重庆菜园坝大桥苏家坝立交 超高桥墩监测又有了新角度

重庆菜园坝大桥苏家坝立交是全国城市最高的独柱墩立交桥，高72米，采用螺旋形展线方式衔接菜园坝大桥与海铜路，具有墩高、平曲线半径小、坡度大等特点。作为典型的高墩曲线梁桥，该类桥梁的常见病害为主梁外倾和桥墩倾斜。根据高墩弯坡立交桥自身结构特点，其侧向变形应该受到重点关注。

从2008年至今，该桥管养负责单位每年委托专业监测单位对苏家坝立交进行变形观测，重点监测桥墩偏移（即垂直度）情况。通过多期观测数据的分析和不同监测单位对测量中存在问题的反馈，管养单位积极探索，并自主总结实践出了一种合理有效的垂直度监测点布设及监测分析方法。

1.观测标志不明显或毁损。由于早期设置的下侧观测标志位置离桥墩底部较近，存在人为破坏等不确定因素，经多年运行后，部分测量标志已无法明显识别，且部分标志设定位置未考虑短期内周边环境变化带来的遮挡，给观测增大了难度。

2.无固定的测量点、测量定向方向及坐标参考系。苏家坝立交附近地形适用于观测的地形复杂，有轻轨站、边坡、建构筑物等，所以无法做到有固定的测量点及测量定向方向，纵横向垂直度没有确定的坐标参考系，不同测量方向的观测值导致纵横向垂直度偏差较大。虽然各单位都力求一个统一的技术方法，但不同单位人员对垂直度测量理解存在着差异，或者观测环境发生变化。

3.观测精度低。原观测点需采用的人工照准方式，垂直度观测因现场条件所限，竖直角较大且部分点位难以分辨，导致点位测量精度误差在5mm-8mm之间，且综合之前观测值，纵横向的点位误差可达到10mm以上。若按照上下两布设点高差20m计算，垂直度相对误差可以达到1:2000，无法监测桥墩微小的垂直度变化。

4.传统监测方案存在局限。传统方法的垂直度测量方法主要有吊垂线法、经纬仪法、靠尺法等。但吊垂线法受风、柱高影响大；靠尺法仅适合较短立柱垂直度测量，操作难度大；经纬仪“测小角”法和“投点法”受人为因素、环境因素、观测方向和角度影响均较大，测量误差甚至可能超过桥墩本身的偏移量。目前较先进的垂直度测量方法大多适用于施工期间。

垂直度点位的布设与观测标志的选择

每根桥墩布设4个观测点（如图1）：桥墩上下位置各一对，上下点位安装时应尽可能和桥墩中轴线平行，下点位高于地面3米的位置，避免观测时地面地物的遮挡及被破坏，左右两点距离大于5米，上下点位间距20-30米，点位布置时需考虑周边环境的影响，便于观测人员照准。

图1 桥墩垂直度标志布设

观测标志采用定制的微型棱镜（如图2），上部棱镜通过螺钉或植筋胶锚固在桥墩上，并可调节竖直角以满足照准需求，观测时采用棱镜自动照准，可最大幅度提高点位精度并降低人为操作误差。

图2 定制棱镜

观测方法

使用0.5”测距精度为I级的测量机器人，将仪器建站于桥墩面中线垂直方向15º内，依次观测上左-上右-下左-下右四点角度与距离3测回，上左与下左，上右与下右点位测回间XY方向坐标值之差不得大于1.5mm。

计算与结果表达

每个桥墩为独立坐标系,立交桥墩的偏移量纵向(X)以车行方向为正,相反为负；横向(Y)以垂直于车行方向的右手方向为正,相反为负。观测数据使用上左点位为(0,0),上左至上右方向为(Y)轴正方向，分别转换各点位坐标值。X方向的垂直度为（X左-X左）/（H左-H左）,Y方向的垂直度为（Y左下i-Y左）/（H左-H左）。两期间的X向垂直度变化值为（X左-X左-1）/ ΔH,两期间的Y向垂直度变化值为（Y左-Y左-1）/ ΔH。每期垂直度相对变化值可以判断桥墩垂直度的细微变化。

以苏家坝立交M匝道P12号墩为例进行分析,表1为历年（冬季）垂直度观测情况，MP12号墩观测点高差为：53.699m。根据前十期的数据可计算出分量变化量分别为（单位mm）：-1.34，98.18，-52.06，3.06，1.82，-21.70，-6.80，24.09，-41.48,其范围在1.34mm～98.18mm；而重新采用新方法后的三期纵向分量变化量为：2.1mm,3.4mm；横向分量变化量为：7.4mm,-3.9mm。可以明显的看到较前十期测量数据相比,其精度和稳定性明显得到了提升。

另外苏家坝立交的健康监测系统于2019年11月建成，虽然还未运行到一年的周期，我们调取了2019年12月22日(第十四期)当晚的数据情况做对比(如图3所示),图中显示在温度8℃-10℃时,MP12号墩24小时的最大位移量约为10mm左右,与采用新方法的后三期数据情况完全吻合。

图3 苏家坝立交MP12号墩倾角计健康监测数据

从以上对比分析来看,该方案根据历年观测数据、现场实际情况以及长远考虑的数据统一性制定,重新定义了高墩垂直度的观测方法,采用新的照准标志与计算方法,不仅简单易行可靠,而且大幅度消减了测量人员照准误差、不同测量人员的观测误差、不同位置建立观测站对观测结果的影响,使垂直度观测方法及成果的统一性得到控制,提高了成果精度与灵敏度(大约从1:2000提升至1:20000)。同时,当期采用了本方法和传统观测方法相结合的方式,对垂直度数据进行计算分析比对,严格意义上保证了数据的延续性。

此方法还便于对观测数据进行复核，也可与平面位移、高程沉降、变形观测等数据进行综合分析，判断桥墩在三维立体空间的平移扭转情况,对加强桥梁形变数据的采集与分析起到了促进作用,有效提升了监测数据的稳定性,从而为保障桥梁安全提供科学、合理、可靠的数据支撑。目前该方法已推广至双碑嘉陵江大桥、千厮门嘉陵江大桥的桥墩垂直度监测,根据近期反馈的情况,测量数据精度提升了10倍左右,同时获得了很好的横向对比结果,具有良好的推广和应用价值,可考虑作为管养行业的标准化做法,并且可在桥梁建设期间予以明确,以利于后期管养工作。