无合作目标桥梁变形应急处置及监测的研究
2015-05-21
1 概述
自20世纪90年代初期以来，交通建设在我国如雨后春笋般的发展，高等级道路越来越多，桥梁比例也越来越高，桥梁基数越来越大。如何及时准确处置在建及运营中的桥梁变形，尤其是桥梁的在突发状况下的变形，变形监测便是首先要取得的基础资料。在突发状况发生时，如何在第一时间快速准确的取得初期资料显得至关重要。
1.1 应急处置变形监测的需求
应急处置监测需要弄清楚两方面的问题：
首先是桥梁目前的状况，桥梁的平面、高程的变形量，桥段的倾斜度等桥梁变形情况，结合地质等其他专业数据确定桥梁受损状态，从而确定桥梁应急处置方式及后续监控设计实施工作；
其次应测定桥梁的稳定状态，确定桥梁的相对变形量，用以对桥梁应急方案实施效果进行评估，为进一步工作和桥梁运营提供依据。
1.2应急处置面对的困难
桥梁变形监测点的安置困难：许多桥梁上不基本没有检修等可供攀爬的通道，安装设备危险性大，非专业人员很难进行设备的安装；
时间要求紧：应急处置分秒必争，越早对桥梁受损状态定性，越早进行处置越好；
精度要求高：较小的变形对桥梁安全来说影响都比较大，而且相对桥梁变形量一般来说量不是很大，需要较高的精度才能反映出来；
人员与设备良莠不齐：由于是突发状况，加之时间要求紧，人员与设备准备时间不足，难以保证调配到位。
1.3 桥梁变形监测的现状
桥梁变形监测现有一般方式为以下几种：
在桥梁上安置测量标志，采用全站仪进行观测，这种方式可以达到较高的精度，但是设备安装比较困难。
采用无棱镜测距全站仪进行测量，通过测量桥墩的多点坐标，进行桥墩的线性回归，这种方式可以快速的测定先期数据，但其无棱镜测距受物体表面入射角等因素影响，入射角较大时精度明显下降，同时数据计算比较复杂。无棱镜测距全站仪拥有单位不是太多，应用受到一定的限制。
2桥梁变形应急处置的模式
结合多个项目桥梁应急处置，我们基本形成如下的测量模式
第一步，先行测定桥梁的现有情况，由于对于大桥的变形现状了解不够深入，同时建立监测系统需要一段时间，先行建立临时控制点，测量桥梁的偏移、倾斜、沉降。由此确定
第二步，控制系统的完善
在进行第一步工作的同时，进行控制点的布设，包括平面及高程控制点的建立；进行监测系统的完善。同时对临时建立的控制点进行精确测定。
第三步，变形监测的进行，以及对先期测定桥梁的首期数据根据临时控制点重新测定的精确坐标进行重新计算，并与后期变形监测数据进行对比分析。
3桥梁应急处置的测量方法
3.1控制的建立过程
先期根据监测范围选定工作基点，并进行初步控制测量。确保监测桥墩都有2-3个工作基点可以测定。根据桥梁变形敏感度进行工作基点布设，比如滑坡导致的桥梁变形就必须保证滑动方向有足够的精度。同时为确保测量的精度，工作基点离监测点距离不宜太远，宜控制在150米范围内。如果受地形限制边长较长，则需要选用精度较高的仪器进行观测。
在工作基点建立同时，进行基准点的建立，在基准没有建立使用前，使用校准点对工作基点进行校准，基准点建立并稳定后，进行精密系统控制测量。使用基准点对工作基点进行校正，并校正监测点数据。同时建立独立的监测坐标系（如桥轴坐标系），方便测量误差的分析。
3.2桥墩平面位移的测定
墩柱一般是圆柱体，或者正方体，没有办法直接测定其中心，只能间接获得，通过两个工作基点分别对墩柱顶部和底部左右两侧进行水平角观测，左右两侧水平角测量后，取平均数就得到了墩柱观测点中心的水平角。
利用两个工作基点的坐标及墩柱观测点中心的水平角，我们可以通过前方交会公式计算出桥墩中心坐标（如下）。
在测量中，由于每一个观测点中心的水平角均由两处测量值而来，其就可以减少施工误差对于成果的影响，在实际工作中，为提高成果的可靠性、精度及减少施工误差影响，通常采用三方或者多方交会方式进行。测量成果采用通用的控制测量平差程序均可进行平差处理。在测量平面角度的同时，测定竖直角，可计算得出上下测点的高程。
通过与施工放样坐标对比，可以得出桥墩的平面偏移量；
墩柱顶部和底部中心的坐标和高程，采用反正切函数就得到了“墩柱”的倾斜度。
一般来说交会角应大于30度，小于150度，根据测量角度，计算测点的误差椭圆，进行误差分析。在150米距离时，2”的测角误差所造成的偏差为0.7mm, 在距离小于150m的情况下，只要交会角满足要求，其精度是能满足规范规定变形监测点点位中误差小于3mm的要求。采用J2级的全站仪即可满足变形监测的需求。
3.3桥墩沉降的测定
桥墩的沉降测定将绝对沉降与相对沉降分开来做
桥墩的沉降测定将绝对沉降通过测定特定结构点的方式来测定，由于施工误差的存在，取多个结构点的沉降量均值作为桥墩沉降量。
测量采用前方交会三角高程测定结构点，通过平面交会确定其坐标，通过竖直角及反算距离可测定结构点的高程。
相对沉降量宜按照“国家一、二等水准测量规范”的二等技术规定要求实施。并将垂直位移基准网点、沉降点水准线路之间构组成多个环线。高程基准网的观测采用精密水准仪。个别水准无法到达处可采用前方交会三角高程方法测定结构点的方式实施。
4 案例分析
在贵州某工地，由于滑坡导致桥面开裂，桥位所在位置坡度及其陡峭，设备安装及其困难我们在此处使用无合作目标桥梁应急处置测量，受地形限制，交会角不是十分理想，为确保成果质量，我们进行了连续两次观测，以验证测量精度，其对比成果如下：
可以看出两次测量其成果最大偏差为1.6mm，满足规范小于3mm的要求，其方法是可靠地。
5 结束语
随着桥梁基数不断扩大，桥梁应急处置的数量也不断增大，如何充分的已有人力物力，第一时间进行快速准确的应急测量，第一时间为桥梁的维护提供基础数据，保障桥梁的健康安全。在此把我们的工作思路和操作方法介绍给工程测量的同行，希望能起到抛砖引玉的作用，把桥梁变形监测工作搞得更好。
