海工工程GPS遠距離打樁定位工法操作原理

海工工程GPS遠距離打樁定位工法適用范圍

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》適用于所有水工工程和橋梁工程的沉樁定位，尤其是海工工程遠距離打樁定位。

海工工程GPS遠距離打樁定位工法工藝原理

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的工藝原理敘述如下：

一、設備及精度

采用GPS RTK、無棱鏡測距儀、精密測傾儀等先進技術與設備，結合專門開發(fā)的打樁定位計算機軟件。實現(xiàn)了實時、主動的船身和樁身位置的精確計算。突破了傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀或全站儀定位方法必須要求通視的限制，使水上精密打樁定位的離岸距離達到20千米以上。大大提高了施工效率，最大限度地減輕了勞動強度。

1.GPS系統(tǒng)及應用

經(jīng)過20多年的發(fā)展，截至2005年，GPS及RTK定位技術被作為一項非常重要的技術手段和方法，已經(jīng)在測繪、工程施工等各種測量領域中占據(jù)重要地位，并替代了大部分的常規(guī)測量。

GPS采用差分技術提高定位精度。通過差分技術，可以有效地消除衛(wèi)星信號的各種誤差，使相對定位精度達到2~3厘米。GPS RTK定位技術是采用數(shù)傳電臺，將參考站的衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時傳送到流動站，可以實現(xiàn)實時高精度定位。

2.無棱鏡測距

隨著激光測距技術的發(fā)展，截至2005年，無棱鏡測距技術也有了迅速的發(fā)展，測距精度可以達到1~3毫米。

3.精密測傾儀

精密測傾儀是一種高精度的傾斜傳感器，一般可以測定諸如船身或樁架等對象的縱橫傾斜，其精度可達到0.05°。

二、船體位置與姿態(tài)確定

打樁定位的結果是要測定樁身的位置、方位和傾斜度，由于不能將GPS天線直接安裝在樁身上，因此為實現(xiàn)對樁身的定位和定向一般在打樁船上安裝兩臺或三臺GPS RTK接收機（流動站）、一臺測傾儀以確定船體的位置和姿態(tài)，以確定船體的位置與姿態(tài)。當同時安裝三臺GPS和一臺船體測傾儀時，由三臺GPS RTK數(shù)據(jù)計算的船體傾斜可以與測傾儀測定的船體傾斜數(shù)據(jù)進行比較和檢核。

如圖1中所示，坐標系統(tǒng)O-XYZ對應的是三維船體坐標系統(tǒng)，假設船體的縱傾和橫傾分別為α和β，首先繞X軸順時針旋轉β角，得到坐標系XY"Z'，該坐標系繞Y"軸逆時針旋轉α得到過三維船固坐標系原點且位于水平面的坐標系統(tǒng)O-X"Y"Z"，稱該坐標系統(tǒng)為瞬時船體水平坐標系統(tǒng)，該坐標系統(tǒng)的平面坐標與工程坐標系統(tǒng)存在平移、旋轉的關系。

三維坐標系統(tǒng)之間的旋轉矩陣分別為：

旋轉角為從各個旋轉軸的正向看，逆時針旋轉角為正，順時針為負。

由三維船固坐標系統(tǒng)O-XYZ轉換到瞬時船體水平坐標系統(tǒng)O-XYZ的轉換矩陣為：R=R_X（-β）·R_Y（α）。

工程坐標系統(tǒng)xoy與瞬時船體水平坐標系統(tǒng)XOY之間的關系式為：

三、船體坐標系與GPS坐標系實時轉換

由于打樁船上設備位置和樁中位置是根據(jù)船體坐標系進行計算的。而RTK GPS的坐標一般為WGS84或工程坐標系坐標，需要進行實時轉換。

船體坐標系統(tǒng)與工程坐標系統(tǒng)都是平面直角坐標系統(tǒng)，將（X_B，Y_B）轉換為（X_P，Y_p）的計算公式：

公式中的2個平移參數(shù)（△X_p，△Y_p）和1個旋轉參數(shù)（α_BP）需要根據(jù)GPS實時定位結果計算。

通過這一計算過程，可以建立起GPS與船體之間的坐標轉換關系。從而可以實時地將通過測距儀測定的樁身在船體坐標系中的位置轉換到GPS或進一步轉換到工程坐標系中。

海工工程GPS遠距離打樁定位工法施工工藝

• 工藝流程

采用《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》進行打樁定位時，一般需要經(jīng)過三個階段。第一階段為建立坐標系統(tǒng)轉換關系，第二階段為打樁系統(tǒng)參數(shù)設置，第三階段為實時打樁定位。

• 操作要點

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的操作要點如下：

一、建立坐標系統(tǒng)轉換關系（圖2）

這一階段的主要工作是，根據(jù)設計的坐標系統(tǒng)，建立GPS首級控制網(wǎng)，并根據(jù)已知的控制點坐標計算GPS坐標系統(tǒng)與施工坐標系統(tǒng)之間的轉換關系。

在建立坐標系統(tǒng)之間的轉換關系時，對特大型橋梁等大型施工項目，一般應采用參數(shù)轉換模型，對較小規(guī)模的施工工程還可以采用平面轉換模型。應當注意的是，不管采用何種模型，已知控點的精度和分布對最終的定位精度有很大的影響，應盡可能使已知點分布均勻，所有已知點覆蓋的面積應大于施工區(qū)域總面積的1/2以上。

轉換關系建立后，應對坐標系統(tǒng)轉換關系進行必要的檢核。具體方法是，對第一根或開始幾根樁在施打時同時采用常規(guī)測量和 GPS打樁定位兩種方法，兩者相互檢查。如果兩種定位方法結果的差異在誤差允許范圍以內(nèi)，則說明坐標系統(tǒng)轉換正確，否則應查明原因，直到檢核一致后才可以采用單獨的GPS定位方法進行打樁。通過這一檢核，還可以檢查GPS打樁系統(tǒng)的其他參數(shù)的正確性。

二、打樁系統(tǒng)參數(shù)設置

打樁系統(tǒng)參數(shù)包括坐標轉換參數(shù)、船形參數(shù)、設備參數(shù)和樁參數(shù)。其中坐標轉換參數(shù)由上述中計算得到，可以是參數(shù)轉換或平面轉換參數(shù)。船形參數(shù)和設備參數(shù)在系統(tǒng)安裝時測定，對同一條打樁船來說.這兩項參數(shù)一般情況下不會改變。因此，除非系統(tǒng)設備的安裝位置有所變化，否則這兩項參數(shù)不需要重新測定和設置。

三、實時打樁定位

實時打樁定位包括6個步驟，選擇當前樁號、定位、坡比、開始打樁、暫停打樁、結束打樁。

1.選擇當前樁號

對話框中，定為系統(tǒng)要求選擇當前施打樁的樁號、輸入當前樁的實際坡比和當前施打樁的打樁模式。系統(tǒng)在完成選擇當前施打樁號后，在計算機的平面定位顯示屏幕（系統(tǒng)輔助屏幕）上將標出當前樁號位置，同時，將自動進入"移船"工作狀態(tài)。此時必須至少有兩臺GPS處于正常工作狀態(tài)，而兩臺測距儀暫停工作。無論當前樁的打樁模式是"精密定位"模式還是"標準定位"模式，都是以標準樁中位置計算實時樁中坐標。

2.定位

在當前施打樁基本就位進行精密定位時，在系統(tǒng)子菜單中選擇"定位"功能項。此時，系統(tǒng)將檢查當前樁的打樁模式。若打樁模式為"精密定位"模式則系統(tǒng)將打開水平測距儀，并開始精密定位。否則，系統(tǒng)按"標準定位"模式進行定位，此時，水平測距儀處于關閉狀態(tài)（圖3）。

3.坡比

由于多種原因，在的定位和施打過程中，樁的傾斜坡比可能會發(fā)生變化。此時，若不對這一變化加以改正，則可能會影響到定位精度。子菜單項中的"坡比"項就是用于修改實際樁坡比的。樁的實際坡比在打樁過程中可根據(jù)需要隨時修改。

如果系統(tǒng)在樁架上安裝了測傾儀，一般不需要人工改變坡比。

4.開始打樁

當打樁開始時，操作者應及時用鼠標點擊此子菜單項中的"開始打樁"控件，以便系統(tǒng)開始記錄并處理有關的打樁數(shù)據(jù)（圖4）。

在當前樁的打樁模式為"精密定位"模式時，此時GPS、水平測距儀、測傾儀及錘擊計數(shù)器都處于工作狀態(tài)，在主計算機屏幕和輔助計算機屏幕上將分別實時顯示各類狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。

在當前樁的打樁模式為"標準定位"模式時，兩臺水平測距儀不工作，樁中坐標根據(jù)標準樁中位置計算。在主計算機屏幕和輔助計算機屏幕上實時顯示的內(nèi)容與"精密定位"模式相同，但水平測距儀數(shù)據(jù)設為"0"。

一旦開始打樁，打樁過程的有關數(shù)據(jù)將被實時地記錄下來，并作即時處理。

當打樁的實時貫入度接近或小于最小允許貫入度，或樁頂實時標高接近設計標高值時，系統(tǒng)給出提示。但在操作者選擇"結束打樁"前系統(tǒng)仍處于打樁狀態(tài)，并繼續(xù)紀錄打樁數(shù)據(jù)。

因"暫停打樁"或意外中斷后，系統(tǒng)重新恢復"開始打樁"狀態(tài)，打樁數(shù)據(jù)將添加在前次記錄文件中，以確保打樁記錄的完整性。

5.暫停打樁

由于在沉樁施工中出現(xiàn)異常情況，如打樁船出現(xiàn)故障等導致沉樁施工暫停。系統(tǒng)的各傳感器繼續(xù)工作。實時貫入度將停止計算，打樁數(shù)據(jù)也停止紀錄。其他計算和顯示內(nèi)容與"開始打樁"期間相同。用鼠標再次單擊"開始打樁"可恢復打樁狀態(tài)。

6.結束打樁

在當前樁施打完成后，需要選擇"結束打樁"功能項。此時系統(tǒng)關閉水平測距儀，但GPS仍然處于工作狀態(tài)，主計算機和輔助計算機屏幕顯示內(nèi)容鎖定不變。

結束打樁后，應及時生成打樁記錄表。

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》首先以GPS作為基本定位儀器對打樁船進行定位。在此基礎上。配合輔助測量設備對施打

樁的樁位進行精確定位，以提高系統(tǒng)的定位精度。它具有如下幾個主要功能和特點。

1.能實現(xiàn)離岸（或離GPS參考臺）20千米左右的工作距離，常年有效工作距離在10千米以上。

2.實現(xiàn)定位過程中數(shù)據(jù)的自動化處理。即打樁定位過程中的樁中心平面位置的定位、樁頂標高的控制及貫入度的計算等一系列實時定位信息的處理均由工法自行完成。

3.定位過程將原來的由岸上測量人員來指揮駕船人員進行移船操作，改為由移船操作人員直接根據(jù)計算機屏幕的顯示或提示自行完成移船定位操作。減少定位過程的中間環(huán)節(jié)。提高移船定位操作的直觀性和便利性。

計算機屏幕能同時以圖像及數(shù)字的形式反映出施打樁的設計位置及該樁的主要設計參數(shù)（包括設計的樁中心坐標、樁頂標高、平面扭角、傾斜度等），以及停錘標準（包括標高控制標準和貫入度控制標準）和當前施打樁的實時位置及主要實時參數(shù)（如樁中心坐標偏差、樁頂標高偏差、平面扭角偏差、實時傾斜度、實時貫人度等），便于操作人員進行對照比較，調(diào)整船位，準確定位。

4.具有較高的定位精度。根據(jù)理論估算，平面定位精度可達5厘米以內(nèi)，滿足規(guī)范對相應條件下打樁定位允許偏位的要求。

5.打樁結束后，計算機將能提供一份標準格式的打樁記錄表。

6.按該工法操作，可以不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，可全天候工作。

采用傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀或全站儀進行沉樁定位的方法僅適用于1～2千米測距范圍內(nèi)，對于遠海打樁工程，傳統(tǒng)的搭設測量平臺無論是在定位精度還是在定位的時效性上都存在著問題。隨著海洋工程的不斷發(fā)展，大量的遠海打樁工程不斷出現(xiàn)，這就要求開發(fā)研制適用于遠海工程施工的打樁定位系統(tǒng)，以適應工程建設發(fā)展的需要。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在2005年前有了很大的發(fā)展。截至2005年，GPS的實時相位差分技術（RTK）已使遠至10~20千米的測量定位精度達到厘米級，數(shù)據(jù)采集率和獲得測量成果的實時性都很高。因此，利用GPS技術，輔助以其他測量手段和計算機技術，開發(fā)適用于遠海工程施工，且具有一定自動化程度的精密的"海工工程GPS遠距離打樁定位系統(tǒng)"已成為可能。

為滿足現(xiàn)代工程建設需要，并根據(jù)遠海工程施工的特點，中交三航局有限公司2002年研制成功了"海工工程GPS遠距離打樁定位系統(tǒng)"。中交第三航務工程局在東海大橋、杭州灣跨海大橋、洋山國際航運中心等建設工程中應用"海工工程GPS遠距離打樁定位系統(tǒng)"的基礎上，不斷總結，形成了《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》。

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》主要有如表1所示各項設備和軟件組成。

GPS設備應根據(jù)計量法要求定期進行檢定，測距儀應在初次使用時進行檢定，并在每個工程開始時，采用鋼卷尺等測量工具進行比對。

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的操作流程，關鍵工序的質量要求和注意事項，必須遵照執(zhí)行的國家、地方（行業(yè)）標準、規(guī)范名稱有：

1.《水運工程測量規(guī)范》JTJ 203—2001；

2.《港口工程樁基規(guī)范》JTJ 254—98；

3.《公路勘測規(guī)范》JTJ 061—99；

4.《公路路線勘測規(guī)程》JTJ 061--99；

5.《工程測量規(guī)范》GB 50026—93；

6.《國家一、二等水準測量規(guī)范》GB 12897—91；

7.《公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》JTJ/T 066—98；

8.《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》GB/T 18314—2001；

9.《公路工程技術標準》JTJ 001—97；

10.《公路橋涵施工技術規(guī)程》JTJ 041—2000；

11.《三航局海工工程GPS遠距離打樁定位系統(tǒng)操作手冊》。

與采用傳統(tǒng)定位方法一樣，《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》在施工過程中，采取的安全措施如下：

1.6級風以上不得進行沉樁施工，以確保打樁船和樁基及人員的安全。

2.沉樁過程中，樁架下不得站人，以防沉樁過程中樁架上落下物傷人。

3.沉樁前，認真研究沉樁區(qū)域地質資料，在含有軟弱夾層可能發(fā)生溜樁的區(qū)域，要求開始進行空錘輕擊，等樁尖穿過軟弱夾層后，再進行正常錘擊，以確保打樁船和樁基及人員的安全。

4.在吊樁移船時，當打樁船接近已有結構物或已沉樁基時，要求船慢速移動，以防碰撞，以確保打樁船和結構物的安全。

5.在架設GPS接收機天線時，要求架設避雷針，以免雷電擊穿GPS設備，確保設備安全。

6.電焊要遠離GPS接收機天線，以電焊的強電流擊穿GPS設備，確保設備安全。

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》采用的設備如攝像機、免棱鏡測距儀、GPS接收機、無線電電臺、傾斜儀等的電源電壓均為12伏，屬于安全電壓，對環(huán)境不產(chǎn)生不良影響。另外，GPS無線電電臺發(fā)出的功率僅4瓦，對環(huán)境也不會產(chǎn)生污染。

以東海大橋工程為例對《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》進行效益分析。

一、經(jīng)濟效益

傳統(tǒng)的打樁定位方法一般要求在距打樁現(xiàn)場1千米以內(nèi)的范圍內(nèi)布置有一定數(shù)量的穩(wěn)定測量控制點。對于像東海大橋這樣主橋長約28千米的工程，若采用傳統(tǒng)的打樁定位方法進行樁基工程定位則至少需要在海上建造12座穩(wěn)定的測量平臺。據(jù)經(jīng)營部門測算，在類似東海大橋海域建造一座測量平臺的造價約為64萬元，12座的造價約為768萬元，船舶調(diào)遣及工程結束后測量平臺的拆除費用約為116萬元，若按5條打樁船同時打樁計，還需投入全站儀等常規(guī)儀器費用約為100萬元。故為完成類似東海大橋樁基工程的施工定位工作，若按傳統(tǒng)測量方法進行定位，則需增加投入近1000萬元。而在一條打樁船上安裝一套"海工工程GPS遠距離打樁定位系統(tǒng)"的投入約為80萬元，一套工法的使用期望壽命為10年，安裝有該工法的打樁船在完成東海大橋樁基工程以后，還可以投入到杭州灣跨海大橋等遠海工程中使用。若將一條打樁船安裝該工法的一次性投入分攤在東海大橋工程中，則投入5條打樁船的費用約為200萬元，比使用傳統(tǒng)方法在一個東海大橋工程中即可節(jié)省費用近800萬元。另外，工法不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，可全天候工作，加快了樁基工程施工的進度。

注：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

二、社會效益

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》使遠離岸線的打樁定位成為可能，是對傳統(tǒng)定位方法的重大發(fā)展。隨著經(jīng)濟建設形式的高速發(fā)展，大量遠離岸線的海工工程的不斷出現(xiàn)，該工法得到了更加廣泛地應用。如杭州灣跨海大橋等也采用了該工法，節(jié)省近千萬元。該工法不僅適用于遠離岸線的海工工程，還適用于所有水工工程和橋梁工程的沉樁定位，能保證打樁船全天候施工，不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，加快了樁基工程施工的進度，降低了測量工的勞動強度，故于2003年在中交第三航務工程局的十三條打樁船上推廣了該工法。與此同時，行業(yè)內(nèi)部各兄弟單位也陸續(xù)采用了該工法進行沉樁定位。

《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的應用實例如下：

• 實例1：東海大橋工程

東海大橋北起于上海南匯區(qū)蘆潮港，跨越杭州灣北部海域南至浙江嵊泗縣小洋山，是洋山深水港連接上海市及長三角的主要通道；東海大橋橋線總長約為31千米，沉樁5697根、大小承臺626只。全部采用該工法進行樁基施工。三航局承建東海大橋工程Ⅵ標段，全長15千米、沉樁3355根（均為斜樁）、大小承臺372只，該工程項目工作量大、工期緊、工程質量要求高，施工條件差。樁基偏位：直樁≤25厘米、斜樁≤30厘米，高程控制在0～10厘米。整個跨海段非通航孔與通航孔邊墩中參與評定樁基工程總量為3355根，最終樁位合格率達到95.4%。

• 實例2：杭州灣跨海大橋

杭州灣跨海大橋北起杭州灣北岸嘉興市鄭家逮，向南跨越杭州灣，止于寧波市慈溪市水路灣，全長36千米。工程起點樁號為K49＋000，終點樁號為K85＋000。大橋全程設南、北兩座航道橋，其中主航道橋（北航道橋）設計通航能力為5000噸級。杭州灣跨海大橋按雙向六車道高速公路標準建設，大橋設計時速100千米/小時。

中交第三航務工程局承建杭州灣跨海大橋工程的第Ⅵ合同段，第Ⅵ合同段施工區(qū)域位于南航道橋兩側，包括中引橋水中低墩區(qū)和南引橋水中低墩區(qū)兩部分組成，全長4550米，共67個墩號、134個承臺，總樁數(shù)為1348根。其中中引橋水中低墩區(qū)里程號為K59＋837～K63 267，長3430米，墩號為C84～C133，共50個墩號，100個承臺；南引橋水中低墩區(qū)里程號為K65＋385～K66＋505，長1120米，墩號為E01~E17，共17個墩號，34個承臺。樁基設計值：中引橋鋼管樁樁徑ф1500毫米，樁長79～88米，樁頂標高為＋1.70米，單個承臺9根樁，100個承臺計900根樁；南引橋鋼管樁樁徑ф1600毫米，樁長85～87米，樁頂標高為＋1.60米，單個承臺樁數(shù)不等，分別為16根和10根樁組成，計418根樁。樁最大傾斜度6:1，最大平面扭角50°，全部為斜樁。杭州灣跨海大橋Ⅵ合同工程工期從2003年11月15日開工，2006年5月15日完工。沉樁區(qū)域距北岸9.9～16.6千米，距南岸更遠，無法采用常規(guī)定位方法進行沉樁定位，中交第三航務工程局采用該工法進行沉樁定位，其竣工偏位統(tǒng)計見表2。

• 實例3：上海國際航運中心洋山深水港區(qū)中港區(qū)水工碼頭工程

洋山深水港區(qū)小洋山中港區(qū)前期工程位于杭州灣口東北部，上海蘆潮港東南的崎嶇列島海區(qū)小洋山島南側岸線，順接已建洋山港一期碼頭的東部，于小洋山鑊蓋塘島與小巖礁島之間。工程所在地東南距大洋山島約4千米，東北距嵊泗縣城菜園鎮(zhèn)約40千米，西北距上海吳淞口約110千米、距上海蘆潮港約32千米，北距長江口燈船約72千米，距寧波北侖港約90千米，向東經(jīng)黃澤洋直通外海，與國際遠洋航線相距約104千米。洋山深水港區(qū)小洋山中港區(qū)水工碼頭總長2600米，其中小洋山中港區(qū)前期工程水工碼頭1350米，建設規(guī)模為四個第五（六）代集裝箱船專用泊位。碼頭總寬66米，由碼頭和接岸結構兩大部分組成，其中碼頭寬42.5米，接岸結構寬23.5米。碼頭前沿線至前沿軌道距離為4米，集裝箱裝卸橋軌距為35米，后沿軌道至碼頭后沿距離為3.5米。

中交第三航務工程局承建中港區(qū)碼頭工程Ⅰ標碼頭、Ⅰ標承臺、Ⅰ標承臺、Ⅳ標承臺工程，總計水上沉樁2011根。中交第三航務工程局采用該工法進行沉樁定位，其竣工偏位統(tǒng)計見表3。

通過"海工工程GPS遠距離打樁定位系統(tǒng)"在東海大橋工程、杭州灣跨海大橋、洋山深水港工程等數(shù)十個大、中型工程沉樁中應用證明：其定位精度均能滿足《水運工程測量規(guī)范》JTJ 203—2001的允許偏位值的要求。

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《關于公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。 2100433B

專用于水中打樁作業(yè)的工程船。按打樁架性能和打樁方式分類見圖2。使用的多是以柴油機液壓式為動力的變幅式打樁船。其工作機構有設在艏的樁架及其變幅機構。樁架上有打樁錘及其起落架、替打和抱樁器 (背板)以及供其上、下移動的龍口，樁架頂部設有多組滑輪、吊鉤和兩側的升降平臺、船體調(diào)平裝置、錨和錨纜等。打樁錘有蒸汽錘、柴油錘、液壓錘、振動錘等。柴油錘又分筒式和導桿式兩種。筒式柴油錘具有打樁效率高的優(yōu)點，因此使用廣泛。樁架變幅機構有絲槓和油缸兩種型式，樁架高度小于30米的多采用絲槓型式。船體調(diào)平裝置多采用平衡水艙式。為長途拖航安全，有的打樁船還設有樁架放倒裝置。打樁船一般為非自航、靠錨纜的收、放來移位。

中華人民共和國國家標準

全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范 GB/T 18314-2001

Specifications for global positioning system (GPS) surveys