遠(yuǎn)距離前方交會(huì)法打樁誤差分析與對(duì)策

谷告柏

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，沿海大噸位深水碼頭建設(shè)的增多，遠(yuǎn)離岸線打樁施工越來越常見，本文以湛江港新建油碼頭工程為例，對(duì)遠(yuǎn)距離（500～1200m）前方交會(huì)法打樁進(jìn)行了誤差分析，并針對(duì)各項(xiàng)誤差特點(diǎn)，提出了減小誤差的應(yīng)對(duì)措施。

一、引言

高樁碼頭的打樁定位目前仍較多采用傳統(tǒng)的前方交會(huì)法。當(dāng)岸線條件較好，便于架設(shè)測量儀器，前方交會(huì)角在60°～120°之間，且打樁距離岸線較近時(shí)，采用此方法進(jìn)行打樁定位精度較高，能滿足施工規(guī)范要求。但隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，沿海大噸位深水碼頭建設(shè)的增多，遠(yuǎn)離岸線打樁施工越來越常見，在這種情況下，前方交會(huì)法打樁定位精度受距離影響較大。本文以湛江港新建油碼頭工程為例，對(duì)遠(yuǎn)距離（500～1200m）前方交會(huì)法打樁進(jìn)行了誤差分析，并提出了削弱打樁誤差的對(duì)策，以滿足打樁施工精度要求。

二、前方交會(huì)法打樁簡介與工程概況

1、前方交會(huì)法打樁簡介

前方交會(huì)法是指在2個(gè)以上的已知測站上架設(shè)測量儀器，觀測目標(biāo)點(diǎn)與已知點(diǎn)間的水平角或方位角，利用已知測站坐標(biāo)即可確定目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的測量方法，測設(shè)元素為水平角，如圖1：前方交會(huì)法示意圖。由于交會(huì)方向一般不會(huì)交于一點(diǎn)，而出現(xiàn)示誤三角形（多變形），在精度滿足要求的條件下，取示誤三角形（多邊形）重心作為測設(shè)點(diǎn)位。同時(shí)利用誤差傳播定律分析可知，當(dāng)前方交會(huì)角等于109°28′時(shí)，前方交會(huì)法測設(shè)點(diǎn)位精度最高。前方交會(huì)法打樁定位是利用前方交會(huì)法原理，在2個(gè)以上已知測量點(diǎn)的上架設(shè)儀器，并同時(shí)觀測目標(biāo)點(diǎn)（樁身某點(diǎn)）方位角，實(shí)時(shí)反映樁位情況，并指揮樁船就位打樁。

2、工程概況

湛江港新建油碼頭為高樁碼頭，樁基礎(chǔ)有600*600m預(yù)應(yīng)力混凝土方樁、￠1000mmPHC樁、￠1300mm、￠1400mm鋼管樁等。三面環(huán)水，一面臨岸線打樁施工距離岸線在500～1200m之間，如圖2所示。碼頭附近水深較深，約16m～20m，搭設(shè)測量平臺(tái)造價(jià)高，且平臺(tái)易受風(fēng)、水流浪影響穩(wěn)定性差，不利于施工測量。

三、遠(yuǎn)距離前方交會(huì)法打樁誤差分析與減小誤差對(duì)策

1、誤差來源

由前方交會(huì)法打樁定位過程分析可知，其誤差主要來源于以下方面：控制點(diǎn)誤差、測站對(duì)中誤差、儀器誤差、大氣折射誤差、照準(zhǔn)誤差、高程控制誤差、樁位扭角誤差、樁身傾角誤差及其他誤差。

2、控制點(diǎn)誤差

高樁碼頭打樁施工一般需經(jīng)歷數(shù)月，現(xiàn)場布置的打樁測量控制點(diǎn)可能出現(xiàn)一定的位移現(xiàn)象，亦或打樁測量控制點(diǎn)測量過程中已經(jīng)存在的點(diǎn)位誤差，這些控制點(diǎn)位誤差必然給打樁定位帶來誤差，其影響關(guān)系如圖2所示。

控制點(diǎn)A若位移至A點(diǎn)（或控制點(diǎn)測量引起的點(diǎn)位誤差），假設(shè)其位移值為△XA，△YA，位移量為SA。則由圖示幾何關(guān)系可計(jì)算推導(dǎo)出樁位位移值：

由上式可以看出，控制點(diǎn)誤差導(dǎo)致打樁定位誤差與測站A、B與樁身點(diǎn)P點(diǎn)形成的夾角α、β以及位移值△XA，△YA相關(guān)，對(duì)α、β分別求偏導(dǎo)并經(jīng)數(shù)據(jù)分析后可得出：

（1）當(dāng)前方交會(huì)角γ為90°且β等于45°時(shí)，控制點(diǎn)誤差引起的打樁定位誤差最小，其值為√2/2S。

（2）當(dāng)前方交會(huì)角γ等于60°或120°時(shí)，控制點(diǎn)位誤差引起的沉樁定位誤差值相等。若γ在60°~120°之間時(shí)，將有利于減弱控制點(diǎn)誤差的傳播；若γ在0°~60°或120°~180°之間時(shí)，控制點(diǎn)誤差可能被放大傳播，不利于打樁定位精度的控制。

（3）打樁過程中應(yīng)定期復(fù)測打樁測量控制點(diǎn)。

（4）打樁定位控制點(diǎn)應(yīng)定時(shí)進(jìn)行復(fù)測校核。

3、測站對(duì)中誤差

打樁測量過程中在已知點(diǎn)擺設(shè)儀器不可避免出現(xiàn)測站對(duì)中誤差，該誤差對(duì)打樁定位的影響與控制點(diǎn)誤差對(duì)打樁定位的影響方式基本相同，參考控制點(diǎn)誤差打樁誤差分析。根據(jù)施工測量實(shí)際情況與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該誤差一般在±2mm以內(nèi)，其值較小，對(duì)打樁定位的影響與控制點(diǎn)誤帶來的打樁定位的影響較小，一般不被認(rèn)為是影響打樁定位精度的主要因素。

4、儀器測角誤差

測量儀器的誤差直接影響觀測值的精度，打樁過程中常用的經(jīng)緯儀、全站儀儀器誤差主要來源于：（1）視準(zhǔn)軸誤差（2）橫軸誤差（3）豎軸誤差（4）照準(zhǔn)部偏心差（5）豎盤指標(biāo)差（6）度盤分劃誤差。經(jīng)相關(guān)部門鑒定過的測量儀器，其儀器誤差應(yīng)在儀器等級(jí)誤差范圍內(nèi)，常用的J2經(jīng)緯儀、全站儀一般方向觀測中誤差為±2√2″，角度測回中誤差為2″。其對(duì)打樁定位如圖4所示。由此可推算其對(duì)打樁定位的影響。關(guān)系式為：m儀＝±l×sinε1 ，由此可以看出：測站與樁身距離越遠(yuǎn)儀器誤差對(duì)打樁定位的影響越大，對(duì)打樁定位影響越明顯。當(dāng)測站與樁身距離為1000m，使用J2經(jīng)緯儀時(shí)，儀器誤差對(duì)打樁定位的影響為±10mm。沉樁應(yīng)使用經(jīng)簽定合格的測量儀器，沉樁過程中正確使用儀器，注意觀察儀器使用有無異常。

5、外界環(huán)境影響造成的誤差

觀測角度是在一定的外界條件下進(jìn)行的，外界條件的變化對(duì)觀測質(zhì)量有直接的影響。如地面松軟和大風(fēng)影響儀器的穩(wěn)定；日曬和溫度影響水準(zhǔn)管氣泡的居中；大氣層受地面熱輻射的影響會(huì)引起目標(biāo)影像的跳動(dòng)等，這些都會(huì)給觀測角度帶來誤差。這些誤差有一定的偶然因素。

6、照準(zhǔn)誤差

遠(yuǎn)距離打樁定位過程中易受水面霧氣、光線、樁身顏色質(zhì)等因素的干擾引起樁身目標(biāo)照準(zhǔn)誤差，該誤差對(duì)打樁定位的精度影響與儀器測角誤差基本相同，但根據(jù)測量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該值一般大于儀器測角誤差。其影響打樁誤差關(guān)系式為：m照＝l×sinε2 。由此式可以看出樁身目標(biāo)照準(zhǔn)方位角觀測偏差將被測站與樁身之間的距離放大傳播，對(duì)沉樁影響較大，值得注意引起重視。當(dāng)測站與樁身距離為1000m，照準(zhǔn)目標(biāo)方位角偏差為10″時(shí)，對(duì)打樁定位影響為：48mm。因此，采用前方交會(huì)法遠(yuǎn)距離實(shí)際打樁過程中，當(dāng)樁身目標(biāo)觀測不清晰的情況下應(yīng)采取切實(shí)可行的措施使照準(zhǔn)方位角誤差減小。在施工過程中常用的辦法有：（1）搬遷測站改善觀測環(huán)境。（2）增加多余觀測值（如增加樁身交會(huì)觀測經(jīng)緯儀）。（3）在樁身目標(biāo)處設(shè)置醒目標(biāo)志，以便于照準(zhǔn)測量觀測。（4）打樁船上作業(yè)人員與測站觀測人員通過對(duì)講機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)照準(zhǔn)目標(biāo)特征進(jìn)行核對(duì)，引導(dǎo)岸上測量人員對(duì)樁身目標(biāo)的照準(zhǔn)，防止出現(xiàn)目標(biāo)瞄準(zhǔn)錯(cuò)誤。

7、高程控制誤差

遠(yuǎn)距離打樁施工中，高程的控制用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀觀測因受儀器可觀測視線距離、水面大氣折射等影響幾乎不能滿足施工的需要。而采用潮位控制樁位高程受水域風(fēng)浪影響大，觀測的精度差。在湛江港油碼頭打樁過程中，采用全站儀三角高程測量控制樁位高程。其測量轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：HP=hA+Dtanα+i－v1（式中D在樁身大致就位后可用樁身與測站的設(shè)計(jì)距離代替）如圖4所示。由此式可知，其誤差主要來源于豎角觀測誤差。根據(jù)實(shí)際操作情況，采用南方全站儀，豎角觀測誤差ε3一般在10″范圍內(nèi)，可推算高程控制誤差關(guān)系式為：mH＝D×tanε3，當(dāng)D等于1000m，豎角觀測誤差ε3等于6″時(shí)，高程控制誤差為29mm。由此同時(shí)將導(dǎo)致樁身平面定位的誤差，其值為29×n mm，n為樁身斜率。當(dāng)樁身斜率為1:4時(shí)，該值為7mm。

8、樁位扭角誤差

前方交會(huì)法對(duì)于斜樁平面扭角的定位是利用打樁過程中船體縱軸線方位角與樁身平面扭角方位角近乎一致的船舶施工性能，樁身平面扭角的控制即為船尾扭角的控制。船尾扭角的控制同樣利用前方交會(huì)法進(jìn)行測量定位。如圖5所示。船尾扭角誤差引起的樁身平面定位誤差為： m扭＝L*n×sinε4（L為樁身點(diǎn)至樁身控制標(biāo)高處的樁身長度，n為樁身斜率）。由此可見斜樁打樁過程中樁身平面誤差與船尾扭角誤差成正比的關(guān)系。當(dāng)樁位扭角誤差為0.5°，樁身斜率為1:4時(shí)，距離控制標(biāo)高50m處樁身平面誤差達(dá)109mm。綜合考慮樁身斜率，扭角誤差直接導(dǎo)致了樁身空間位置誤差，由此可直接導(dǎo)致“碰樁”現(xiàn)象的產(chǎn)生，故打樁定位中應(yīng)重視船尾扭角的控制。船尾扭角應(yīng)控制在0.1°～0.2°之間，才有利于樁身空間位置的控制。

9、樁身傾角誤差

樁身傾角測定一般利用安裝在樁架上的測傾儀，測定樁身傾角。其誤差值與測傾儀的測量精度及樁架結(jié)構(gòu)的整體性有關(guān)。如圖7所示。樁身傾角誤差引起的樁身平面誤差為： m傾＝L*Δn（L為樁身點(diǎn)至樁身控制標(biāo)高處的樁身長度，△n為樁身傾角誤差）。如當(dāng)傾角誤差為0.5°，樁身斜率為1:4時(shí)，距離控制標(biāo)高50m處50m平面誤差達(dá)437mm。

四、結(jié)語

通過上述對(duì)遠(yuǎn)距離前方交會(huì)法打樁定位誤差的分析，為提高打樁正位率，施工過程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）遠(yuǎn)距離前方交會(huì)法隨距離增加而測量誤差被放大傳播而影響打樁定位精度的影響因素主要有：測角誤差、照準(zhǔn)誤差。

（2）為減少測角誤差、照準(zhǔn)誤差，常采取以下措施可減少測量誤差：

①在樁身目標(biāo)處設(shè)置醒目標(biāo)志，以便于照準(zhǔn)測量觀測；

②搬遷測站改善觀測環(huán)境，樁身目標(biāo)清晰可見；

③增加多余觀測值（如增加樁身交會(huì)觀測經(jīng)緯儀）；

④打樁船上作業(yè)人員與測站觀測人員通過對(duì)講機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)照準(zhǔn)目標(biāo)特征進(jìn)行核對(duì)，引導(dǎo)岸上測量人員對(duì)樁身目標(biāo)的照準(zhǔn)，防止出現(xiàn)目標(biāo)瞄準(zhǔn)錯(cuò)誤；

⑤沉樁應(yīng)使用經(jīng)簽定合格的測量儀器，沉樁過程中正確使用儀器，注意觀察儀器使用有無異常。

（3）在施打斜樁過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制樁位扭角，樁身傾角。其誤差的增加常常導(dǎo)致了“碰樁”現(xiàn)象的產(chǎn)生。遠(yuǎn)距離前方交會(huì)法沉樁建議扭角誤差控制在0.1°～0.2°之間，樁身傾角控制在0.7°以下。

（4）遠(yuǎn)距離前方交會(huì)法沉樁受氣象條件、外界環(huán)境影響因素較大。最主要的不利因素有：大霧天氣、溫差變化大、大風(fēng)天氣、大氣層受地面熱輻射引起目標(biāo)影像的跳動(dòng)、大氣折射等。

參考文獻(xiàn)

[1]李清岳.工程測量學(xué)，測繪出版社，1984年，第一版

[2]許婭婭.測量學(xué)，人民交通出版社，2002年，第二版