北斗打樁系統在旋挖樁機上的安裝和應用

郭軍海 熊 濤 彭 杰 賀春梅 洪啟田

(1.武漢地質勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430050； 2.武漢華創北斗技術有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著北斗三號衛星的逐漸完善，我國北斗衛星導航定位產業取得了較為明顯的發展。北斗打樁系統是GNSS定位領域應用于樁基施工設備定位的一大重要創新，該系統由GNSS定位設備、數據通訊設備、移動顯示終端及樁端上安裝的打樁軟件系統組成。目前，在樁基施工領域靜壓管樁機、錘擊管樁機、三軸攪拌等施工設備上，已經成功安裝北斗打樁系統，但在國內主流樁基施工設備——旋挖鉆機上，尚未實現安裝。解決北斗打樁系統在旋挖樁機的定位安裝問題，實現該系統在旋挖鉆機上的實際應用，具有重要的工程價值和意義。

1 旋挖設備安裝北斗云打樁系統的可行性分析

采取室內查閱相關資料及設備模型圖片、室外在實際施工現場對旋挖鉆機、靜壓管樁機、三軸攪拌樁設備的結構及工作原理進行對比分析，對北斗打樁系統在旋挖設備上安裝的可行性進行了分析。

對三軸設備、靜壓管樁機、旋挖鉆機(如圖1所示)進行對比分析，主要區別如下：1)正常工作時，機身震動幅度不同。靜壓管樁及三軸施工設備動力系統采用外電或發電機進行供電，機身震動小，噪聲低；旋挖設備動力系統來自內置柴油機，鉆機工作時機身震動較大。2)放樣過程中，在機身上尋找與鉆孔中心(設計樁中心)位置關系相對穩定的固定點難易程度不同。在靜壓管樁及三軸施工設備上，北斗打樁系統的雙天線接收機均安裝在機身平臺上，雙天線位置確定后，其與鉆孔中心的位置將形成穩定的三角模型關系，通過測量確定模型的幾何參數，并輸入到操作終端上，利用預先編制好的測量程序，即可完成鉆孔中心的定位；而旋挖鉆機鉆桿附著在鉆機大臂上，鉆機大臂與機身通過動態變幅機構上的兩個油缸連接，鉆機在進行成孔時，油缸可以根據鉆機和樁位的實際位置進行調節，導致鉆桿中心相對于機身的位置無法固定。為了實現在旋挖鉆機上安裝北斗云定位打樁系統，通過對設備特點的對比分析，發現旋挖鉆機鉆桿是附著在鉆機大臂上，通過導向架、滑軌及動力頭實現打樁功能；鉆桿及鉆頭中心只相對于大臂是穩定不變的，只有將GNSS雙接收機通過一種固定裝置安裝在大臂上，才可實現北斗定打樁系統在旋挖機上的安裝。

2 安裝方案的確定

通過設備特點的分析，提出將雙天線直接安裝于大臂上、通過輔助定位裝置安裝于大臂后頂端、中端和底端四種安裝方案，并最終從安裝部位、安裝難度、運行穩定性、定位精度等方面進行了評估，最終確定的最佳方案是將接收天線安裝于大臂后頂端(見圖2,圖3)。

3 安裝步驟

3.1 基準站設置

基準站設置安裝步驟比較簡單，涉及設備包括基準站接收機、電臺天線、基準站GNSS天線。

3.2 托架安裝

在鉆機大臂后頂端轉向接頭下部位置，將托架采用焊接方式固定在大臂上。托架由1塊水平托板(600 mm×120 mm×8 mm)、4塊三角形綴板(200 mm×120 mm×8 mm)、1塊焊接立板(600 mm×200 mm×8 mm)焊接組成，支撐托架通過立板上6個φ30焊接孔與鉆機大臂焊接。

3.3 定位架安裝

如圖4所示，測量接收天線定位架由3根矩形方管焊接拼制而成。矩形管頂面上端部中心位置鉆設測量天線螺桿固定孔、螺桿出入孔、天線出入孔；矩形管側面鉆設鋼絲繩出入孔，天線出入孔。通過螺桿將測量接收天線定位架與支撐托架連接，兩側的三角形綴板上鉆有鋼絲繩出入孔，該孔與在矩形管側面正面鋼絲繩出入孔配套使用，保證固定桿發生意外情況時不會直接跌落地下傷人，而是被鋼絲繩活性連接，懸掛在支撐托架上，形成保護。

3.4 樁基模型測量

在鉆機鉆桿垂直度調整完畢后，采用全站儀開始樁基模型測量，求得模型參數，求得定位架上兩個主、副天線螺桿固定孔和樁機鉆桿中心的幾何位置關系。

3.5 移動站雙天線安裝

樁基模型測量完畢后，卸下棱鏡，換上雙天線，分別用兩根線纜連接雙天線和室內接收機，完成移動站設置，具體見圖5。

3.6 顯示終端電源的供給

通過聯系旋挖設備廠家，將設備操作室的收音機電源與UPS不間斷電源連接，通過該電源向雙天線接收機持續提供12 V電壓供電。

3.7 利用終端進行測量定位

通過顯示器終端與移動站接收機連接，利用北斗打樁系統軟件導航鉆機完成樁位放樣。

4 具體實施項目

4.1 項目情況簡介

武漢某樁基工程項目樁基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁數1 890根樁，工期90 d，共計投入11臺旋挖鉆機，單機工作效率2根/d，總工期90 d。該項目工期緊，施工投入設備多，樁基測量放樣采用全站儀進行測量放樣，投入2個測量班組，每組2人。通過對在該項目上施工的1臺旋挖鉆機(設備型號徐工XR-280)進行設備分析，成功安裝了北斗打樁系統。

4.2 效果檢查

系統安裝后，通過對操作手進行簡單培訓，由操作手利用顯示終端進行樁位放樣，共計放樣樁位約100根，通過與全站儀測量結果對比，系統測量精度滿足施工要求，完成了北斗打樁系統在旋挖鉆機上安裝使用的目標。測量人員對該系統護筒定位的耗時進行了統計發現，采用該系統進行護筒定位的平均時間為0.9 h/根，而采用全站儀進行護筒定位的平均時間為2 h/根(含二次復核)，每根樁節約近1.1 h，大大縮小了單樁的測量放樣和二次復核時間，提高了測量放樣的效率。

由圖6樁位放樣結果可看出，D92樁放樣精度為向左0.01 m，向后0.004 m，放樣精度符合規范要求。

5 結語

通過具體項目的實踐，雖在旋挖設備上安裝北斗打樁系統，實現了直接在旋挖設備上“自動放線”功能，具有一定的可操作性，但系統仍存在下述待解決和注意事項：

1)該系統僅解決了樁位平面放樣，但高程受設備自身特點的限制，仍然無法直接測量，后續仍有較大的研究空間。2)旋挖設備利用北斗打樁系統放樣時，大臂必需保持垂直狀態才能完成，一旦傾斜，則系統只能導航大概方位。但鉆機在垂直狀態行走時，安全隱患較大。3)隨著旋挖鉆機使用年限增加，設備老化，各配件間隙加大，在樁基模型參數測量時，須確定鉆機自身垂直度是否滿足安裝北斗打樁系統的要求。4)目前北斗打樁系統接收的信號并非只有北斗信號，系統可同時接收GPS和GLONAS信號。