海上擠密砂樁測(cè)量定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

宋江偉，馬宗豪

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

海上擠密砂樁測(cè)量定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

宋江偉，馬宗豪*

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

測(cè)量定位系統(tǒng)是擠密砂樁施工的一個(gè)重要系統(tǒng)。文章結(jié)合港珠澳大橋島隧工程擠密砂樁施工，闡述了擠密砂樁船測(cè)量定位系統(tǒng)的原理、安裝工藝及實(shí)施效果，對(duì)海上打樁定位系統(tǒng)開發(fā)具有借鑒意義。

擠密砂樁；測(cè)量；定位系統(tǒng)；技術(shù)應(yīng)用

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，外海地基處理工程量加大，且施工技術(shù)難度也隨之加大，外海樁基工程施工需要高精度定位系統(tǒng)輔助作業(yè)，卲蔚[1]等人研究了早期的海上GPS打樁定位系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于東海大橋等工程；劉紹堂[2]等人闡述了GPS打樁定位系統(tǒng)在杭州灣大橋施工中的應(yīng)用；姚連璧[3]等人成功研究出GPS的動(dòng)態(tài)定位海上打樁定位的數(shù)學(xué)模型。港珠澳大橋項(xiàng)目是世紀(jì)工程，擠密砂的大量應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚屬首次，打樁定位精度需要嚴(yán)格控制，因此，研究建立穩(wěn)定性好、使用便捷的海上SCP打樁測(cè)量定位系統(tǒng)是迫切需要解決的問(wèn)題。

1 工程概況

港珠澳大橋西人工島平面基本呈橢圓形，軸線長(zhǎng)度625m，橫向最寬處約183 m，面積9.7萬(wàn)m2，工程區(qū)域天然水深約-8.0 m，基槽開挖后水深-16.0m。人工島外圍打設(shè)擠密砂樁進(jìn)行軟基加固，提高地基承載力。

島外圍擠密砂樁加固處理地基分為12個(gè)區(qū)，總計(jì)9 616根擠密砂樁；沉管隧道過(guò)渡段軟基加固處理地基分為5個(gè)區(qū)，總計(jì)13 079根擠密砂樁，2 318根普通砂樁。

2 測(cè)量定位系統(tǒng)

擠密砂樁船配置一套施工管理系統(tǒng)，能夠完成平面定位、高程控制、套管豎直度監(jiān)測(cè)等功能，其中海上SCP施工定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行平面定位并提供實(shí)時(shí)潮面高程，該系統(tǒng)是在海上GPS打樁定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，其定位原理是根據(jù)布置在擠密砂樁船上2臺(tái)GPS接收機(jī)與擠密砂樁船上施工套管中心的幾何關(guān)系，利用RTK GPS測(cè)量方式獲得實(shí)時(shí)高精度三維數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算確定樁管的三維空間位置，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際樁位與設(shè)計(jì)樁位的坐標(biāo)偏差，定位系統(tǒng)還集成潮位信息自動(dòng)顯示功能，用于指導(dǎo)和監(jiān)測(cè)打樁施工。

2.1 測(cè)量設(shè)備

工程選用Trimble R7 GPS流動(dòng)站接收機(jī)，配置Zephyr GeodeticTM2型GPS衛(wèi)星接收天線，通過(guò)亞毫米相位中心穩(wěn)定、強(qiáng)勁的低角度跟蹤能力和顯著減少地面的多路徑能力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量性能和最優(yōu)精度。

2.2 擠密砂樁施工測(cè)量定位

擠密砂樁施工測(cè)量定位時(shí)，開啟GPS接收機(jī)，運(yùn)行海上SCP施工定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)入軟件定位界面。

1）建立樁位。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，提前進(jìn)行擠密砂樁定位參數(shù)的內(nèi)業(yè)計(jì)算處理，其內(nèi)容包括：序號(hào)、樁位號(hào)及X、Y坐標(biāo)。

2）確定定位參數(shù)。選擇要打樁的坐標(biāo)參數(shù)文件，單擊“打開”添加定位坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)界面Fig.1 Inter faceofpositioning system

3）施工測(cè)量定位。單擊“打樁”按鈕，選擇“選擇當(dāng)前樁號(hào)”，輸入要打的樁號(hào)，然后單擊確定，打樁定位系統(tǒng)啟動(dòng)。

2.3 驗(yàn)潮儀的應(yīng)用

定位系統(tǒng)中集成了潮位儀的使用，即在船舷一側(cè)安裝潮位儀，安裝位置如圖2所示。

圖2 潮位儀安裝示意圖Fig.2 Sketch ofwater level instrument

通過(guò)潮位變化將壓力信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換至定位系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)顯示。需要注意驗(yàn)潮儀的安裝位置要和GPS的位置在船的同一水平線上，避免因?yàn)榇w傾斜影響驗(yàn)潮儀的測(cè)量結(jié)果。

3 海上SCP打樁定位系統(tǒng)校核

3.1 校核目的

為確保擠密砂樁施工時(shí)平面位置和高程能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，定期對(duì)砂樁船定位系統(tǒng)提供的平面位置和高程進(jìn)行校核，通過(guò)校核偏差確保系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，提高系統(tǒng)精度。

3.2 校核方法

校核方法分為3種，直接測(cè)量樁管坐標(biāo)、間接測(cè)量樁管坐標(biāo)和流動(dòng)站校核。

1）直接測(cè)量樁管坐標(biāo)

將全站儀轉(zhuǎn)動(dòng)至視線分別與套管左右兩邊相切，取兩次角度的平均值，即為套管中心所在位置，如圖3所示。全站儀操作人員指揮棱鏡移至該位置后測(cè)量坐標(biāo)和距離，即可算出1號(hào)套管的中心坐標(biāo)。全站儀直接觀測(cè)法施測(cè)時(shí)的困難：套管會(huì)隨著水流而不?；蝿?dòng)，無(wú)法穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)視線難以準(zhǔn)確與套管兩邊相切。

圖3 全站儀直接測(cè)量校核示意圖Fig.3 Sketch ofmeasuring directly by Total Station

全站儀校核潮位：將棱鏡頭置于船舷邊上一點(diǎn)，全站儀測(cè)出棱鏡高程，用尺量出該點(diǎn)干舷高、棱鏡中心至棱鏡底部高度，用棱鏡高程減去這兩數(shù)即可得到實(shí)時(shí)潮位。

計(jì)算過(guò)程：根據(jù)船體位置，設(shè)全站儀測(cè)得坐標(biāo)為x＇，方位角為α＇，棱鏡厚度為d，套管半徑為r。則1號(hào)套管的坐標(biāo)為：

x=x＇+（d+r）×cos（α＇-π）

y=y＇+（d+r）×sin（α＇-π）

2）間接測(cè)量樁管坐標(biāo)

當(dāng)全站儀至1號(hào)套管之間有遮擋物不通視時(shí)，采用間接方法。即通過(guò)測(cè)量同一船舷邊上的前后兩點(diǎn)坐標(biāo)算出船體方位角及套管中心線方位角，從而推算出1號(hào)套管坐標(biāo)，如圖4所示。該方法需先量出套管中心線在舷邊的點(diǎn)至1號(hào)套管中心的距離D。

計(jì)算過(guò)程：設(shè)所測(cè)的船舷邊兩點(diǎn)分別為a和b，坐標(biāo)分別為Xa，Ya和Xb，Yb，根據(jù)船體位置計(jì)算，船體方位角α=arctan[（Ya-Yb）/（Xa-Xb）]+π，套管中心線方位角β=α+π/2。

則1號(hào)套管的坐標(biāo)為：

x=Xa+D×cosβ

y=Ya+D×sinβ

3）GPS流動(dòng)站校核

該方法與全站儀間接測(cè)量類似，即用GPS流動(dòng)站測(cè)量船舷邊兩點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)這兩點(diǎn)計(jì)算出船體方位角及套管中心線方位角后推算出1號(hào)套管坐標(biāo)。

圖4 全站儀間接測(cè)量校核示意圖Fig.4 Sketch ofmeasuring indirectly by Total Station

高程校核：準(zhǔn)確量取天線高，將對(duì)中桿直立于舷邊，測(cè)出該點(diǎn)高程，再減去該點(diǎn)處的干舷高，即可得到潮位，再與定位系統(tǒng)顯示的潮位進(jìn)行核對(duì)?？紤]波浪影響，干舷高不能準(zhǔn)確取值，海浪小的情況下，二者差值小于10 cm則認(rèn)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，若偏差過(guò)大，應(yīng)檢查是否數(shù)據(jù)輸入有誤。

該方法的缺點(diǎn)：由于GPS天線的仰角比較小，前端樁架比較高，遮擋住衛(wèi)星，削弱差分信號(hào)，影響定位精度。

GPS流動(dòng)站校核的計(jì)算過(guò)程與全站儀間接測(cè)量校核的計(jì)算相同。

潮位校核：設(shè)全站儀測(cè)得高程為H，棱鏡中心到棱鏡底部高度為h，放置棱鏡處的干舷高度為h＇，則實(shí)時(shí)潮位為H＇=H-（h+h＇）。

3.3 測(cè)量?jī)x器及精度

擠密砂樁船的定位儀器為Trimble GPSR7，共2臺(tái)，天線盤分別安置于船尾左右GPS天線架上，動(dòng)態(tài)測(cè)量標(biāo)稱精度為平面10 mm+1×10-6D（D為測(cè)量距離，mm），高程20mm+1×10-6D。

校核使用的全站儀為索佳SET2X全站儀，測(cè)量精度為測(cè)角2″，測(cè)距±（2mm+2×10-6D）。

4 施工效果

“砂樁3號(hào)”經(jīng)過(guò)14個(gè)月的施工，在港珠澳大橋西人工島實(shí)際打樁 6 482根，其中擠密砂樁4 526根，普通砂樁1 956根，所有樁位的平面偏差嚴(yán)格控制在±200 mm的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，表1列出了典型施工的3組數(shù)據(jù)。

Technology app lication ofm easurement positioning system for sea sand com paction pile

SONG Jiang-wei,MA Zong-hao*
（No.2Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong266001,China）

Measurementpositioning system isvery important in sand compaction pile.Combinedwith the sand compaction pile construction in island-tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,we described the princip le ofmeasurementpositioning system,the installation processand theeffectofsand compaction pilesships.It can provide good references for the developmentof piling positioning system.

sand compaction pile;measurement;positioning system;technology application

U655.544；U472.32

A

2095-7874（2015）05-0049-03

10.7640/zggw js201505013

2015-01-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAG07B002）

宋江偉（1988— ），男，河北邢臺(tái)人，助理工程師，從事水工測(cè)量工作。*通訊作者：馬宗豪，E-mail：penguinhao2003@163.com