赵安明，钱华平，姚春才，王 磊

（1.中南勘察设计院（湖北）有限责任公司，湖北 武汉 430071）

武汉长江二桥变形监测及成果分析

赵安明1，钱华平1，姚春才1，王 磊1

（1.中南勘察设计院（湖北）有限责任公司，湖北 武汉 430071）

介绍了武汉长江二桥变形监测的内容、实施过程，对主塔垂直度测量等关键技术与传统测量进行比较分析，说明相关测量工作的有效性、精密性与可靠性。通过对变形监测成果的深入分析与探索，提出了相关有益的结论与建议。

武汉长江二桥；变形监测；主塔垂直度测量；成果分析

为经济建设发展的需要，交通作为我国基础性投资在近20多年中得到迅猛发展，桥梁是公（铁）路建设的重要组成部分，在交通建设中具有举足轻重的作用。城市桥梁具有交通繁忙、通车流量大等特点，对桥梁的维护、保养及维修是桥梁运营管理的重要任务。而变形监测是桥梁维护的重要基础性工作，同时作为桥梁维修的数据支撑和重要依据，对桥梁的运营与管理具有十分重要的意义。

1 武汉长江二桥简介

武汉长江二桥是继武汉长江大桥后在武汉兴建的第二座长江大桥。于1991年动工兴建，至1995年7月建成通车。

该桥是武汉市内环线的重要跨江通道，北起汉口黄浦路，跨越长江至武昌徐东路，全桥总长为4 678 m，其中正桥1 877 m、南引桥861．14 m、北引桥1 939．86 m，主桥为双塔双索面钢筋混凝土斜拉桥，跨径为180 m +400 m +180 m。桥面宽26．5～33．5 m，设6 车道，预计日通车能力5万辆次。目前日通车流量约10万辆次，最高日通车流量达17万辆次（2007年）。

由于长期超负荷运行，造成长江二桥存在各种损耗，武汉长江二桥较大的维修共进行了3次，分别是2003年夏季的桥面黑色化铺装；2006年9月至2007年8月的桥梁结构加固维修；2013年9月至2014年7月的大桥桥面、附属设施及主桥斜拉桥段的维修。

为了大桥运营管理的需要，从 1999年12月开始对全桥进行变形监测[1]，从开始每年进行1次的变形监测（常规检测），到重点部位的变形监测、维修施工监测等，进行了大量的测量工作。为武汉长江二桥的维修决策提供了重要依据，为维修施工监控提供了及时保障，为检验维修设计、验证维修效果提供了重要的数据支持。

2 变形监测的内容

变形监测分正桥变形监测和引桥变形监测两大部分。因大部分引桥（除17#～18#跨过武昌北火车站外）跨度小，其桥墩及桥面变形也较小，本文重点介绍正桥的变形监测情况及成果。

正桥变形监测的内容包括桥面线形测量、桥墩沉降观测、桥面水平位移测量、11#、12#主塔变形监测、施工期变形监测、重点部位变形监测等。

2.1 桥面线形测量

正桥从北起0#桥墩（汉口桥头堡）～16#桥墩（武昌桥头堡），其跨距为62．5 m+5×60 m+60．5 m+83．5 m+ 2×130 m+180 m+400 m+180 m+2×130 m+85．5 m。

全桥桥面共布设线形（沉降）观测点308个，分上、下游两边布置。从0#墩～10#墩共布设线形观测点84个，分别在桥墩、1/4跨、跨中、3/4跨布设，观测点布设在人行道边的侧沿石上；10#墩～13#墩（斜拉桥的主跨与边跨）共布设线形观测点198个，除桥墩、跨中外，在每个斜拉索与桥面的结点处布设线形观测点；13#～16#墩共布设线形观测点84个，分别在桥墩、1/4跨、跨中、3/4跨布设。

2.2 桥墩沉降观测

0#～16#共17个桥墩的沉降观测，除汉口岸0#墩～4#墩、武昌岸15#、16#墩在江滩（陆地）外，其余桥墩均位于长江水流中。测量桥墩的沉降量是通过桥面对应的桥墩观测点的线形测量，采取一些技术措施间接获得的。

2.3 桥面水平位移测量

将桥面线形观测上游（一侧）的观测点兼作位移观测点，共计154个，主要测量桥面的横向位移。

2.4 11#、12#主塔变形监测

武汉长江二桥主塔为“H”型塔柱，塔高153．6 m，每塔24对斜拉索“托”起主跨和边跨箱梁。

主塔垂直于桥轴线方向的中心轴对称面应为垂面，但由于拉索受拉力的不对称造成塔柱的倾斜，需对塔柱进行垂直度（塔偏）测量；由于温度的影响，对主塔进行24 h的跟踪观测，以了解塔柱受光照及温度变化的变形规律及变形值。

2.5 维修施工的变形监测

2006年1 0月开始的箱梁加固维修、2013年的桥面（减荷）、附属设施及斜拉索维修的施工监测是确保大桥安全及维修顺利进行的前提。在2013年的桥面维修中，大部分桥面监测点遭到破坏，更换桥面监测点、衔接监测数据是桥梁后续监测的需要。

2.6 重点部位变形监测

武汉长江二桥9#～10#、13#～14#钢构及17#～18#引桥的跨中沉降量较大、挠度大，是变形监测的重点部位，对其进行较高密度的监测是防止其从量变到质变、确保桥梁运营安全的重要监测工作。

3 变形监测的实施

武汉长江二桥变形监测从1999年12月开始实施，起初为每年观测1次的常规监测，主要监测桥面线形、桥墩沉降及主塔变形等，2006年大桥维修前增加了重点部位监测及施工过程监测等内容。

3.1 水准基点的埋设

武汉长江二桥水准基点于1994年埋设。当时武汉长江二桥建设指挥部采纳复测单位（中南勘察设计院）的建议，要求施工单位在汉口、武昌各埋设1个水准基点。水准基点采用钻孔灌注桩，桩径为武昌1．0 m、汉口1．2 m，桩深46 m，至中风化砾岩。

南北两岸水准基点的联测采用二等跨河水准测量，并在1995年6月大桥贯通后、通车前，通过桥面进行直接二等水准联测，桥面联测与跨江水准构成闭合环，闭合环的闭合差约3 mm。通过施工控制网的高程点将高程（黄海高程系）传递到两岸水准基点上。

3.2 高程控制网测量

汉口岸由基准北、Ⅰ长委、Ⅰ灯东、Ⅰ灯西、Ⅰ海关5点构成北岸水准网，其中基准北为深埋基准点，Ⅰ长委、Ⅰ海关为施工控制网的水准点，Ⅰ灯东、Ⅰ灯西为新埋工作基点。按一等水准测量要求构成北岸闭合环。

武昌岸由基准南、QBM5、QBM7、QBMA共4点构成南岸水准网，其中，基准南为深埋基准点，QBM5、QBM7为施工控制网的水准点，QBMA为新埋工作基点。按一等水准测量要求构成南岸闭合环。

按二等水准测量要求进行跨河水准测量。跨河水准测量采用（改进）“经纬仪倾角法”，以2台TC2003全站仪同时对向观测。另外，为增加视线高（与水面的距离），加测觇牌与测站的距离，允许视线倾斜（仰角小于1°）；后期也采用GPS方法进行跨河水准测量。

一般来说，若深埋基准点足够稳定，以深埋基准点作为固定点，以其他水准点作为工作基点，每次观测时将工作基点的高程进行修正即可作为各观测点的起算点。因此，南北两岸闭合环的观测按一等水准要求进行测量。两岸基准点的跨河水准联测主要考虑基准点的稳定性与可靠性。桥面线形测量以二等水准与基准点连接，以及通过跨河水准测量可构成总闭合环（桥面线形测量自身多个小闭合环）。因此，跨河水准测量按二等跨河要求测量。

3.3 沉降观测

桥墩沉降、桥面线形测量等相关观测点高程测量均按二等水准的要求进行测量。

在测量过程中，为不对交通产生较大的影响，在开放交通的条件下，为了克服车流引起的桥面震动对测量精度的影响，确保变形监测成果的准确性与可靠性，采用的技术措施有：①选用性能良好的自动安平水准仪（前期选用Nioo7水准仪，后期选用DINIO3电子水准仪），在沉降观测前对水准仪及铟钢水准尺进行了全面检验与校正，仪器i角小于8"，水准尺零点差小于0．1 mm。其他各项技术指标符合规范要求，仪器性能良好；②缩短视线长度，一般将视线长度控制在15 m以内；③夜间作业。对于斜拉桥部分必须夜间作业，且需进行多次（2次或以上）测量；④观测时记录环境状况，如观测时的起止时间、气温、车流等情况。车流的计算采用如下办法：在观测时间段内，记录5 min单向通过的车辆数乘以24，得出每小时车流量。斜拉桥段多次测量取平均值时以环境为权重进行平差计算。

由于桥梁观测点多且密度大（正桥观测点308个，引桥观测点452个），不宜将每个观测点都作为水准测量的中转点（测站点太多，增加了误差积累）。观测点作为间视点时造成了前、后视距的不等，通过i角改正的方法消除视准轴与水管准轴不平行性误差，其方法是每天在沉降观测前和观测结束后测定2次仪器i角，2次测量的仪器i角之差小于5"时说明仪器稳定，取i角平均值进行读数改正后再进行高程平差计算，否则应更换仪器重新观测。

由于采取了相应的技术措施，桥面线形测量构成了多重闭合环，观测点相对于起算点都小于1．5 km，最弱观测点的高程中误差一般小于±1．0 mm。

3.4 平面控制网测量

平面控制网由11个基准网点构成，其中，GPS1～GPS4为岸上基准点；C5、C6为原施工控制网控制点；S1、S25、S78、S131、S140为桥面横向水平位移的工作基点，并兼作水平位移观测点。

采用7台双频GPS接收机分时段静态观测，每时段观测2 h以上。共观测独立基线向量29条，构成18个异步环，各项技术指标满足《工程测量规范》及《全球定位系统城市测量技术规范》中的二等作业规定及精度要求。

3.5 桥面水平移观测

以工作基点S1、S25、S78、S131、S140为测站点，采用TC2003全站仪按基准线法测量其他各桥面观测点的位移量。

应注意的是每次观测时应以相同的测站点观测相对应的观测点，以消除起算点的误差对观测点的影响；同时，桥面位移测量的精度主要受测角误差的影响，应提高测角的仪器等级及增加角度测回数。桥面位移最弱点的中误差一般小于±3．0 mm。

3.6 塔顶（摆动）跟踪测量

由于11#、12#主塔受光照、索力的影响，因塔柱南北受热不均匀、索力影响不对称等，对塔柱塔顶进行24 h跟踪监测，了解塔顶变形规律对分析桥梁斜拉索部分受力、桥梁的变形产生的原因与机理有一定的意义，对桥梁的设计验证有一定的作用。

塔顶跟踪监测时间的选定一般应符合下列几个条件：①与索力检测同步进行；②选定在晴天昼夜温差大的日期进行；③最好在夏天进行，但同时也应该在其他季节进行监测比较分析。

以TC2003 全站仪按极坐标法测量塔顶棱镜，每0．5 h观测一次。观测时应注意：①应经常性地整平仪器和检查零方向，避免仪器长时间架设及观测墩受热不均匀引起仪器气泡的偏离和零方向的偏离；②观测时为了获得昼夜的完整资料，一般应多观测2 h。

3.7 塔柱垂直度观测

由于武汉长江二桥11#、12#主塔位于长江中间，无法按常规的经纬仪投点法进行主塔垂直度测量。

前期主塔的垂直度测量采用交会法。交会法因诸多缺陷使得2次观测结果（相差不到一年）差别较大，甚至出现反向的结果。前两次结果精度差，基本不可信。

在分析了交会法的缺陷后采用了免棱镜纵向坐标法测量，较好的解决了主塔垂直度的测量问题 。在原11#、12#主塔垂直度观测中，交会法存在的缺陷有：① 因无法在塔柱顶部及中部边缘安装反射棱镜，交会法只能采用角度交会。而塔柱的角部不是棱角而是圆弧，使得照准困难（不同测站照准的不是一个位置）。②武汉长江二桥的塔柱是上窄下宽，上部、中部、下部交汇点不在一条“垂线”上，而是一条空中折线，必须通过空中三维坐标的计算来求解主塔对称面的垂直度，角度交会时无法确定交汇点的高程，因此垂直度的计算存在较大的误差。③由于平面基准点距离塔柱较远（1 km以上），对测角的精度要求很高；角度观测的检核条件不足，无法判断测量的效果。④交会图形的强度不够，交会角小于30°，当交会角较小时，纵向误差较大，纵向坐标恰是垂直度测量的关键，因此严重影响垂直度的测量精度。而免棱镜坐标法克服了上述缺点，取得了可靠的垂直度测量成果（限于篇幅，以后专文介绍垂直度测量方法和精度）。

3.8 重点部位的变形监测

因9#～10#、13#～14#钢构及17#～18#引桥跨中沉降量较大，挠度最大达34 cm（2006年），因此，对上述3跨应加大密度、重点监测，摸清3跨的变形规律，对桥梁的运营安全及维修决策十分重要。

从2006年1月开始，每月观测1次，持续至2007年10月维修完成，后改为每季度观测1次。

因此，3跨主要测量跨中挠度（每跨除本跨10个观测点外，外延临跨观测4点），测量时以相对稳定的桥墩观测点作为起算点，进行独立闭合二等水准测量。

3.9 维修施工的变形监测

因2006年1月武汉长江二桥9#～10#、13#～14#钢构及17#～18#引桥跨中沉降量较大，挠度最大达34 cm（17#～18#跨度125 m、挠度35 cm，9#～10#跨度130 m、挠度26 cm，13#～14#跨度130 m、挠度28 cm。），市政府决策于2006年9月开始进行结构加固维修。

在维修前，从2006年1月开始，每月对上述三跨进行桥面线形观测1次，持续观测至2007年2月。维修过程中，因2#～3#箱梁上游底部开孔及14#～15#箱梁下游底部开孔（吊入加固材料），在开孔过程中需对局部桥面进行24 h跟踪监测。

2013年9 月开始大桥桥面及附属设施进行维修，维修前对全桥进行了一次测量（线形、桥墩及主塔垂直度），至2014年7月维修完成后再次对全桥进行全面观测；在维修期间，9#～10#、13#～14#钢构及17#～18#引桥等重点部位每月进行1次监测。

由于桥面人行道更换（减荷），大部分观测点遭破坏，为保持观测成果的连续性，需进行观测点的转换测量，在人行道侧沿石上观测点遭破坏前，在侧沿石下的桥面上埋设过渡观测点，同时观测原观测点与过渡点；2个多月后人行道更换完成，重新在人行道侧沿石上焊接观测点（为减荷改为钢板人行道），同时观测过渡点与新观测点。这样，将监测成果进行了无间断连接。

载荷试验的监测：大桥维修完成后，在主跨、边跨及钢构分别加载18辆30吨的车辆测量主跨、边跨及钢构的下挠及卸载时的回弹情况；另需测量加载时和卸载时的主塔偏位情况。

4 变形监测的相关问题及关键技术

对武汉长江二桥长期的多次观测，发现了诸多问题，通过对问题的深入分析研究，使问题得以解决，为特大桥梁的变形监测积累了可供借鉴的经验。

4.1 北岸水准基点的稳定性问题

北岸水准基点的稳定性测量采用如下方式：①通过GPS方法的跨河水准；②通过桥面线形测量的联测；③通过北岸工作基点的联测分析；④通过武昌岸、汉口岸桥墩沉降观测点沉降量的比较分析。

综合上述几种方法的测量及资料分析，北岸基准点从2000年12月至2007年11月北岸水准基点共沉降22．3 mm。

分析其下沉的原因可能有以下几点：①地质问题，该点或许刚好位于地质断层带上。②施工中的质量问题，断桩或桩端残存物未清理（因自重大造成的沉降）。③外力作用。

解决方法是从南岸水准基点统一推算。具体措施：深埋基准点以桩径0．6～0．8 m为宜，并应注重桩端的清理。也可以采用小口径钢管桩组+承台作为水准基点，增强其稳定性（已在其他桥梁监测中得到验证）。

4.2 正桥桥墩沉降观测问题

因正桥大部分桥墩都在长江中，桥墩观测点无法埋设与观测。只能埋设在桥墩对应的桥面，因为受热膨胀的影响，夏天比冬天的点位要高（温度改正达5 mm），桥墩高程点必须考虑温度改正，将各期高程统一到某一固定的温度上（需要指出的是温度应是墩体的温度，而不是气温）。

4.3 主塔垂直度观测问题

前已述及，经纬仪投点法和交会法不适于武汉长江二桥主塔垂直度观测。通过免棱镜全站仪测量空间坐标的办法能较好地解决主塔垂直度测量。

两组治疗前的PAgT、PT、PT‐INR、D‐D差异无统计学意义；治疗后，两组PAgT及D‐D降低，PT及PT‐INR延长，同组治疗前后比较差异均有统计学意义（P＜0.05）；观察组PAgT、PT、PT‐INR均高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05）；两组治疗后D‐D差异无统计学意义。见表1。

其原理是在主塔两边、沿桥轴线方向选定两点作为测站点，测定其距离建立桥轴坐标系。通过测定迎面主塔上、下游塔柱的上部、中部、下部6点的空中坐标，及背面6点的空中坐标。通过两测站点的距离、两面的纵坐标及塔柱的设计宽度作为检核条件，可判断测量的质量和精度。

通过计算，求出主塔的横向轴对称面，从而确定主塔的垂直度。实际测量中，为提高精度和增加检核条件，在桥面两边布设4个测站点。

4.4 17#～18#引桥线形测量问题

在2006年1月至2007年1月每月1次的线形（沉降）测量中，从1月到7月17#～18#引桥跨中随温度的上升而上升。跨中相对于桥墩观测点最大累计上升19．14 mm，从7月到1月则以较大的量值下沉（半年下沉31．02 mm），即17#～18#引桥跨中呈螺旋式下沉（上升—较快地下沉—再上升）。通过维修中的巡视发现是17#墩、18#墩支座法兰盘失效引起的现象。并于2008年6月更换了桥墩支座，上述现象消失。由此可见监测的数据精度与可靠性对桥梁变形监测的重要性。

5 变形监测成果分析

武汉长江二桥多年的变形监测中，对不同部位的测量次数也不相同。

5.1 桥墩沉降

多年来，武昌岸引桥桥墩最大累计沉降量9．39 mm，最小累计沉降量3．84 mm；汉口岸引桥桥墩最大沉降量12．04 mm，最小沉降量4．67 mm；正桥桥墩最大沉降量11．3 mm，最小沉降量3．4 mm，说明桥墩沉降量较小。

5.2 正桥桥面线形

正桥桥面沉降比较复杂，1#～9#墩对应的桥面其跨中最大沉降（相对于桥墩观测点）45．8 mm，最小沉降16．6 mm，9#～10#跨中沉降227．4 mm，10#～11#最大上升150．6 mm（边跨17#索），主跨11#～12#跨中沉降214．5 mm，12#～13#最大上升155．7 mm（边跨17#索），13#～14#跨中沉降242．1 mm，14#～15#跨中上升8．2 mm，15#～16#跨中沉降40．6 mm。

10#～13#墩对应的是斜拉桥部分的主跨与边跨，9#～10#、13#～14#为斜拉桥外延的钢构，其跨距为130 m+180 m+400 m+180 m+130 m，呈对称结构。其变形量较大，桥面的变形也呈对称形状。

5.3 主塔垂直度

主塔与桥轴线方向垂直的对称面应该是垂直面，但由于受斜拉索拉力及桥面线形的变化，主塔的不垂直量称作“偏位”。主塔的垂直度测量又称“偏位测量”。

通过免棱镜空间坐标测量与计算，11#塔顶向主跨跨中偏离117 mm（上、下游塔柱的平均值），12#塔顶向主跨跨中偏离182 mm（上、下游塔柱的平均值）。

这与桥面线形的测量结果是一致的，主跨的沉降、边跨的上升使得两主塔塔顶向中间（跨中）靠。通过定量计算，抛开施工时的误差、拉索的伸缩性及竣工后的监测空档期，其塔柱的偏位与桥面线形的变化具有较高的一致性。

5.4 主塔柱顶部的摆动

由于受日照、索力的影响，主塔塔顶呈椭圆形轨迹运动。总体来说，日照对塔顶的“摆动”影响明显，当太阳光强烈时，塔柱面向太阳的部分温度高于背向太阳的部分，受热胀冷缩的影响，塔顶就会向背向太阳部分偏离。24 h跟踪测量的结果表明，塔顶的运行轨迹一般滞后光线照耀方向1 h左右。这是因为塔柱温度的峰值与光线照耀的时间滞后。夏天时，主塔塔顶的最大摆动幅度约60 mm（椭圆的长轴为南北方向，约60 mm；短轴约35 mm，东西方向）。

5.5 桥面位移

桥面横向位移也受温度、风向和索力的影响，一般在±8 mm以内波动，呈弹性变化，对桥梁的安全尚不构成影响。

5.6 重点部位的挠度

9#～10#、13#～14#钢构及17#～18#引桥因其挠度大、跨中下沉严重，进行了2006年的结构加固维修和2013年的卸载维修。通过竣工测量资料及历次监测资料，上述3 跨各时期的统计如表1～3，其中挠度取上、下游平均值。

表1 9#～10#段挠度

表3 17#～18#段挠度

5.7 桥梁维修的效果

从上述统计可以看出，9#～10#、13#～14#钢构及17#～18#引桥竣工时（因只有正桥进行了竣工测量，17#～18#引桥无挠度量化值）挠度已存在，三跨挠度是逐渐增加累计的过程。1995-07～1999-12跨中年平均沉降为24 mm以上；1999-12～2007-02年平均沉降约17 mm；2007-02～2008-02锚固张拉期间跨中略有回弹；2008-02～2013-11跨中以每年约7 mm的速率沉降；2013-11～2014-05桥面人行道卸载，各段沉降量较小；2014-05 跨中以每年2～7 mm的速率沉降。

2006年结构维修、锚固张拉时，跨中最大约有10 mm回弹，逐步恢复到沉降，维修使原来年沉降速率17 mm降为7 mm。

2013年的桥面及附属设施维修时，斜拉桥主跨部分回弹明显，最大回弹58 mm，上述3跨没有回弹，但跨中沉降速率有所降低。

综上，2006年的大桥结构维修对降低9#～10#、13#～14#钢构和17#～18#引桥跨中沉降速率效果明显，2013年维修对主跨及边跨的效果明显，对上述3跨的跨中沉降有减缓效果。

6 结 语

在特大桥的运营管理过程中，桥梁的变形关系到桥梁的安全，变形监测是最直接、最有效、最可靠的监控手段（索力监测、测试等是间接测量），变形监测必须要有完善的方案、足够的可靠性和精密性，应为桥梁的运营管理和决策提供可信的监测成果。目前自动化监测系统是未来桥梁变形监测的发展趋势，由于桥梁变形监测属于精密工程测量，而自动化监测系统高程精度尚不足够。尤其对于病害桥梁，对局部监测（比如上述寻找17#～18#引桥的变形规律）要求高精度测量，因而常规精密工程测量仍是桥梁变形监测的重要手段。

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B文章编号：1672-4623（2017）06-0001-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.001

赵安明，正高职高级工程师，注册测绘师，主要从事测绘技术管理及精密工程测量的研究与实施。

2017-05-08。