GPS海上定位技術(shù)在預(yù)制墩臺吊裝精調(diào)中應(yīng)用

易建華，姬翠翠，黃文學(xué)，楊銀波

（中交二航局二公司測繪大隊，重慶 400042）

0 引言

港珠澳大橋橫跨30余km的海域，從珠海到香港整個路段包括海底隧道和橋梁，由于海上受風(fēng)浪較大，對海上工程測量的定位和精度調(diào)節(jié)造成嚴重影響，加大了工作難度，所以此文對港珠澳大橋埋置式承臺墩身在海上定位和精調(diào)的過程進行了總結(jié)，并對建設(shè)中發(fā)現(xiàn)的問題提出了可行性的建議，便于此項技術(shù)在海上施工測量的推廣[1]。

1 工程概況

港珠澳大橋足尺模型工藝試驗墩數(shù)量1個，工藝試驗墩中心樁號為K22+853m，向北偏離橋軸線150m。

預(yù)制承臺的幾何尺寸為10.6m×10.1m×4.5m，預(yù)制墩身尺寸為5.0m×3.5m×13.4m，其結(jié)構(gòu)及幾何尺寸見圖1。

圖1 墩臺結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）Fig.1 structure of the pier（cm）

2 儀器設(shè)備、坐標系統(tǒng)及高程基準

項目投入的主要儀器設(shè)備有精密全站儀1臺，經(jīng)緯儀2臺，Leica NA2水準儀1臺，天寶R6 GPS接收機3臺。

測量定位采用港珠澳大橋統(tǒng)一的測量基準。平面基準采用港珠澳大橋測控中心建立的橋梁工程坐標系，高程基準采用1985國家高程基準。

預(yù)制墩臺吊裝測量控制網(wǎng)統(tǒng)一采用測控中心提供的HZMB-CORS系統(tǒng)[2]和首級控制點坐標成果表，使用海上施工GNSS定位系統(tǒng)，進行RTK實時定位時采用測控中心提供的坐標轉(zhuǎn)換七參數(shù)[3]。

3 預(yù)制墩臺海上定位方法及精調(diào)

3.1 預(yù)制墩臺吊裝概述

墩臺用駁船運至現(xiàn)場后在墩旁拋錨定位，用2200 t浮吊起吊安裝。墩臺起吊至鋼管樁上方后進行粗導(dǎo)向定位，以確保鋼管樁順利穿入承臺預(yù)留孔。粗導(dǎo)向定位完成后，緩慢下放墩臺，直至吊具及懸掛系統(tǒng)擱置在樁頂?shù)闹螛睹鄙希龖覓煜到y(tǒng)的豎向千斤頂受力均勻后，浮吊落鉤完成墩臺粗安裝。利用懸掛系統(tǒng)的水平油缸組、豎向油缸組及預(yù)留孔內(nèi)的水平油缸組精確調(diào)整，直至墩臺準確安裝就位。預(yù)制墩臺精調(diào)流程見圖2。

圖2 墩臺精確調(diào)位流程圖Fig.2 Flow chart of the accurate adjustment and positioning of piers

預(yù)制墩臺吊裝過程精確調(diào)位方法為：墩臺精確調(diào)位通過各調(diào)整油缸組來完成，其中豎向調(diào)整、X向調(diào)整、Y向調(diào)整和墩臺頂緊油缸組用于精確調(diào)位。各油缸組的每個油缸均可獨立控制伸縮的位移和載荷，實現(xiàn)精確調(diào)整。

3.2 樁基復(fù)核

預(yù)制承臺、墩身吊裝前，對基樁平面位置及相對平面位置利用全站儀三維坐標法進行復(fù)核和樁頂高程及樁身傾斜度等進行復(fù)核測量，確定群樁空間姿態(tài)，推算樁基標高+6～-9.9m處樁基的偏位情況，為預(yù)制承臺、墩身吊裝提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 預(yù)制墩臺精調(diào)控制點布置

通過在墩頂安裝的吊具系統(tǒng)上布置測量控制點來實現(xiàn)預(yù)制墩臺的安裝定位及精調(diào)。根據(jù)預(yù)制墩臺與吊具系統(tǒng)的相對幾何尺寸關(guān)系，在吊具上布置4個測量調(diào)位點，4個高程調(diào)位點，并用油漆做好標記。注意測量調(diào)位點的保護工作，吊具上精調(diào)點布置如圖3所示。

圖3 吊具上精調(diào)點布置圖Fig.3 layout of the accurate adjustment points of the lifting sling

3.4 預(yù)制墩臺吊裝粗定向

預(yù)制墩臺吊裝下放時，由于預(yù)制墩臺處于懸吊狀態(tài)，無法對其進行GPS-RTK測量，故預(yù)制墩臺吊裝下放過程，只能通過人為觀察和調(diào)整預(yù)制墩臺上的攬繩來指導(dǎo)預(yù)制墩臺的下放。緩慢下放墩臺，直至吊具及懸掛系統(tǒng)擱置在樁頂?shù)闹螛睹鄙希龖覓煜到y(tǒng)的豎向千斤頂受力均勻后，浮吊落鉤完成墩臺的粗定向。

3.5 預(yù)制墩臺精調(diào)

預(yù)制墩臺粗安裝完成后，下步工作即預(yù)制墩臺的精調(diào)，按調(diào)整順序主要包括垂直度、墩頂標高、平面位置3部分的精調(diào)工作。

3.5.1 預(yù)制墩臺垂直度精調(diào)

由于受鋼圍堰及吊具系統(tǒng)遮擋的原因，利用經(jīng)緯儀豎絲法調(diào)整墩身垂直度受限，故只能采用懸吊垂球的方法測量墩身垂直度，多次測量取平均作為墩身的垂直度，根據(jù)量測的墩身垂直度，指導(dǎo)吊具系統(tǒng)及承臺預(yù)留孔內(nèi)預(yù)裝的自動液壓千斤頂來對墩身垂直度進行調(diào)整，反復(fù)測量及調(diào)整，直至墩身垂直度滿足設(shè)計要求為止。

3.5.2 預(yù)制墩臺高程精調(diào)

由于預(yù)制墩身頂已被吊具系統(tǒng)覆蓋，無法直接在墩頂架設(shè)水準儀精調(diào)，故只能通過對在吊具系統(tǒng)頂面上預(yù)先布置的高程調(diào)位點的精調(diào)來實現(xiàn)預(yù)制墩身高程的精調(diào)，具體方法為：

首先在吊具系統(tǒng)上架設(shè)GPS接收機，利用GPS-RTK測量方法，測定一點的高程，測量時長15min[4-5]，得到一個高程基準點，然后架設(shè)徠卡NA2水準儀，測量吊具4個角點（高程調(diào)位點）與已知高程點的高差，計算得到吊具四角高程，通過吊具系統(tǒng)的豎向液壓千斤頂來調(diào)整預(yù)制墩身的高程，重復(fù)以上過程，反復(fù)測量，多次精調(diào)直至預(yù)制墩身頂標高達到設(shè)計高程為止。

3.5.3 預(yù)制墩臺平面精調(diào)

預(yù)制墩臺的平面精調(diào)也是通過吊具系統(tǒng)上預(yù)先布置的調(diào)位點的精調(diào)來實現(xiàn)的，根據(jù)預(yù)制墩臺與吊具系統(tǒng)的相對尺寸關(guān)系，計算出吊具系統(tǒng)上平面調(diào)位點的坐標。

在吊具頂面上的調(diào)位點上同時架設(shè)3臺GPS接收機，對調(diào)位點的坐標進行實時測量，根據(jù)GPS接收機實時測量得到的坐標值，與吊具系統(tǒng)上布置的精調(diào)點的設(shè)計坐標進行比較，得到預(yù)制墩臺的平面偏位及平面扭角，指導(dǎo)液壓調(diào)位系統(tǒng)對預(yù)制墩臺進行調(diào)整，反復(fù)測量與精調(diào)，根據(jù)不在同一直線上的3點確定一個平面的原理，當(dāng)3臺GPS接收機的坐標都達到設(shè)計坐標時，即表示預(yù)制墩臺平面調(diào)位完成[6]。

4 預(yù)制墩臺復(fù)核測量

預(yù)制墩臺體系轉(zhuǎn)換完成、吊具系統(tǒng)拆除后，在墩頂面上已經(jīng)布置好的軸線點上架設(shè)GPS接收機，利用GPS-RTK測量方法，測定預(yù)制墩身軸線點的坐標，測量時長15min，并利用徠卡NA2水準儀測量墩頂四角高程。利用懸吊垂球法測量墩身垂直度。得到預(yù)制墩臺吊裝定位及精調(diào)的最終成果。采用GPS-RTK測量模式進行精調(diào)，故其定位精度為平面±2 cm，高程±3 cm[7]。

預(yù)制墩臺吊裝完成竣工測量示意圖見圖4，預(yù)制墩臺吊裝定位竣工測量成果見表1，預(yù)制墩臺吊裝墩頂四角高程竣工測量成果見表2，預(yù)制墩臺吊裝完成垂直度竣工測量成果見表3。

圖4 預(yù)制墩臺竣工測量示意圖Fig.4 Sketch of the final survey of the precast pier

表1 預(yù)制墩臺吊裝定位竣工測量成果表Table 1 Completion measurement results of the lifting and positioning of precast pier m

表2 預(yù)制墩臺吊裝墩頂四角高程竣工測量成果Table 2 Completion measurement results of the four corners elevation on the top of the lifting precast pier

5 結(jié)語

通過預(yù)制墩臺吊裝定位及精調(diào)測量整個過程，即證明了此項技術(shù)的可行性，也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下方面并給出建議。

1）在預(yù)制墩臺下放到位后，由于受鋼圍堰及吊具系統(tǒng)的遮擋，墩身垂直度的監(jiān)測較難實現(xiàn)。目前暫只能采用懸掛垂球的方法進行。

建議在預(yù)制墩身上設(shè)計測量通道和掛籃，方便垂直度測量。主體工程上墩身安裝時，建議在墩身上預(yù)先安裝反射片，利用全站儀三維坐標法測量其垂直度。

2）在預(yù)制墩臺精調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)，液壓調(diào)位系統(tǒng)對墩臺的平面扭角的調(diào)整能力不強，耗費大量時間及精力。

建議對液壓調(diào)位系統(tǒng)進行設(shè)計改進。以適應(yīng)平面扭角的調(diào)整。

3）吊具系統(tǒng)上部空間狹小且布置的機具較多，不利于測量精調(diào)時測量儀器設(shè)備的布置，對測量精調(diào)帶來不便。

建議對吊具系統(tǒng)進行改進，預(yù)留出足夠的測量空間。

4）由于吊具系統(tǒng)將預(yù)制墩身頂部遮蓋，無法直接測量墩身頂部軸線的平面偏位及高程，只能以吊具系統(tǒng)的軸線偏位和高程來代替進行精調(diào)。

建議每次海上吊裝前，應(yīng)在陸地上將吊具系統(tǒng)安裝就位，利用預(yù)制場建立的以平行墩身縱橫軸線為基礎(chǔ)的獨立測量控制網(wǎng)，將預(yù)制墩臺的軸線及高程精調(diào)點引測至吊具系統(tǒng)頂部，根據(jù)坐標系統(tǒng)之間的關(guān)系進行坐標轉(zhuǎn)換，將獨立坐標轉(zhuǎn)換至橋梁工程坐標，再進行海上安裝精調(diào)，防止由于吊具安裝誤差給預(yù)制墩臺的最終定位精度帶來影響。且陸地導(dǎo)向架安裝難度遠小于海上導(dǎo)向架安裝。

5）預(yù)制墩臺精調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)，在海浪沖擊力作用下，預(yù)制墩臺及鋼管樁存在晃動情況，預(yù)制墩臺與鋼管樁的相對晃動位移在4 cm左右，給預(yù)制墩臺精調(diào)定位帶來不確定性。

建議采取工程措施進行加固。

6）承臺墩身預(yù)制時，承臺軸線與墩身軸線及承臺預(yù)留孔與墩身軸線相對應(yīng)的幾何尺寸關(guān)系要盡量與設(shè)計一致，防止墩臺精調(diào)到位后，預(yù)留孔與鋼管樁壁的間隙不均，對下步止水工作帶來難度。

建議在預(yù)制場建立精密的獨立控制網(wǎng)及測量塔，嚴格施測與數(shù)據(jù)平差，以保證預(yù)制精度要求。

7）由于目前施工現(xiàn)場缺少測量基準點，在預(yù)制墩臺精調(diào)時采用的方法為GPS-RTK的測量方法，其測量精度難以實現(xiàn)預(yù)制墩身安裝軸線偏位±1 cm，高程不符值±1 cm的定位精度要求[5]。故不建議主體工程時采用GPS-RTK測量方法進行預(yù)制墩臺安裝的精調(diào)工作。

建議在主體工程施工時，利用已經(jīng)建設(shè)好的測量平臺和優(yōu)先墩上布設(shè)的測量控制網(wǎng)點，利用全站儀三維坐標法對預(yù)制墩臺安裝進行精調(diào)，以保證墩臺安裝的絕對定位精度。優(yōu)先墩的定位控制采用測量平臺上的測量控制定位進行精調(diào)，故應(yīng)注意優(yōu)先墩的施工順序[8]。

8）通過對預(yù)制墩臺安裝的測量控制發(fā)現(xiàn)，海上施工預(yù)制墩臺安裝定位軸線偏差±1 cm較難實現(xiàn)，且耗費大量人力物力及時間。

建議預(yù)制墩臺安裝定位軸線偏差適當(dāng)放寬，通過墊石現(xiàn)澆或增大墊石預(yù)留孔內(nèi)徑的方法進行絕對定位的修正，以保證港珠澳大橋的整體線型。

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