基于GNSS定位技術(shù)的靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)研究

韓建偉，梁偉英

（1、廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 南寧 530011；2、廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南寧 530007）

0 引言

靜壓樁以施工噪音低、振動(dòng)小，施工質(zhì)量易控制，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)在巖土工程、海洋工程等領(lǐng)域等到廣泛應(yīng)用［1-2］。在靜壓樁施工過(guò)程中，樁位的測(cè)量與確定通常采用全站儀或經(jīng)緯儀，由人工現(xiàn)場(chǎng)放線并引導(dǎo)壓樁機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)。然而，傳統(tǒng)的靜壓樁定位方法容易受到天氣、距離、儀器控制等諸多因素的影響。同時(shí)，由人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、引導(dǎo)無(wú)法精確控制壓樁機(jī)位置，且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)樁位確定、樁架調(diào)整、樁桿貫入等過(guò)程的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，對(duì)施工質(zhì)量、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益等造成嚴(yán)重影響［3］。

近年來(lái)，隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Naviga?tion Satellite System，GNSS）的不斷發(fā)展，GNSS 在工程放樣、地形測(cè)量等工程領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。GNSS 定位技術(shù)具有測(cè)量精度高、采樣頻率高、自動(dòng)化程度高的“三高”優(yōu)勢(shì)［4-8］。除進(jìn)行空間三維測(cè)量外，GNSS 還可獲取精度達(dá)3.0×10-5s 的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)四維測(cè)量［5］。同時(shí)，GNSS 不受氣候條件限制，在惡劣天氣中仍能保持正常工作［9-10］。

基于此，本文研發(fā)基于GNSS 定位技術(shù)的靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹系統(tǒng)組成和操作流程，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析了傳統(tǒng)定位工法和智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)的靜壓樁施工效果。

1 靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成與基本原理

靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)主要由定位模塊、定位引導(dǎo)處理模塊和監(jiān)測(cè)模塊組成。如圖1 所示，基于GNSS 技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)基站或地方CORS 系統(tǒng)（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)）為車載系統(tǒng)提供定位信息，從而引導(dǎo)靜壓樁樁機(jī)進(jìn)行壓樁施工。

圖1 靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Basic Principles of Intelligent Localization Control System for Static Pile Driver

定位模塊由GNSS 雙天線定位接收機(jī)、定位天線和GNSS 基站接收機(jī)組成，如圖2 所示。雙天線GNSS定位接收機(jī)和基站GNSS接收機(jī)通過(guò)線纜接入定位天線，接收機(jī)之間通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線電臺(tái)通訊模塊交互位置信息，由各自內(nèi)置的GNSS板卡解算位置信息，得到高精度定位信息。定位天線與雙天線GNSS定位接收機(jī)連接并安裝于靜壓樁樁機(jī)上，用于獲取壓樁機(jī)位置、航向等定位信息。

圖2 靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Components of Intelligent Localization Control System for Static Pile Driver

定位引導(dǎo)處理模塊為安裝在車載終端的內(nèi)置定位軟件，通過(guò)接受、處理定位信息對(duì)壓樁機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)。監(jiān)測(cè)模塊是安裝在平板電腦端的數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)車載平板終端軟件分析解算的數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議形式無(wú)線傳輸?shù)狡桨咫娔X端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 系統(tǒng)操作流程

首先，通過(guò)三腳架將GNSS 天線架設(shè)在施工現(xiàn)場(chǎng)選取的控制點(diǎn)上，架設(shè)無(wú)線電天線，并連接接收機(jī)和無(wú)線電主機(jī)（見圖3）。1 個(gè)基站可為多臺(tái)靜壓樁樁機(jī)提供定位導(dǎo)航信息，無(wú)線傳輸?shù)母采w范圍在空曠區(qū)域可達(dá)到4.0 km 左右，市區(qū)內(nèi)可達(dá)3.0 km。如圖4所示，將GNSS 雙天線定位接收機(jī)、無(wú)線信號(hào)接收天線和顯示終端安裝在靜壓樁樁機(jī)上。

圖3 基站設(shè)備連接示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Connections for the Base Station

圖4 車載設(shè)備連接安裝示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Installation for Vehicle Equipment

然后，在施工現(xiàn)場(chǎng)選取3～4 個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保定位誤差在允許范圍內(nèi)。在完成場(chǎng)地平整、靜壓樁成品和設(shè)備檢查后，將包含靜壓樁定位信息的CAD 文件導(dǎo)入系統(tǒng)后便可開始?jí)簶妒┕?。施工完成后，系統(tǒng)軟件還可根據(jù)要求輸出靜壓樁施工的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)介紹

位于廣西南寧的某商住樓工程，地貌單元屬南寧盆地邕江Ⅰ級(jí)階地，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探，場(chǎng)地土層的分布情況和物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。采用外徑500 mm、內(nèi)徑300 mm 的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁對(duì)地基進(jìn)行加固，樁身混凝土等級(jí)為C60，靜壓施工。

表1 各土層物理參數(shù)Tab.1 Mechanical Parameters of Soil

為研究靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)的施工效果，選取2臺(tái)型號(hào)相同的液壓靜力壓樁機(jī)，一組通過(guò)全站儀和鋼尺進(jìn)行人工定位，另一組采用本文研發(fā)的智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)對(duì)壓樁機(jī)進(jìn)行定位引導(dǎo)。通過(guò)在同一工程近似環(huán)境中開展壓樁施工，對(duì)比分析傳統(tǒng)的全站儀定位法和智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)的靜壓樁施工效果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于全站儀定位方法和智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行靜壓樁施工的樁體定位數(shù)據(jù)分別如表2 和表3 所示。由表2 可知，采用全站儀對(duì)靜壓樁施工進(jìn)行地位，樁體的實(shí)際定位信息與設(shè)計(jì)值存在較大偏差，平面內(nèi)最大偏差為10.8 cm，高程最大偏差為8.4 cm，水平坐標(biāo)和高程偏差的平均值分別為6.61 cm、6.90 cm 和6.69 cm。如表3 所示，采用智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)可將靜壓樁定位偏差控制在3.0 cm 以內(nèi)，水平坐標(biāo)和高程偏差的平均值分別為1.21 cm、1.10 cm 和1.46 cm。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用基于GNSS定位技術(shù)的壓樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)能有效減小靜壓樁定位偏差，顯著提高施工精度。

表2 基于全站儀測(cè)得的靜壓樁定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Locating Data for Static Pressure Piles Based on Total Station

表3 基于智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)的靜壓樁定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Tab.3 Locating Data for Static Pressure Piles Based on Intelligent Localization Control System

根據(jù)施工進(jìn)度的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，采用全站儀定位法的靜壓樁平均施時(shí)間為37.9 min∕根，而基于智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)的靜壓樁平均施工時(shí)間為32.7 min∕根，相較于傳統(tǒng)的全站儀定位方法，單根靜壓樁的施工時(shí)間減少了13.7%，明顯提升施工效率，節(jié)約工期。與此同時(shí)，采用基于GNSS定位技術(shù)的靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)還可以減少約20.0%的人工成本，大大提高了工程經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于GNSS 定位技術(shù)建立靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)基本原理和操作流程，對(duì)比傳統(tǒng)壓樁機(jī)定位方法，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)的靜壓樁施工效果。主要結(jié)論如下：①采用基于GNSS 定位技術(shù)的智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)能有效減小靜壓樁定位偏差，將偏差絕對(duì)值控制在3.0 cm 以內(nèi)，顯著提高靜壓樁施工精度；②靜壓樁樁機(jī)智能引導(dǎo)控制系統(tǒng)能縮短單樁施工時(shí)間，顯著提升施工效率，同時(shí)還能有效降低人工成本，進(jìn)一步提高工程經(jīng)濟(jì)效益。本文研究成果可對(duì)相關(guān)工程起到一定啟示和借鑒作用，具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。