水上沉樁定位技術(shù)的探討

劉吉明 彭 四

中交二航局第一工程有限公司

1 概述

水上沉樁是水工建筑物的一部分，或者作為水工建筑物施工的輔助部分，已廣泛應(yīng)用于橋梁工程、城市軌道交通工程以及碼頭等工程。在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中起到了重要的意義。由于其特殊的施工環(huán)境，從而引起獨(dú)特的測量控制方法，下面我們就不同的水上沉樁類型，分別研究其測量控制數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型及現(xiàn)場具體的控制方法。

2 樁的主要類型及相關(guān)的設(shè)計(jì)術(shù)語

水上沉樁，通常按照其材質(zhì)、斷面形狀、布設(shè)方式來分類。（1）按照材質(zhì)分按樁的材質(zhì)一般分為預(yù)應(yīng)力混泥土樁和鋼管樁。

（2）按斷面形狀分。按樁的斷面形狀，有圓樁、方樁。

（3）按布設(shè)方式分。按樁的布設(shè)方式分為直樁和斜樁，其中斜樁又分為仰樁和俯樁。仰、俯樁是相對于打樁船的樁架來區(qū)分的（如圖1）。

圖1 樁基的平面布置圖

由圖1看到設(shè)計(jì)圖紙一般給出如下幾個設(shè)計(jì)參數(shù)：沒有箭頭的為直樁，帶箭頭的是斜樁。斜樁設(shè)計(jì)給出斜率圖中是5：1，以及扭角分左扭和右扭，一般是面向圖紙以設(shè)計(jì)軸線為參考左手為左扭，右手為右扭，圖中扭角給的都是23°施工中必須嚴(yán)格控制斜樁的偏位及平面扭角，以免碰樁。

3 沉樁定位的主要方法及數(shù)學(xué)計(jì)算方法

沉樁方法一般有兩種：正、側(cè)面基線切線交會和任意基線切點(diǎn)交會法。正側(cè)面切線法需要滿足的一個條件是施工區(qū)域側(cè)面能夠布設(shè)一條與碼頭平臺前沿線平行的基線，正面能夠布設(shè)一條與碼頭平臺前沿線垂直的基線（如圖2）。然而實(shí)際情況是，實(shí)際地形不易設(shè)置側(cè)面基線，需要設(shè)置專門的打樁測量平臺或施工棧橋。此方法簡單直觀，可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑慕ㄖ锏妮S線坐標(biāo)測設(shè)出相應(yīng)的基線，但費(fèi)時需頻繁搬動儀器且施工成本高，一般不予采用。

圖2 正、側(cè)面基線布置圖

另一種任意夾角施工基線的方法（如圖3），在水域岸邊合適位置設(shè)置控制點(diǎn)，用兩臺或者三臺經(jīng)緯儀對其作任意切點(diǎn)的前方交會。通常用兩架經(jīng)緯儀定位，一架經(jīng)緯儀校核。這種方法設(shè)站靈活不受地形影響，但需要計(jì)算沉樁所需的大量數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)處理起來比較麻煩。下面我們將對不同類型的樁的計(jì)算方法進(jìn)行分析討論。

圖3 任意基線布置圖

3.1 圓直樁平面位置計(jì)算

假設(shè)樁的半徑為R，樁的設(shè)計(jì)坐標(biāo)為X、Y，控制點(diǎn)坐標(biāo)為N、E（以控制點(diǎn)A為例）。

圖4

根據(jù)樁中心設(shè)計(jì)坐標(biāo)和控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過坐標(biāo)反算公式，得到樁中心到控制點(diǎn)的方位角α以及兩點(diǎn)間的距離S，在此基礎(chǔ)上加上或者減去控制點(diǎn)與樁切線間的夾角ε，即可得到樁兩邊切線的方位角。由已知數(shù)據(jù)易得：

3.2 圓斜樁平面位置計(jì)算

由于斜樁在水平面上的投影是一個橢圓，所以不同的切點(diǎn)位置處，橢圓的半徑不一樣，根據(jù)嚴(yán)密的計(jì)算方法確定切點(diǎn)出的半徑比較復(fù)雜，一般來說采用近似計(jì)算方法確定其半徑的長度，計(jì)算結(jié)果的精度已經(jīng)足夠符合施工要求。

圖5

同理，假設(shè)樁半徑為R，斜率為n，扭角為β，樁的設(shè)計(jì)坐標(biāo)為X、Y，控制點(diǎn)坐標(biāo)為N、E（以控制點(diǎn)A為例），先計(jì)算橢圓的近似半徑B。

易知斜樁的最短半徑：

最長半徑：

故：扭角的控制，如果樁船沒有GPS定位技術(shù)，我們主要通過對樁船船尾明顯標(biāo)志物的控制來實(shí)現(xiàn)，一般情況下控制船尾的桅桿。我們通過碼頭平臺軸線的方位角和樁位扭角可以得到船身軸線的方位角，再根據(jù)樁位坐標(biāo)和船尾標(biāo)志物之間的距離即可得出標(biāo)志物的空間坐標(biāo)。通過前方交會定出樁的扭角（此過程可能存在反復(fù)定位的情況，要根據(jù)沉樁經(jīng)驗(yàn)綜合考慮）。

3.3 方樁直樁平面位置計(jì)算

圖6 方樁斷面圖

同圓樁控制方法不同的是，方樁控制兩個棱角位置。假設(shè)樁的長為a，寬為b。樁設(shè)中心O點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)為X、Y，控制點(diǎn)坐標(biāo)為N、E，α為碼頭平臺寬度方向的方位角。則O1點(diǎn)坐標(biāo)為：

易知：

同理得：

3.4 方樁斜樁平面位置計(jì)算

同方樁直樁區(qū)別的是斜樁有了斜率和扭角，由此帶來的計(jì)算模型不同有兩個，一是，樁軸線方向的方位角加上或者減去扭角（與左扭還是右扭有關(guān)），二是，沿樁傾斜方向軸線的邊長在平面投影面上變短。

例：假設(shè)樁斜率為1：5，樁斷面尺寸為600mm×600mm則樁一半的邊長由S變?yōu)镾1

由上式可以知：傾斜引起邊長變形對于沉樁的精度來說，可以忽略不計(jì)。因此計(jì)算兩棱角坐標(biāo)時，可直接采用樁的斷面尺寸，其他的直接套用直樁的計(jì)算公式。

扭角的控制，同圓斜樁。

3.5 沉樁樁頂高程位置控制與計(jì)算

（1）在岸上架設(shè)水準(zhǔn)儀配合樁身上的刻度數(shù)來控制樁頂標(biāo)高，水準(zhǔn)儀視線高要低于樁頂標(biāo)高。

（2）通過架設(shè)在岸上的經(jīng)緯儀或者全站儀利用三角高程來控制樁頂標(biāo)高。

4 數(shù)學(xué)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法

4.1 通過execl表格來實(shí)現(xiàn)

優(yōu)點(diǎn)：界面清晰，計(jì)算快速；數(shù)據(jù)錄入容易，且易于檢查出數(shù)據(jù)輸入是否錯誤；計(jì)算出的放樣數(shù)據(jù)便于打印。

缺點(diǎn)：軟件函數(shù)較少，程序若嵌套多難以實(shí)現(xiàn)。

4.2 通過編寫VB程序?qū)崿F(xiàn)

優(yōu)點(diǎn)：可視化的操作界面，計(jì)算快速，一次計(jì)算的數(shù)據(jù)量大（成千上萬根）；可輸出原始數(shù)據(jù)，以便檢查出數(shù)據(jù)輸入是否錯誤；計(jì)算出的放樣數(shù)據(jù)結(jié)果可以打印。

缺點(diǎn)：電腦需要安裝VB 語言軟件；原始數(shù)據(jù)通過記事本的形式輸入速度較慢，且輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果也是記事本形式的；由于是用電腦計(jì)算不利于攜帶，必須提前計(jì)算好。

4.3 通過CASIO可編程的便攜式計(jì)算器來實(shí)現(xiàn)

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算器小攜帶方便，可以在現(xiàn)場快速計(jì)算。

缺點(diǎn)：計(jì)算速度慢，一次只能計(jì)算一根樁位的一個控制數(shù)據(jù)，且需要輸入大量的已知數(shù)據(jù)；輸入的數(shù)據(jù)打印不出來，需要反復(fù)的檢查，以免出現(xiàn)由于原始數(shù)據(jù)的錯誤而引起計(jì)算結(jié)果的偏差。

4.4 通過CAD的畫圖功能來實(shí)現(xiàn)

優(yōu)點(diǎn)：傻瓜式的數(shù)據(jù)輸出功能，只需要按照比例畫出樁及樁位，在平面圖上標(biāo)出控制點(diǎn)連接控制點(diǎn)與樁切線（圓樁），利用CAD標(biāo)注功能表示出夾角。

缺點(diǎn)：畫線太多，有時撲捉容易出錯，也需要提前在辦公室提前提取出相應(yīng)數(shù)據(jù)難以解決現(xiàn)場突發(fā)狀況。

綜上所述，對于沉樁控制數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的實(shí)現(xiàn)方法，我們一般用方法一加方法三，或者方法二加方法三的模式實(shí)現(xiàn)，大量的數(shù)據(jù)在舒適的辦公區(qū)計(jì)算出來，現(xiàn)場突發(fā)狀況則用便攜式計(jì)算器來實(shí)現(xiàn)。

5 其他定位方法

GPS 定位技術(shù)：GPS 技術(shù)的迅速發(fā)展，帶來了水上沉樁測量技術(shù)的更新。在打樁船的特定位置上固定架設(shè)兩臺GPS,通過量測GPS 與樁船的相對位置建立坐標(biāo)系統(tǒng)，從而對樁進(jìn)行施工定位。這種技術(shù)不受天氣條件的影響，可以全天候的施工，而且由于可視化的視窗，既能更迅速、更直觀的定位，又能顯示出具體樁位的偏位差值，目前在施工中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但在斜樁定位的效果上有待驗(yàn)證，且它不能準(zhǔn)確監(jiān)測出樁端的標(biāo)高和樁瞬時的貫入度；另外這種沉樁定位技術(shù)，在履帶式起重設(shè)備結(jié)合振動錘的沉樁方法上，以及其他沉樁設(shè)備上，還沒有在實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用過，因此目前還不能完全的取代傳統(tǒng)的定位技術(shù)。

6 總結(jié)

以上就是我們目前水上沉樁，所遇到的各種情況的簡單介紹，以及它們的計(jì)算方法，可以根據(jù)自己所處的環(huán)境條件，選擇適宜的方法。除了理論計(jì)算，我們還應(yīng)該善于從現(xiàn)場沉樁過程控制中，總結(jié)并汲取經(jīng)驗(yàn)，靈活處理現(xiàn)場沉樁中所遇到的各種情況，保證施工順利進(jìn)行，使之滿足工程建設(shè)的要求。