缝测量3次，读数取位至0. 1mm，取3次量测的平均值作为伸缩缝量距观测值，并将首期观测成果作为伸缩缝宽度初始值，后续相同位置完成的量测结果与之对比，从而获取伸缩缝宽度的变化量。

7 结语

目前，国内外已建成跨度大于300m的公铁两用桥20余座，公铁两用桥正朝着大跨度、新工艺、新材料等方向发展，公铁两用桥的变形监测工作也需要由电算化向智能化转变。文章结合实例研究了大型公铁两用桥的整体变形监测方案，分析了监测点的布设及监测方法，对于同类型的工程实践具有一定的指导和借鉴意义。

［1］许兆军，侯文葳，张玉玲.公铁两用桥在我国的应用前景［J］.铁道建筑，2000（12）:16-19.

［2］雷俊卿，黄祖慰，桂成中，等.公铁两用大桥现状与可持续发展趋势分析 ［J］.钢结构，2016，31（11）:1-4.

［3］孙英杰，肖海珠，徐伟.郑州黄河公铁两用桥施工控制关键技术研究 ［J］.桥梁建设，2011（2）:5-8.

［4］秦顺全，高宗余，潘东发.武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究 ［J］.桥梁建设，2007（1）：1-4.

［5］丁幼亮，卞宇，赵瀚玮，等.公铁两用斜拉桥竖向挠度的长期监测与分析 ［J］.铁道科学与工程学报，2017，14（2）：271-277.

［6］吕龙，李建中.列车制动和运行下大跨度公铁两用斜拉桥纵向振动分析 ［J］.铁道学报，2017，39（3）：90-95.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.卫星定位城市测量技术规范：CJJ/T73-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［8］全国地理信息标准化技术委员会.国家一、二等水准测量规范：GB/T 12897-2006［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［9］中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑变形测量规范：JGJ 8-2016［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

Scheme of Deformation Monitoring of Large-Scale Highway-Railway Bridge

LI Hong-chao NIE Song-guang SHI Jun-liang

The same bridge position is shared between the highway and the railway in large-scale highway-railway bridge.The load is large,the span is large and the force is complicated.So,to ensure the safe operation of the bridge,it is necessary to monitor and forecast the deformation of the bridge.In this article, a large-scale highway-railway bridge is used as an example to study the layout of the deformation monitorng base network,the monitoring of the plane displacement of the bridge,the monitoring of the bridge delection,the monitoring of the bridge pier settlement,the verticality monitoring and the width measurement of the expansion joints.The scheme can provide reference for the deformation monitoring work of other highway-railway bridge.

highway,railway,highway-railway bridge,deformation monitoring,scheme

U446.2

A

1008-3812（2017）02-001-03

2017-03-20

2015年度黄河水利职业技术学院校内课题 （2015KXJS007）。

李洪超 （1985— ），男，河南永城人，助教。研究方向：卫星重力学、海平面变化及工程测量等。