海上擠密砂樁測量定位系統技術應用

宋江偉，馬宗豪

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

海上擠密砂樁測量定位系統技術應用

宋江偉，馬宗豪*

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

測量定位系統是擠密砂樁施工的一個重要系統。文章結合港珠澳大橋島隧工程擠密砂樁施工，闡述了擠密砂樁船測量定位系統的原理、安裝工藝及實施效果，對海上打樁定位系統開發具有借鑒意義。

擠密砂樁；測量；定位系統；技術應用

0 引言

近年來，隨著國家經濟的發展，外海地基處理工程量加大，且施工技術難度也隨之加大，外海樁基工程施工需要高精度定位系統輔助作業，卲蔚[1]等人研究了早期的海上GPS打樁定位系統，并成功應用于東海大橋等工程；劉紹堂[2]等人闡述了GPS打樁定位系統在杭州灣大橋施工中的應用；姚連璧[3]等人成功研究出GPS的動態定位海上打樁定位的數學模型。港珠澳大橋項目是世紀工程，擠密砂的大量應用在國內尚屬首次，打樁定位精度需要嚴格控制，因此，研究建立穩定性好、使用便捷的海上SCP打樁測量定位系統是迫切需要解決的問題。

1 工程概況

港珠澳大橋西人工島平面基本呈橢圓形，軸線長度625m，橫向最寬處約183 m，面積9.7萬m2，工程區域天然水深約-8.0 m，基槽開挖后水深-16.0m。人工島外圍打設擠密砂樁進行軟基加固，提高地基承載力。

島外圍擠密砂樁加固處理地基分為12個區，總計9 616根擠密砂樁；沉管隧道過渡段軟基加固處理地基分為5個區，總計13 079根擠密砂樁，2 318根普通砂樁。

2 測量定位系統

擠密砂樁船配置一套施工管理系統，能夠完成平面定位、高程控制、套管豎直度監測等功能，其中海上SCP施工定位監測系統可進行平面定位并提供實時潮面高程，該系統是在海上GPS打樁定位系統的基礎上研發的，其定位原理是根據布置在擠密砂樁船上2臺GPS接收機與擠密砂樁船上施工套管中心的幾何關系，利用RTK GPS測量方式獲得實時高精度三維數據，通過計算確定樁管的三維空間位置，實時顯示實際樁位與設計樁位的坐標偏差，定位系統還集成潮位信息自動顯示功能，用于指導和監測打樁施工。

2.1 測量設備

工程選用Trimble R7 GPS流動站接收機，配置Zephyr GeodeticTM2型GPS衛星接收天線，通過亞毫米相位中心穩定、強勁的低角度跟蹤能力和顯著減少地面的多路徑能力，實現高質量性能和最優精度。

2.2 擠密砂樁施工測量定位

擠密砂樁施工測量定位時，開啟GPS接收機，運行海上SCP施工定位監測系統，進入軟件定位界面。

1）建立樁位。依據設計圖紙，提前進行擠密砂樁定位參數的內業計算處理，其內容包括：序號、樁位號及X、Y坐標。

2）確定定位參數。選擇要打樁的坐標參數文件，單擊“打開”添加定位坐標導入軟件，如圖1所示。

圖1 定位系統界面Fig.1 Inter faceofpositioning system

3）施工測量定位。單擊“打樁”按鈕，選擇“選擇當前樁號”，輸入要打的樁號，然后單擊確定，打樁定位系統啟動。

2.3 驗潮儀的應用

定位系統中集成了潮位儀的使用，即在船舷一側安裝潮位儀，安裝位置如圖2所示。

圖2 潮位儀安裝示意圖Fig.2 Sketch ofwater level instrument

通過潮位變化將壓力信號傳輸轉換至定位系統軟件，實時顯示。需要注意驗潮儀的安裝位置要和GPS的位置在船的同一水平線上，避免因為船體傾斜影響驗潮儀的測量結果。

3 海上SCP打樁定位系統校核

3.1 校核目的

為確保擠密砂樁施工時平面位置和高程能夠滿足設計及規范要求，定期對砂樁船定位系統提供的平面位置和高程進行校核，通過校核偏差確保系統處于正常狀態，提高系統精度。

3.2 校核方法

校核方法分為3種，直接測量樁管坐標、間接測量樁管坐標和流動站校核。

1）直接測量樁管坐標

將全站儀轉動至視線分別與套管左右兩邊相切，取兩次角度的平均值，即為套管中心所在位置，如圖3所示。全站儀操作人員指揮棱鏡移至該位置后測量坐標和距離，即可算出1號套管的中心坐標。全站儀直接觀測法施測時的困難：套管會隨著水流而不停晃動，無法穩定，測量時視線難以準確與套管兩邊相切。

圖3 全站儀直接測量校核示意圖Fig.3 Sketch ofmeasuring directly by Total Station

全站儀校核潮位：將棱鏡頭置于船舷邊上一點，全站儀測出棱鏡高程，用尺量出該點干舷高、棱鏡中心至棱鏡底部高度，用棱鏡高程減去這兩數即可得到實時潮位。

計算過程：根據船體位置，設全站儀測得坐標為x＇，方位角為α＇，棱鏡厚度為d，套管半徑為r。則1號套管的坐標為：

x=x＇+（d+r）×cos（α＇-π）

y=y＇+（d+r）×sin（α＇-π）

2）間接測量樁管坐標

當全站儀至1號套管之間有遮擋物不通視時，采用間接方法。即通過測量同一船舷邊上的前后兩點坐標算出船體方位角及套管中心線方位角，從而推算出1號套管坐標，如圖4所示。該方法需先量出套管中心線在舷邊的點至1號套管中心的距離D。

計算過程：設所測的船舷邊兩點分別為a和b，坐標分別為Xa，Ya和Xb，Yb，根據船體位置計算，船體方位角α=arctan[（Ya-Yb）/（Xa-Xb）]+π，套管中心線方位角β=α+π/2。

則1號套管的坐標為：

x=Xa+D×cosβ

y=Ya+D×sinβ

3）GPS流動站校核

該方法與全站儀間接測量類似，即用GPS流動站測量船舷邊兩點坐標，通過這兩點計算出船體方位角及套管中心線方位角后推算出1號套管坐標。

圖4 全站儀間接測量校核示意圖Fig.4 Sketch ofmeasuring indirectly by Total Station

高程校核：準確量取天線高，將對中桿直立于舷邊，測出該點高程，再減去該點處的干舷高，即可得到潮位，再與定位系統顯示的潮位進行核對。考慮波浪影響，干舷高不能準確取值，海浪小的情況下，二者差值小于10 cm則認為系統數據準確，若偏差過大，應檢查是否數據輸入有誤。

該方法的缺點：由于GPS天線的仰角比較小，前端樁架比較高，遮擋住衛星，削弱差分信號，影響定位精度。

GPS流動站校核的計算過程與全站儀間接測量校核的計算相同。

潮位校核：設全站儀測得高程為H，棱鏡中心到棱鏡底部高度為h，放置棱鏡處的干舷高度為h＇，則實時潮位為H＇=H-（h+h＇）。

3.3 測量儀器及精度

擠密砂樁船的定位儀器為Trimble GPSR7，共2臺，天線盤分別安置于船尾左右GPS天線架上，動態測量標稱精度為平面10 mm+1×10-6D（D為測量距離，mm），高程20mm+1×10-6D。

校核使用的全站儀為索佳SET2X全站儀，測量精度為測角2″，測距±（2mm+2×10-6D）。

4 施工效果

“砂樁3號”經過14個月的施工，在港珠澳大橋西人工島實際打樁 6 482根，其中擠密砂樁4 526根，普通砂樁1 956根，所有樁位的平面偏差嚴格控制在±200 mm的設計范圍內，表1列出了典型施工的3組數據。

Technology app lication ofm easurement positioning system for sea sand com paction pile

SONG Jiang-wei,MA Zong-hao*
（No.2Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong266001,China）

Measurementpositioning system isvery important in sand compaction pile.Combinedwith the sand compaction pile construction in island-tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,we described the princip le ofmeasurementpositioning system,the installation processand theeffectofsand compaction pilesships.It can provide good references for the developmentof piling positioning system.

sand compaction pile;measurement;positioning system;technology application

U655.544；U472.32

A

2095-7874（2015）05-0049-03

10.7640/zggw js201505013

2015-01-11

國家科技支撐計劃項目（2011BAG07B002）

宋江偉（1988— ），男，河北邢臺人，助理工程師，從事水工測量工作。*通訊作者：馬宗豪，E-mail：penguinhao2003@163.com