GPS在打樁系統中的應用

黃建鋒

摘 要：隨著沿海地區的擴大開放與縱深發展的需要和國家對環海經濟圈的戰略布局的推動，沿海區域水上工程項目日益增加，傳統的定位測量手段已是無法滿足打樁工程施工的精度要求與進度要求，而今利用GPS高精度定位的優勢結合現代軟件技術實現圖形與數字化三維定位測量的效果，能夠達到智能化導航定位和精確控制打樁的目的，以實現如今快節奏的水上工程建設。

關鍵詞：GPS；高精度；打樁

中圖分類號： U445 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）16-83-21 概述

傳統的定位測量手段已無法滿足當前快節奏的海上基建工程所需的精度要求和進度要求，而現今高精度的GPS定位技術配合現代軟件技術能輕松實現圖形與數字化三維定位測量的效果，達到智能化導航定位和精確控制打樁的效果，實現水上基建工程快速、精確的實施；所以如今乃至未來在水上基建打樁系統中GPS高精度測量設備必然能占據一席之地。

2 GPS高精度測量是未來打樁系統的新趨勢

2.1 傳統打樁測量與GPS高精度測量的對比

傳統的樁位測量與控制打樁都是采用全站儀或經緯儀觀測定位、人員現場監控等模式來實現的。這種模式有一些缺點，首先，常規儀器的定位容易受到距離、天氣、棱鏡控制等諸多因素的影響，精度得不到保障，現場通訊受限制，工作效率不高；其次，對樁位的控制多數采用人員現場監控，對樁位觀測、船位移動、樁架調整、樁桿貫入等控制過程無法協調統一，稍有偏差就容易出現廢樁，造成施工方的巨大損失；另外，傳統的打樁模式不能精確控制船身與樁架的姿態和角度，無論是船位偏移還是樁架角度不準，都會產生無法預料的質量事故，令施工成本急劇上升，嚴重影響施工進度與經濟效益。

與傳統的打樁模式相比，RTK GPS打樁系統具有全天候、高精度、兼容廣、易管理等優勢，系統多由1+3RTK、測距儀、傾斜儀、攝像頭、聲音計數器等硬件組成，再通過打樁軟件統一連接并由電腦和軟件系統操控和實時處理、顯示，可大大減少現場測量的觀測人員的數量，減輕現場作業人員的勞動強度。該系統可為打樁船用戶的實時定位作業提供切實可行的解決方案，以實現海上打樁智能化監控、可視化作業、高精度施工。

2.2 GPS打樁系統的組成

系統主要由船體姿態控制系統和貫入度控制系統組成。

2.2.1 船體姿態控制系統

由1+3實時動態RTK組成，主要任務是對樁位放樣，并判斷船體活動平臺左右兩邊是否達到水平，然后再根據傾斜儀或者是基準站要求是全天候作業，對電源供電要求較高，基站的架設應選擇在能確保24小時供電的地方。主機、電臺等要放在室內，因為需要長時間連續作業，方便遮擋風雨，發射天線放在室外，盡可能架設高一點，不要有遮擋。基準站通常要24小時連續工作，所以，儀器的安全和供電的保證是選擇設站地點的基本要求，這樣才有可能配合打樁船24小時作業，同時也是確保系統高精度定位的基本保證。

兩臺GPS分別安裝在船體活動平臺的兩邊，通過兩臺RTK找到打樁區域，并且判斷船的活動平臺是左右兩邊是否處于水平狀態（橫傾為0），另外一臺GPS裝在樁架正上方，通過傾斜儀或者是RTK自帶的陀螺儀測試樁位是否處于鉛垂狀態。

樁架傾斜儀主要是測定樁架自身相對重力垂線的夾角，如果是仰樁，則樁架向船體傾斜，傾斜角為正值，反之俯樁為向外傾斜，則是負值。這個角度和船身俯仰是沒有相關性的，所以傾斜儀必須安裝在樁架的水平位置，以便得到真實的傾斜角度。

傾斜儀實時得到樁架的傾角，測距儀得到樁心到樁架轉軸的距離，根據三臺GPS和主點的相對關系，計算出主點的位置，然后算出偏移量，可推算到達標高時樁身的位置偏移，再根據船身方位算出各方向的移動量，供移船位時指導。

2.2.2 貫入度控制系統

打樁時的貫入度是控制打樁的一個重要的參考量，一般來說，打樁到位主要有兩方面要控制好，一個是樁頂標高，這是設計圖上計劃好的，當樁頂（無論是直樁還是斜樁）標高到位后，必須停錘；另外一個就是貫入度的控制，這直接關系到打樁的成敗。

貫入度控制需要一套監控系統（1至2個攝像槍，有線或者無線傳輸，顯示器或者視頻卡）、高程控制標尺、樁頭延長標尺。通常，攝像槍安裝在工作平臺上，最好是左右各安裝一個，高程控制標尺安裝在背板上，零刻度對應到主工作點在背板上的垂點；樁頭延長標尺安裝在替打器上，零刻度對應到替打器內部的樁頂位置，當樁身標尺不可見時用來輔助讀數。要特別注意的是，樁頂設計標高是指樁頂（水泥樁不包含鋼圈頭）空間圓形截面的最低點的設計高。

貫入度資料通常為表格形式，每一根樁一張表，每100錘記錄一次樁頂標高為一陣，每張表包含許多陣；錘數統計可以采用計時器（近似統計）方式，也可以采用聲控計數器方式。方法是將檢測錘擊信號的聲音計數器安裝于樁架后方，現場擊錘的聲頻脈沖經觸發計數器轉為數字信號傳輸給電腦串口，由打樁控制軟件來進行實時讀取和顯示。

高程標尺需要通過手工將讀數輸入，如果情況允許，也可以在樁頂加樁頂測距儀，但是成本勢必增加很多，而且很多樁架的構造就沒有留出位置安裝樁頂測距儀，所以此方案為最佳方案。

2.3 GPS打樁系統作業步驟（實例介紹）

2.3.1 準備工作

打樁項目的現場配備通常包含打樁船、拖船、駁船、交通船、錨艇等船只。

打樁船為主要的工作船，負責打樁任務，拖船是負責拖航和協助打樁船現場移船與打樁就位。

駁船主要承擔現場運樁，將各種水泥樁和鋼管樁分批由預制場運抵施工區域。

2.3.2 吊樁

打樁船每次打樁，先移動船身靠住駁船，放下兩根鋼纜縛住一根樁的兩端，然后起吊；一般可以通過兩點，三點，四點的吊法，具體根據樁的特性決定，然后通過縮放兩根鋼纜將樁身由水平調整到垂直，一般這個過程是在打樁船離開樁駁前往打樁區域的過程當中同步工作的；樁身垂直后通過高空工作人員牽引，用鋼纜拉動和調整，將樁身靠在背板上，利用替打器套住樁頭，抱樁器抱住樁尾，移動船身到大致的下樁位置，等待測量定位和下放樁桿。

2.3.3 確定樁位

根據設計樁位圖紙和打樁系統導航文件，進行樁位確定和船體就位，一般圖紙上會有起始邊的兩個基點的工程坐標，然后設計圖上會表明行和列之間的間距，和一些特殊行列的相對關系，具有扭角的樁會在樁位上標記。

樁設計參數：設計標高（樁頂空間圓形截面的最低點的設計高，水泥樁不包含鋼圈頭），樁心平面坐標，樁尖扭角（可轉換為方位角，直樁扭角為0），斜率（可轉換為天頂角，直樁的斜率無窮大，對應的天頂角為0）。

一般來說還有一個表格，詳細說明了每排樁的情況，樁長，材質，扭角，標高等情況，在輸入軟件的時候需要進行設置。

軟件中還可以采用CAD的圖文件方式來導入樁位的坐標，但是樁桿的長度、材質、扭角和標高還是需要后期到軟件當中進行修改。

2.3.4 下樁

由于水流和水下地質結構比較復雜，在樁桿插入水底的過程中容易發生偏移，打樁過程中應結合實際情況適當調校。下樁通常分四個階段：

沉樁——通過測量定位使樁身抵達設計位置后，利用樁身自重插至水底，在插入水底之后應再次測量復核樁心位置或調整船位，直到位置準確為止。

打樁——利用柴油機的原理，第一次將樁錘吊起，然后利用自重錘子下降，壓縮柴油空氣混合氣體，使之增壓自燃起爆，然后氣壓將樁錘推起來，然后下一次下降重復這個過程，這樣不斷地撞擊，使樁一步一步下降。

貫入度和標高雙控——此時樁身已大部分入土，基本不能再控制偏位。陸地全站儀記錄貫入度資料并控制樁頂標高。

檢查——通過對比分析樁位是否達到要求。

2.3.5 輸出成果

打樁完成后，打樁軟件會根據所要求格式輸出打樁成果表格。

3 結束語

高精度GPS在打樁系統中的成功應用必然會帶來水上基建工程建設項目的一次巨大變革。該系統能真正符合現階段社會發展的更快、更準需求，同時大大減輕了人工工作強度、提高了工作效率，避免了人為所產生的不必要失誤導致的損失。

參 考 文 獻

[1] 黃治榮.淺談GPS-RTK在數字地籍測量中的應用[J].科學之友（B版），2009（10）.

[2] 呂戰鋒.GPS-RTK誤差分析及其在國土資源管理中的應用[J].科技資訊，2010（21）.