桥梁施工控制网的建立

桥梁施工开始前，必须在桥址区域建立统一的施工控制网，桥梁施工控制网分为施工平面控制网和施工高程控制网两部分。

一、桥梁施工平面控制网

（一）桥梁施工控制网的要求

桥梁施工平面控制网的作用主要用于放样桥墩桥台的位置和跨越结构的各个部分，因此，必须结合桥梁的桥长、桥型、跨度，以及工程的结构、形状和施工精度要求布设合理的施工控制网。在建立控制网时，既要考虑控制网本身的精度，即图形强度，又要考虑以后施工的需要，所以在布网之前应对桥梁的设计方案、施工方法、施工机具及场地布置、桥址地形及周边的环境条件、精度要求等方面进行研究，然后在桥址地形图上拟定布网方案，再现场选定点位。点位应选在施工范围以外且不能位于易淹没或土质较松的地区。控制网应力求满足下列要求：

（1）图形应具有足够的强度，使测得的桥轴线长度的精度能满足施工要求，并能利用这些控制点以足够的精度放样桥墩桥台。当主网的控制点数量不能满足施工需要时，能方便地增设插点。在满足精度和施工要求的前提下，图形应力求简单。

（2）为使控制网与桥轴线连接起来，在河流两岸的桥轴线上应各设一个控制点，控制点距桥台的设计位置也不应太远，以保证桥台的放样精度。放样桥墩时，仪器可安置在桥轴线上的控制点上进行交会，以减少横向误差。

（3）控制网的边长一般在0.5～1.5倍河宽的范围内变动。当选择三角网作为控制网时，由于边长较短，可直接丈量控制网的一条边作为基线。基线长度不宜小于桥轴线长度的0.7倍，一般应在两岸各设一条，以提高网的精度及增加检核条件。

（4）控制点均应选在地势较高、土质坚实稳定、便于长期保存的地方。而且控制点的通视条件要好。要避免旁折光和地面折光的影响，要尽量避免造标。

桥梁平面控制网布网时除了考虑有利的网形以及一般工程控制网的基本要求，还需要注意以下几点： （1）根据桥轴线的不同精度要求，确定控制网的测边、测角精度，并进而确定选用合适精度的测量仪器、测回数等。 （2）对于桥梁三角网而言，为了保证桥轴线有足够的精度，应该使基线的精度比轴线精度高出2～3倍。对于边角网和测边网而言，由于测定的边长不受角度影响而产生误差积累，测边的精度不像基线要求那么高，只要与桥轴线的精度相当即可。 （3）布网时应对桥轴线精度、墩台测设、图形强度、点位保存、施工方便等因素进行综合分析考虑。

（二）桥梁施工平面控制网的基本形式

桥梁三角网的基本图形为大地四边形和三角形，并以控制跨越河流的正桥部分为主。图9-2为桥梁三角网的常见图形，其中a）图形适用于长度较短的桥梁，b）、 c）、 d）三种图形的控制点数多、图形坚强、精度高，适用于大型、特大型桥梁。特大桥通常有较长的引桥，一般是将桥梁施工平面控制网再向两侧延伸，增加几个点构成多个大地四边形网，或者从桥轴线点引测敷设一条光电测距精密导线，导线宜采用闭合环。

图9-2 桥梁三角网

随着测量仪器的更新、测量方法的改进，特别是高精度全站仪以及GPS的普及，给桥梁平面控制网的布设带来了很大的灵活性。对于大型和特大型的桥梁施工平面控制网， 目前已广泛采用边角网或GPS网形式。桥梁边角网中，不一定观测所有的角度（或方向）和边长，可以在测角网的基础上按需要加测若干条边长，或者在测边网的基础上加测若干个角度，使其充分发挥测角有利于控制方向误差（即横向误差）、测边有利于控制尺度误差（即纵向误差）的优点。利用GPS静态相对定位技术建立桥梁施工平面控制网时，应与国家控制网进行有效联测，并充分考虑投影面、投影带带来的边长投影误差以及坐标系转换带来的误差。对于一些中小型桥梁，也可以采用GPS静态测量技术建立首级平面控制网，再利用全站仪进行加密。根据施工放样的需要，加密的控制点可以选择在地面上，也可以设置在已经建好的桥墩桥台上。

（三）平面控制网的坐标系统的选择

（1）国家坐标系

桥梁建设中都要考虑与周边道路的衔接，因此，平面控制网应首先考虑选用国家统一坐标系，但在大型和特大型桥梁建设中，选用国家统一坐标系时应具备的条件是：桥轴线位于国家3°带高斯正形投影平面直角坐标系的中央子午线附近，并且桥址平均高程面应接近于国家参考椭球面或平均海水面。

（2）抵偿坐标系

当桥址区的平均高程过大或其桥轴线平面位置离开统一的3°带中央子午线东西方向的距离（即横坐标）过大时，其长度投影变形值将会超过控制网变形精度的允许值。此时，对于大型或特大型桥梁施工来说，仍采用国家统一坐标系就不适宜了。通常的做法是人为地改变归化高程，使距离的高程归化值与高斯投影的长度改化值相抵偿，但不改变统一的3°带中央子午线进行的高斯投影计算的平面直角坐标系。所以，在大型或特大型桥梁施工中，当不具备使用国家统一坐标系时，通常采用抵偿坐标系。

（3）桥轴坐标系

在特大型桥梁的主桥施工中，尤其是桥面钢构件的施工，定位精度要求很高，一般小于5mm，此时选用国家统一坐标系和抵偿坐标系都不适宜，通常选用桥轴线坐标系，以桥轴线为x轴，其高程归化投影面为桥面高程面。

（四）平面控制网的复测

桥梁施工工期一般都较长，限于桥址地区的条件，大多数控制点（包括首级网点和加密点）多位于江河堤岸附近，其地基基础并不十分稳定，随着时间的变化，点位有可能发生变化。此外，桥墩钻孔桩施工、降水等也会引起控制点下沉和位移。因此，在施工期间，无论是首级网点还是加密点，必须进行定期复测，以确定控制点的稳定状态。控制网可以采用定周期复测的办法，如每半年复测一次，也可根据工程施工进度、工期等情况确定。

复测精度不应低于原测精度。由于加密点是施工的常用控制点，在复测时通常将加密点纳入首级控制网中观测，整体平差，以提高加密点的精度。

二、桥梁高程控制网的建立

桥梁高程控制网的作用有两个： （1）统一本桥高程基准面； （2）满足施工中高程放样和监测桥梁墩台垂直变形的需要。建立高程控制网的常用方法是水准测量和三角高程测量。桥梁施工的高程控制点即水准点，每岸至少埋设三个，并与国家水准点联测。水准点应采用永久性的固定标石，也可利用平面控制点的标石。同岸的三个水准点，两个应埋设在施工范围以外，以免受到破坏，另一个应埋设在施工区内，以便直接将高程传递到所需要的地方。同时还应在每一个桥台、桥墩附近设立一个临时施工水准点，施工水准点可布设成附和水准路线。各高程控制点之间应采用水准测量的方法进行联测，一般地，水准基点之间应采用一等或二等水准测量，施工水准点与水准基点之间可采用三、四等水准测量联测。施工高程控制点在精度要求低于三等时，也可用三角高程方法建立。

进行水准测量时，对于河面宽度较小或者处于枯水期河道内没有水的河流，可以按照测量规范要求按常规进行水准测量。但是对于大多数的河流来说，由于河面较宽，造成跨河时水准视线较长，使照准标尺读数精度太低，同时由于前、后视距相差悬殊，使得水准仪的i角误差、地球曲率和大气折光的影响增大，这时需要采用跨河水准测量的方法来解决。

图9-3 平行四边形观测示意图

图9-4 等腰梯形观测示意图

跨河水准测量时常用的测站和立尺点的布设方法是：在选定的跨河场地上，两岸的仪器站和立尺点应构成对称图形，如平行四边形（见图9-3）、等腰梯形（见图9-4）。利用两台水准仪分别架设于两岸的I1 、 I2点，b1、 b2点立水准尺。两台水准仪分别观测两水准尺后，得到两组高差，两组高差较差满足要求时，取其平均值作为最终结果。布置点位时尽量使I1 b2与I2 b1相等、I1 b1与I2 b2相等，每岸短视线的长度为10～20m。这些图形保证了跨河视线的长度相等、环境一致和独立观测，使望远镜的调焦位置相同，地球曲率和大气折光误差都相近，测量误差在由两岸构成的一测回高差平均值中得到最大限度的抵消。

跨河水准测量场地应尽量选在桥体附近水面最窄处，可使跨越视线减至最短，对测量精度有益；为了使往返观测视线受着相同折光的影响，应尽量选择在两岸地形相似、高度相差不大的地点，并尽量避开草丛、沙滩、芦苇等对大气温度影响较大的不利地区。跨河水准两台仪器作对向观测时，要确保同步进行，尤其是两岸间的跨河视线观测，应做到同时开始同时结束。

图9-5 桥梁施工GPS控制网

三、工程实例

某长江铁路大桥跨宽约2km的长江江面，全长约3km，其中跨河主桥为双塔双索面斜拉桥，主跨580m，边跨约300m，主塔高200m，属于特大型复杂铁路桥梁。图9-5为采用GPS静态相对定位技术建立的桥梁施工平面控制网示意图，全网由13个GPS点构成，其中K1、 K2为已知控制点。控制网平均边长约为900m，最长边约为2100m，最短边不足200m，长短边相差悬殊，整网呈细长型。长江两岸主桥控制点G1～G6埋置强制归心观测墩，其余控制点均埋设普通混凝土标石，其中G8、G10、 G11建于稳固的楼房顶面。

结合桥型结构特点估算控制网的必要精度指标为：最弱点点位中误差≤10mm，桥轴线边边长相对中误差≤1/25万，最弱边边长相对中误差≤1/15万。根据相关规范，该网按铁路B级GPS精度施测，主要技术要求见表9-1。

表9-1 GPS测量主要技术要求

外业观测结束后，采用GPS随机软件解算基线向量，使用专用软件进行网平差。GPS网平差时，先在WGS-84坐标系下对基线向量网进行三维无约束平差，再在桥梁施工坐标系中进行二维约束平差，求得各点在施工坐标系下的坐标。本桥的施工坐标系是一种基于1954年北京坐标系的工程独立坐标系，取墩顶平均高程面作为边长投影面。控制网平差后的精度指标为：最弱点点位中误差2.8mm，桥轴线边边长相对中误差≤1/29万，最弱边边长相对中误差≤1/17.3万，可见建立的GPS控制网精度优于估算要求。为进一步检核GPS控制测量成果，采用高精度全站仪按二等精度测量了网中的两条边长，表9-2为GPS边长和全站仪边长的比对成果，表中限差项是根据GPS网平差精度和全站仪标称精度，按两倍中误差估算的，由表可见，边长较差均在允许误差内，说明GPS控制网成果质量可靠。

表9-2 GPS控制网边长和全站仪测量边长的比对