港珠澳大橋鋼圓筒振沉測量定位系統開發及應用

沈家海，劉明，劉保永

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程人工島采用主格及副格倉形成圍閉島體，其中主格采用鋼圓筒結構，副格采用圓弧鋼板結構，主格與副格之間采用止水鎖口連接。鋼圓筒沿人工島岸壁前沿線布置，直徑22.0 m，高度40.5～50.5 m，采用8臺APE600液壓振動錘聯動振動下沉工藝。

鋼圓筒振沉施工中要求監測中心坐標、扭向方位角、筒頂高程以及傾斜度。施工質量標準見表1。

2 定位系統開發

2.1 系統定位思路

定位系統作業示意圖見圖1，2臺RTK GPS實時獲得厘米級精度三維數據；1個360°棱鏡和1個液位計組成1組，共4組，安裝在剛性振動梁正交軸線上，對稱分為2對；借助于振動梁與鋼圓筒之間的剛性連接特點，通過2臺自動跟蹤全站儀把已知值傳遞至棱鏡上（平面位置和高程）；計算每對液位計的觀測高差，反算鋼圓筒正交軸線方向傾斜度；根據棱鏡與鋼圓筒中心的幾何關系、傾斜度等，計算鋼圓筒任意標高處的中心坐標和高程；集合上述各種功能實現鋼圓筒位置、筒頂高程、榫槽方位角、傾斜度監測。

表1 鋼圓筒振沉施工質量標準Table 1 Construction quality standardsof steel cylinder vibration sinking

圖1 定位系統作業示意圖Fig.1 Schematic diagram of positioning system operation

2.2 系統設備選擇

選擇TrimbleR7GPS雙頻雙星（GPS+GLONASS）流動站，配置Zephyr GeodeticTM2型GPS衛星接收天線；選擇LEICA TCRP1201+型全站儀，配置360°反射棱鏡。

傾角傳感器，已經成熟地應用于《海上GPS打樁定位系統》中，性能可靠穩定，誤差精度為0.1°[1]。

2.3 系統安裝設計

1）測量控制室設計

根據鋼圓筒高度、潮汐高程變化、停錘標高和全站儀前視距離、前視垂直角等因素綜合考慮，確定在全站儀視準線距甲板高度約為6.5 m處，設置一個3m×2m×2m的測量控制室?？刂剖艺胺胶陀覀确讲捎盟穆摶顒铀茕摯皯舯ＷC視野開闊，整體為彩板房結構，置于距甲板高度5 m鋼桁架平臺上。

2）GPS位置和衛星天線塔架設計

綜合考慮定位駁改造和GPS衛星信號受遮擋影響等，把衛星接收天線放在遠離鋼圓筒一側，距離約70m，用適配螺絲固定在鋼塔架上。鋼塔架焊接在定位駁上，遠離測量控制室的鋼塔架高7.5 m，另一個高2.5 m，由專業鋼結構設計人員設計。

3）定位軸線與鋼圓筒位置關系設計

定位軸線與鋼圓筒軸線關系，見圖2所示，棱鏡軸線1號-3號、2號-4號，對應于鋼圓筒軸線為1號′-3號′、2號′-4號′，棱鏡軸鏡線中心0，對應于鋼圓筒軸線中心0′；在鋼圓筒頂口焊接鋼擋板來固定振動梁振動錘的一個夾具，使得1號-3號∥1號′-3號′、2號-4號∥2號′-4號′、豎直方向0=0′，從而確定棱鏡軸線與鋼圓筒軸線的關系。輸入1號寬榫槽與鋼圓筒軸線1號′-3號′的夾角φ°，輸入各寬榫槽與1號寬榫槽的夾角，從而確定1號寬榫槽及各寬榫槽的方位角。

圖2 定位軸線與鋼圓筒軸線關系示意圖Fig.2 Relation schematic diagram for position axisand steel cylinder axis

3 系統應用

3.1 建立樁位

根據《鋼圓筒施工定位監測系統》設定，按照設計圖紙計算鋼圓筒定位參數，其內容包括：序號、鋼圓筒編號、鋼圓筒中心坐標、鋼圓筒設計標高、基準榫槽方位角（鋼圓筒中心至1號寬榫槽的方位角）、夾角1、夾角2和夾角3（各寬榫槽之間的夾角），表格示意見表2所示。

3.2 選擇定位參數

啟動《鋼圓筒施工定位監測系統》中各設備，系統運行界面見圖3所示。

表2 鋼圓筒參數表Table2 The parametersof steel cylinder

圖3 《鋼圓筒施工定位監測系統》界面Fig.3 The interface of the position andmonitor system for steel cylinder construction

點擊“定位參數”按鈕，彈出定位參數界面，然后點擊界面的“設定坐標參數”按鈕，將橢球設置和參數等信息填入，并選擇要振沉的鋼圓筒，最后點擊“確認/返回”按鈕，完成該項設置。

3.3 定位駁粗定位

選擇好要振沉的鋼圓筒后，在圖3中點擊“概略定位”按鈕，系統只采集GPS、傾角傳感器的測量數據，對定位駁進行粗定位。根據定位界面顯示的偏位值和移船方向，指導定位駁調整錨纜進行就位。起重船起吊鋼圓筒后，先以定位駁作為參照物，調整纜繩，使鋼圓筒大致就位并下放鋼圓筒至泥面以上約1m處。

3.4 鋼圓筒精確定位

全站儀采用人工粗略瞄準棱鏡后，點擊圖3界面中的“開機”按鈕啟動全站儀，根據窗口提示依次點擊“搜索”、“測試”按鈕，完成全站儀測量和數據傳輸工作。然后點擊“精確定位”按鈕，即可進行鋼圓筒精確定位。精確定位界面見圖4所示。

“精確定位”時，根據圖4中的數據指揮起重船移位，并使圖4小窗口中的“下圓心偏位”值滿足要求后，緩慢下放鋼圓筒至泥面下0.5 m時停止；然后通過調整起重船的左、右鉤高差以及俯仰起重臂，使鋼圓筒的軸線傾斜度滿足要求。此時再次觀察“下圓心偏差”，滿足要求后再次下放鋼圓筒至自沉結束，下放過程中應觀察鋼圓筒偏位變化。

圖4 鋼圓筒精確定位界面Fig.4 The interfaceof thepreciseposition for steelcylinder

4 結語

在港珠澳大橋鋼圓筒振沉施工中，定位系統發揮著重要的作用，尤其是遇到復雜地質情況需要及時采取糾偏的時候，為施工提供了準確、實時的數據。系統設計的“定位駁粗定位”和“下圓心定位”功能非常實用，將原先只能利用平潮期作業的條件拓寬至只避開大潮流期即可，大大增加了可施工作業時間。

[1] 邵蔚，鄭若奇.海上GPS打樁定位系統[J].中國港灣建設，2003（2）：30-36.SHAOWei,ZHENG Ruo-qi.GPSpositioning system for offshore piling[J].ChinaHarbour Engineering,2003(2):30-36.

[2] 許婭婭，雒應.測量學[M].3版.北京：人民交通出版社，2009.XU Ya-ya,LUOYing.Surveying[M].3rd ed.Beijing:China Communications Press,2009.

[3]GB 50026—2007，工程測量規范[S].GB 50026—2007,Code forengineeringsurveying[S].