GPS在打樁系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃建鋒

摘 要：隨著沿海地區(qū)的擴(kuò)大開放與縱深發(fā)展的需要和國家對(duì)環(huán)海經(jīng)濟(jì)圈的戰(zhàn)略布局的推動(dòng)，沿海區(qū)域水上工程項(xiàng)目日益增加，傳統(tǒng)的定位測量手段已是無法滿足打樁工程施工的精度要求與進(jìn)度要求，而今利用GPS高精度定位的優(yōu)勢結(jié)合現(xiàn)代軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)字化三維定位測量的效果，能夠達(dá)到智能化導(dǎo)航定位和精確控制打樁的目的，以實(shí)現(xiàn)如今快節(jié)奏的水上工程建設(shè)。

關(guān)鍵詞：GPS；高精度；打樁

中圖分類號(hào)： U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）16-83-21 概述

傳統(tǒng)的定位測量手段已無法滿足當(dāng)前快節(jié)奏的海上基建工程所需的精度要求和進(jìn)度要求，而現(xiàn)今高精度的GPS定位技術(shù)配合現(xiàn)代軟件技術(shù)能輕松實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)字化三維定位測量的效果，達(dá)到智能化導(dǎo)航定位和精確控制打樁的效果，實(shí)現(xiàn)水上基建工程快速、精確的實(shí)施；所以如今乃至未來在水上基建打樁系統(tǒng)中GPS高精度測量設(shè)備必然能占據(jù)一席之地。

2 GPS高精度測量是未來打樁系統(tǒng)的新趨勢

2.1 傳統(tǒng)打樁測量與GPS高精度測量的對(duì)比

傳統(tǒng)的樁位測量與控制打樁都是采用全站儀或經(jīng)緯儀觀測定位、人員現(xiàn)場監(jiān)控等模式來實(shí)現(xiàn)的。這種模式有一些缺點(diǎn)，首先，常規(guī)儀器的定位容易受到距離、天氣、棱鏡控制等諸多因素的影響，精度得不到保障，現(xiàn)場通訊受限制，工作效率不高；其次，對(duì)樁位的控制多數(shù)采用人員現(xiàn)場監(jiān)控，對(duì)樁位觀測、船位移動(dòng)、樁架調(diào)整、樁桿貫入等控制過程無法協(xié)調(diào)統(tǒng)一，稍有偏差就容易出現(xiàn)廢樁，造成施工方的巨大損失；另外，傳統(tǒng)的打樁模式不能精確控制船身與樁架的姿態(tài)和角度，無論是船位偏移還是樁架角度不準(zhǔn)，都會(huì)產(chǎn)生無法預(yù)料的質(zhì)量事故，令施工成本急劇上升，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)效益。

與傳統(tǒng)的打樁模式相比，RTK GPS打樁系統(tǒng)具有全天候、高精度、兼容廣、易管理等優(yōu)勢，系統(tǒng)多由1+3RTK、測距儀、傾斜儀、攝像頭、聲音計(jì)數(shù)器等硬件組成，再通過打樁軟件統(tǒng)一連接并由電腦和軟件系統(tǒng)操控和實(shí)時(shí)處理、顯示，可大大減少現(xiàn)場測量的觀測人員的數(shù)量，減輕現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)可為打樁船用戶的實(shí)時(shí)定位作業(yè)提供切實(shí)可行的解決方案，以實(shí)現(xiàn)海上打樁智能化監(jiān)控、可視化作業(yè)、高精度施工。

2.2 GPS打樁系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要由船體姿態(tài)控制系統(tǒng)和貫入度控制系統(tǒng)組成。

2.2.1 船體姿態(tài)控制系統(tǒng)

由1+3實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK組成，主要任務(wù)是對(duì)樁位放樣，并判斷船體活動(dòng)平臺(tái)左右兩邊是否達(dá)到水平，然后再根據(jù)傾斜儀或者是基準(zhǔn)站要求是全天候作業(yè)，對(duì)電源供電要求較高，基站的架設(shè)應(yīng)選擇在能確保24小時(shí)供電的地方。主機(jī)、電臺(tái)等要放在室內(nèi)，因?yàn)樾枰L時(shí)間連續(xù)作業(yè)，方便遮擋風(fēng)雨，發(fā)射天線放在室外，盡可能架設(shè)高一點(diǎn)，不要有遮擋?；鶞?zhǔn)站通常要24小時(shí)連續(xù)工作，所以，儀器的安全和供電的保證是選擇設(shè)站地點(diǎn)的基本要求，這樣才有可能配合打樁船24小時(shí)作業(yè)，同時(shí)也是確保系統(tǒng)高精度定位的基本保證。

兩臺(tái)GPS分別安裝在船體活動(dòng)平臺(tái)的兩邊，通過兩臺(tái)RTK找到打樁區(qū)域，并且判斷船的活動(dòng)平臺(tái)是左右兩邊是否處于水平狀態(tài)（橫傾為0），另外一臺(tái)GPS裝在樁架正上方，通過傾斜儀或者是RTK自帶的陀螺儀測試樁位是否處于鉛垂?fàn)顟B(tài)。

樁架傾斜儀主要是測定樁架自身相對(duì)重力垂線的夾角，如果是仰樁，則樁架向船體傾斜，傾斜角為正值，反之俯樁為向外傾斜，則是負(fù)值。這個(gè)角度和船身俯仰是沒有相關(guān)性的，所以傾斜儀必須安裝在樁架的水平位置，以便得到真實(shí)的傾斜角度。

傾斜儀實(shí)時(shí)得到樁架的傾角，測距儀得到樁心到樁架轉(zhuǎn)軸的距離，根據(jù)三臺(tái)GPS和主點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系，計(jì)算出主點(diǎn)的位置，然后算出偏移量，可推算到達(dá)標(biāo)高時(shí)樁身的位置偏移，再根據(jù)船身方位算出各方向的移動(dòng)量，供移船位時(shí)指導(dǎo)。

2.2.2 貫入度控制系統(tǒng)

打樁時(shí)的貫入度是控制打樁的一個(gè)重要的參考量，一般來說，打樁到位主要有兩方面要控制好，一個(gè)是樁頂標(biāo)高，這是設(shè)計(jì)圖上計(jì)劃好的，當(dāng)樁頂（無論是直樁還是斜樁）標(biāo)高到位后，必須停錘；另外一個(gè)就是貫入度的控制，這直接關(guān)系到打樁的成敗。

貫入度控制需要一套監(jiān)控系統(tǒng)（1至2個(gè)攝像槍，有線或者無線傳輸，顯示器或者視頻卡）、高程控制標(biāo)尺、樁頭延長標(biāo)尺。通常，攝像槍安裝在工作平臺(tái)上，最好是左右各安裝一個(gè)，高程控制標(biāo)尺安裝在背板上，零刻度對(duì)應(yīng)到主工作點(diǎn)在背板上的垂點(diǎn)；樁頭延長標(biāo)尺安裝在替打器上，零刻度對(duì)應(yīng)到替打器內(nèi)部的樁頂位置，當(dāng)樁身標(biāo)尺不可見時(shí)用來輔助讀數(shù)。要特別注意的是，樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高是指樁頂（水泥樁不包含鋼圈頭）空間圓形截面的最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)高。

貫入度資料通常為表格形式，每一根樁一張表，每100錘記錄一次樁頂標(biāo)高為一陣，每張表包含許多陣；錘數(shù)統(tǒng)計(jì)可以采用計(jì)時(shí)器（近似統(tǒng)計(jì)）方式，也可以采用聲控計(jì)數(shù)器方式。方法是將檢測錘擊信號(hào)的聲音計(jì)數(shù)器安裝于樁架后方，現(xiàn)場擊錘的聲頻脈沖經(jīng)觸發(fā)計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)傳輸給電腦串口，由打樁控制軟件來進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和顯示。

高程標(biāo)尺需要通過手工將讀數(shù)輸入，如果情況允許，也可以在樁頂加樁頂測距儀，但是成本勢必增加很多，而且很多樁架的構(gòu)造就沒有留出位置安裝樁頂測距儀，所以此方案為最佳方案。

2.3 GPS打樁系統(tǒng)作業(yè)步驟（實(shí)例介紹）

2.3.1 準(zhǔn)備工作

打樁項(xiàng)目的現(xiàn)場配備通常包含打樁船、拖船、駁船、交通船、錨艇等船只。

打樁船為主要的工作船，負(fù)責(zé)打樁任務(wù)，拖船是負(fù)責(zé)拖航和協(xié)助打樁船現(xiàn)場移船與打樁就位。

駁船主要承擔(dān)現(xiàn)場運(yùn)樁，將各種水泥樁和鋼管樁分批由預(yù)制場運(yùn)抵施工區(qū)域。

2.3.2 吊樁

打樁船每次打樁，先移動(dòng)船身靠住駁船，放下兩根鋼纜縛住一根樁的兩端，然后起吊；一般可以通過兩點(diǎn)，三點(diǎn)，四點(diǎn)的吊法，具體根據(jù)樁的特性決定，然后通過縮放兩根鋼纜將樁身由水平調(diào)整到垂直，一般這個(gè)過程是在打樁船離開樁駁前往打樁區(qū)域的過程當(dāng)中同步工作的；樁身垂直后通過高空工作人員牽引，用鋼纜拉動(dòng)和調(diào)整，將樁身靠在背板上，利用替打器套住樁頭，抱樁器抱住樁尾，移動(dòng)船身到大致的下樁位置，等待測量定位和下放樁桿。

2.3.3 確定樁位

根據(jù)設(shè)計(jì)樁位圖紙和打樁系統(tǒng)導(dǎo)航文件，進(jìn)行樁位確定和船體就位，一般圖紙上會(huì)有起始邊的兩個(gè)基點(diǎn)的工程坐標(biāo)，然后設(shè)計(jì)圖上會(huì)表明行和列之間的間距，和一些特殊行列的相對(duì)關(guān)系，具有扭角的樁會(huì)在樁位上標(biāo)記。

樁設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)標(biāo)高（樁頂空間圓形截面的最低點(diǎn)的設(shè)計(jì)高，水泥樁不包含鋼圈頭），樁心平面坐標(biāo)，樁尖扭角（可轉(zhuǎn)換為方位角，直樁扭角為0），斜率（可轉(zhuǎn)換為天頂角，直樁的斜率無窮大，對(duì)應(yīng)的天頂角為0）。

一般來說還有一個(gè)表格，詳細(xì)說明了每排樁的情況，樁長，材質(zhì)，扭角，標(biāo)高等情況，在輸入軟件的時(shí)候需要進(jìn)行設(shè)置。

軟件中還可以采用CAD的圖文件方式來導(dǎo)入樁位的坐標(biāo)，但是樁桿的長度、材質(zhì)、扭角和標(biāo)高還是需要后期到軟件當(dāng)中進(jìn)行修改。

2.3.4 下樁

由于水流和水下地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在樁桿插入水底的過程中容易發(fā)生偏移，打樁過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)校。下樁通常分四個(gè)階段：

沉樁——通過測量定位使樁身抵達(dá)設(shè)計(jì)位置后，利用樁身自重插至水底，在插入水底之后應(yīng)再次測量復(fù)核樁心位置或調(diào)整船位，直到位置準(zhǔn)確為止。

打樁——利用柴油機(jī)的原理，第一次將樁錘吊起，然后利用自重錘子下降，壓縮柴油空氣混合氣體，使之增壓自燃起爆，然后氣壓將樁錘推起來，然后下一次下降重復(fù)這個(gè)過程，這樣不斷地撞擊，使樁一步一步下降。

貫入度和標(biāo)高雙控——此時(shí)樁身已大部分入土，基本不能再控制偏位。陸地全站儀記錄貫入度資料并控制樁頂標(biāo)高。

檢查——通過對(duì)比分析樁位是否達(dá)到要求。

2.3.5 輸出成果

打樁完成后，打樁軟件會(huì)根據(jù)所要求格式輸出打樁成果表格。

3 結(jié)束語

高精度GPS在打樁系統(tǒng)中的成功應(yīng)用必然會(huì)帶來水上基建工程建設(shè)項(xiàng)目的一次巨大變革。該系統(tǒng)能真正符合現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展的更快、更準(zhǔn)需求，同時(shí)大大減輕了人工工作強(qiáng)度、提高了工作效率，避免了人為所產(chǎn)生的不必要失誤導(dǎo)致的損失。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 黃治榮.淺談GPS-RTK在數(shù)字地籍測量中的應(yīng)用[J].科學(xué)之友（B版），2009（10）.

[2] 呂戰(zhàn)鋒.GPS-RTK誤差分析及其在國土資源管理中的應(yīng)用[J].科技資訊，2010（21）.