GPS RTK技術(shù)在深水大型沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

芶 潔 朱 浩

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430063)

?

GPS RTK技術(shù)在深水大型沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

芶 潔1朱 浩2

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430063)

泰州長(zhǎng)江大橋中塔沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸大，橋位處水文條件復(fù)雜，給施工帶來(lái)了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)比傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法，GPS RTK技術(shù)(全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)差分技術(shù))實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)后處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并及時(shí)反應(yīng)出沉井當(dāng)前真實(shí)狀態(tài)，為決策者作出正確施工指令提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保障了沉井順利施工質(zhì)量，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)在泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)中成功應(yīng)用，為今后類似工程施工提供參考。

GPS RTK技術(shù)；泰州長(zhǎng)江大橋；沉井基礎(chǔ)；施工監(jiān)測(cè)

我國(guó)大跨橋梁建設(shè)不斷向深水、外海海域發(fā)展，深水基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)作為一種最主要的基礎(chǔ)形式在工程中被廣泛采用。近十年，隨著橋梁工程師對(duì)沉井基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)加深及施工技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的大跨橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)采用深水沉井基礎(chǔ)。

結(jié)合施工工藝，深水沉井基礎(chǔ)施工面臨的最大技術(shù)難題在于如何快速、準(zhǔn)確地將其定位在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。由于受到水流、波浪等因素影響，沉井在定位過(guò)程中始終保持平面擺動(dòng)與豎向升沉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。傳統(tǒng)的人工測(cè)量是通過(guò)測(cè)量?jī)x器(或測(cè)量機(jī)器人)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，若涉及到多個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量周期很長(zhǎng)，后期數(shù)據(jù)處理緩慢，不能實(shí)時(shí)反映出沉井當(dāng)前的幾何狀態(tài)。而GPS RTK技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集，然后在電腦終端進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，這樣就可保證數(shù)據(jù)的同步性，實(shí)時(shí)反映沉井的幾何狀態(tài)。

GPS RTK技術(shù)在很多領(lǐng)域的測(cè)量中已取得了快速的發(fā)展。該技術(shù)在海洋測(cè)繪方面已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用[1]，海洋測(cè)量包括海洋定位、海洋大地測(cè)量和水下地形測(cè)量。在傳統(tǒng)的公路工程測(cè)量中，常規(guī)的測(cè)量方法具有很大的局限性，而該技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)公路勘測(cè)手段和作業(yè)方式產(chǎn)生了革命性的變革，極大提高了勘測(cè)精度和勘測(cè)效率[2]。洋山深水港工程?hào)|海大橋樁基施工中也應(yīng)用了這一技術(shù)[3]。王紅等介紹了該技術(shù)可以在橋梁監(jiān)控中的應(yīng)用[4]。雖然該技術(shù)在工程中得到了廣泛應(yīng)用，但是在基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用相對(duì)較少。

1 工程概況

泰州長(zhǎng)江大橋?yàn)槿宜鳂颍虚g鋼塔采用鋼殼-混凝土沉井基礎(chǔ)。沉井總高度為76m，其中鋼殼沉井高38m，鋼筋-混凝土沉井高38m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-70m，承臺(tái)頂標(biāo)高6m。沉井標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段平面尺寸為44m×58m，四角倒圓半徑8m。沉井在平面上布置16個(gè)12.8m×12.8m方形井孔，沉井混凝土封底11m。沉井結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

大橋位于長(zhǎng)江雙向感潮河段，每日兩次漲落潮，落潮流速大于漲潮流速，最大流速達(dá)到了2.61m/s。橋位處施工水深約15m。沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，需要穿越粉細(xì)砂層、細(xì)砂層、中砂層，最后刃腳持力層位于礫砂層。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)圖

沉井基礎(chǔ)施工工藝流程大致為：38m鋼殼沉井加工制作，同時(shí)在橋位處進(jìn)行定位錨墩施工→利用拖輪將沉井浮運(yùn)至墩位處進(jìn)行初定位→利用定位錨墩進(jìn)行沉井精確定位→向夾壁倉(cāng)內(nèi)注水使沉井快速下沉→澆筑夾壁隔倉(cāng)混凝土→取土吸泥下沉至一定深度→重復(fù)接高混凝土與取土吸泥下沉步驟，直至沉井接高至76m和刃腳標(biāo)高下沉至-70m。

2 主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

沉井下沉過(guò)程中幾何姿態(tài)主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括平面偏位、垂直度、扭轉(zhuǎn)角和下沉量等。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，可在沉井頂面布置4個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，然后根據(jù)GPS測(cè)量4個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，分別計(jì)算出平面偏位、垂直度等相關(guān)信息。圖2中以1001→1003測(cè)點(diǎn)定義為X軸正向；采用左手法則，以1002→1004測(cè)點(diǎn)定義為Y軸正向。

圖2 測(cè)量控制點(diǎn)平面布置圖

2.1 沉井平面偏位

沉井頂面中心O點(diǎn)的平面坐標(biāo)由測(cè)點(diǎn)1001、1002、1003和1004點(diǎn)計(jì)算得出。相關(guān)的計(jì)算方法如下：

O點(diǎn)在X軸向的坐標(biāo)由1001點(diǎn)和1003點(diǎn)X向坐標(biāo)的平均值來(lái)表達(dá)。

O點(diǎn)在Y軸向的坐標(biāo)由1002點(diǎn)和1004點(diǎn)Y向坐標(biāo)的平均值來(lái)表達(dá)。

2.2 沉井垂直度

沉井垂直計(jì)算如示意圖3所示。計(jì)算前提假設(shè)條件為：(1)忽略沉井的制造誤差，認(rèn)為沉井外側(cè)面與頂面互相垂直；(2)忽略沉井自身變形的影響。由于沉井可以作為剛體來(lái)看待，其傾斜度可看成是剛體繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)?；谏鲜黾僭O(shè)條件，沉井垂直度可由下列公式計(jì)算得出。

X向垂直度：

θ1=arccos((z1003-z1001)/((x1003-x1001)2+

(y1003-y1001)2)0.5)

Y向垂直度：

θ2=arccos((z1004-z1002)/((x1004-x1002)2+

(y1004-y1002)2)0.5)

圖3 沉井垂直度計(jì)算示意圖

2.3 沉井扭轉(zhuǎn)角

沉井扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式如下：

β1=arccos((y1001-y1003)/((x1003-x1001)2+

(y1003-y1001)2)0.5)

β2=arccos((y1002-y1004)/((x1002-x1004)2+

(y1002-y1004)2)0.5)

沉井扭轉(zhuǎn)角：β=(β1+β2)/2

2.4 沉井下沉量

沉井下沉量用頂面中心豎向坐標(biāo)來(lái)表示，其坐標(biāo)值采用4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向坐標(biāo)的均值。

下沉量的偏差采用實(shí)際下沉標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的差值，如下式。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 沉井下沉信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

沉井施工過(guò)程中在沉井軸線上布設(shè)四個(gè)控制點(diǎn)，采用GPS RTK采集儀器(見(jiàn)圖4)對(duì)四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的測(cè)量，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)將實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)(5秒/次)傳送到監(jiān)控室，利用后處理系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得出一段時(shí)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)的平均坐標(biāo)，推算出沉井的平面偏位、垂直度、扭轉(zhuǎn)角和下沉量等數(shù)據(jù)。

圖4 GPS監(jiān)測(cè)儀器安裝

圖5 沉井信息化施工監(jiān)測(cè)后處理系統(tǒng)

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

(1)平面偏位。圖6-圖7為沉井下沉過(guò)程中在兩個(gè)軸線方向上平面偏位變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時(shí)頂面中心向上游偏移11.4cm，向揚(yáng)中側(cè)(即南側(cè))偏移2.4cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)定30cm的偏差范圍；沉井底面中心向上游偏移28cm，向揚(yáng)中側(cè)偏移14cm，同樣小于設(shè)計(jì)規(guī)定限值。

(2)垂直度。圖8為沉井下沉過(guò)程中在兩個(gè)方向上的垂直度變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時(shí)沿上下游側(cè)垂直度為1/630，南北側(cè)垂直度為1/444，整體垂直度為1/363，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)定/150的允許限值。

(3)扭轉(zhuǎn)角。圖9為沉井下沉過(guò)程中扭轉(zhuǎn)角變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時(shí)扭轉(zhuǎn)角為10.8′，小于設(shè)計(jì)規(guī)定1°的允許限值。

(4)下沉量。圖10為沉井下沉過(guò)程中下沉量的變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時(shí)底面中心的標(biāo)高為-70.1m，低于設(shè)計(jì)標(biāo)高-70m，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的底面標(biāo)高不高于設(shè)計(jì)標(biāo)高的要求。

圖6 沉井中心南北側(cè)偏位變化曲線圖(單位：cm)

圖8 沉井兩軸線向高差變化曲線圖(單位：cm)

圖9 沉井扭轉(zhuǎn)角變化曲線圖(單位：分)

圖10 沉井下沉變化曲線圖(單位：m)

4 結(jié)論

GPS RTK技術(shù)在泰州長(zhǎng)江大橋中塔沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)控中得到成功應(yīng)用，其測(cè)量定位精度滿足工程施工質(zhì)量要求。相對(duì)于傳統(tǒng)人工測(cè)量方法，它具有測(cè)量數(shù)據(jù)同步、測(cè)量周期快、數(shù)據(jù)處理及時(shí)、反饋信息準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該測(cè)量方法還不受自然條件(如暴雨、暴雪等)影響。隨著我國(guó)橋梁建設(shè)向外海發(fā)展，GPS RTK測(cè)量技術(shù)將在基礎(chǔ)施工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

[1]謝榮安. GPS RTK技術(shù)在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用[J].地理空間信息, 2007,5(4):16-18.

[2]賴?yán)^文.GPS測(cè)量技術(shù)及其在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].地礦測(cè)繪,2006,22(3):11-13.

[3]周瑞祥. GPS RTK技術(shù)在東海大橋樁基施工中的應(yīng)用[J].鐵道勘察, 2004(1):59-61.

[4]王紅，馮常勝.橋梁監(jiān)控中的GPS RTK技術(shù)[J].世界橋梁,2003(3):74-76.

2016-08-02

芶 潔(1980-)，女，四川合江人，武漢交通職業(yè)學(xué)院交通工程學(xué)院副教授，主要從事橋梁工程教學(xué)與研究。朱 浩(1980-)，男，江西瑞金人，中交二航局技術(shù)中心高級(jí)工程師，主要從橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測(cè)研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.03.019

U445.557

A

1672-9846(2016)03-0077-04