海上打圆桩过程监测的新型测量方法范文

摘要:针对打桩定位的测量方法，探讨了一种用于海上打圆桩过程监测的新型测量方法，使用全站仪无棱镜模式对圆桩横切面进行数据采集，应用最小二乘原理迭代拟合横切面，得到拟合圆心的坐标及圆半径，进而解算桩顶位置和高程、桩倾斜度及多桩控制，实现打桩过程动态监测。经过某项目打桩案例实践，验证了该测量方法的可行性和正确性。

关键词:打桩定位;动态监测;拟合法;全站仪;多桩控制

1引言

在海上导管架平台、风电桩基、跨海桥梁等工程的建设中，打桩定位是必不可少的一个重要环节。目前，打桩定位测量的基本方法主要包括:直角坐标交会法、角度交会法［1］、GNSS(globalnavigationsatellitesystem)法和极坐标法。直角坐标交会法需要设置纵横两条基线［2］，在海上布设基线受到很多条件的限制，该法用于近岸、码头等施工打桩。角度交会法中方向定位的精度与交会角度有关，由于海上作业控制点布设受到很大限制，当交会角度过小或过大时，会减弱桩位定位的精度［3］;其次为了避免某一台仪器出错，需要第三台仪器进行检核，工作效率不高。GNSS法，主要是利用RTK(realtimekinematic)进行打桩定位，这种方法具有定位精度高、时间短等特点，大大提高定位的效率［4－7］，但是在海上作业，受多种条件限制，GNSS－RTK仪器无法安装在桩上。目前使用的桩体主要有两种:方桩和圆桩。其中使用最多也是最难定位定向的桩体是圆桩［8－9］。本文研究采用极坐标法使用无棱镜全站仪对圆桩打桩过程进行监测，采集圆桩横切面上拟合点坐标，来解算桩顶位置和高程、桩倾斜度、及多桩控制，应用于采取圆桩基结构的海洋工程建设中，实现打多桩同步监测。

2打桩过程动态监测

在海上打桩，一般需要按照设计位置、设计高程及设计倾角对钢桩进行安装。打桩过程中，指挥者需确定现桩顶位置和高程、桩倾斜度与设计值间的关系，才能有效地调整桩位及倾角。在此情况下，必须对钢桩进行动态监测。下文对切面拟合测量法、桩倾斜度监测、桩顶位置和高程监测及多桩控制展开论述。

2.1切面拟合测量法

打桩前，在钢桩上绘制等间距刻度线，用于表示钢桩的横切面，见图1。打桩监测时，通过全站仪无棱镜模式［10］观测上、下两个横切面，每个横切面上选取8～10个点进行数据采集，采集的数据实时发送到定位软件进行拟合。利用最小二乘原理［11－12］拟合该横切面，得到横切面中心的坐标及圆半径，剔除离拟合圆最远点的观测数据，再次拟合该横切面，得到横切面中心的坐标及圆半径。最后，将横切面圆半径与设计尺寸对比，如果满足要求，则认为此次测量结果有效。否则，重复以上测量操作直到满足要求为止。必要时，需要进行多次测量，比较测量结果的差异以保证测量质量。拟合测量法工作流程图见图2。图1观测切面示意图

2.2桩倾斜度监测

桩倾斜度监测采用定性分析和定量监测相结合的方法。在打桩前立桩过程中，先定性地描述其钢桩的倾斜程度，不需要提供准确的倾斜角度，将钢桩树立垂直;在打桩过程中，需要提供准确的倾斜角度和方位，以供准确调节桩姿态，这时需定量地测量其倾斜度。下面详细介绍定性、定量监测方法。(1)定性法整平全站仪，将全站仪“十字丝”竖丝作为参考线，视为铅垂线，观察钢桩外侧母线，以定性地描述钢桩倾斜程度，见图3。详细操作如下:瞄准钢桩下端，使全站仪竖丝与桩外侧母线相切，制动全站仪水平螺旋，旋转垂直螺旋，在视窗内观察钢桩外侧母线与竖丝间的关系，当竖丝与母线重合，则钢桩没有倾斜。这种方法只能监测到垂直全站仪视线方向的倾斜，而在全站仪视线方向上的倾斜将难以观测。为了全方位监测倾斜，可以再架设一台全站仪使用相同的方法观测，该仪器架设在与桩、第一台全站仪垂直的方向上(见图4)。通过该方法，可以快速地描述出桩的倾斜方向，以供吊装司机调节桩的姿态。利用2.1节中的上、下横切面圆心坐标(X上，Y上，Z上)、(X下，Y下，Z下)，通过公式(1)和公式(2)计算其桩的倾斜度，包括倾斜方位α和倾斜角度β。通过公式(1)和公式(2)分析，倾斜度的精度取决于拟合圆心坐标的精度，全站仪的观测质量及仪器精度直接影响到倾斜度的测量精度。所以，尽量选择在平潮期间进行测量，并将全站仪补偿打开，以提高全站仪观测精度。另外，从公式(2)看出，选取上、下两个横切面的间距(即Z上－Z下)也将关系到倾斜角度的精度，两横切面间距越大越有利于提高倾斜角度的测量精度。

2.3桩顶位置、高程监测

打桩过程中，需要监测现桩顶的位置和高程与设计值的关系。如果全站仪能直接观测到桩顶时，选择桩顶为上横切面，这时拟合出来的横切面坐标即为桩顶位置和高程。当无法直接观测到桩顶时，选择能观测到的两个横切面，通过计算得到桩顶位置和高程。利用2.1节中的上或下横切面的桩心位置(X，Y，Z)和观测刻度m，结合2.2节中的桩倾斜度(倾斜方位α和倾斜角度β)，根据公式(3)来推算桩顶位置(X顶，Y顶)和高程Z顶。

2.4多桩控制

对于打多桩，不仅关心桩自身的位置和倾斜角，而且要考虑在设计高程平面上各桩间桩心的相对关系。首先，计算各桩在设计高程Z设计处的桩心位置(X，Y，Z)。仍利用2.1节中上横切面的桩心位置(X上，Y上，Z上)和2.2节中桩倾斜度(倾斜方位α和倾斜角度β)的结果，通过公式(4)来计算各桩在设计标高Z设计处的桩心位置(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)…。然后，利用各个桩在设计标高处的位置，通过公式(5)来计算各桩间的距离S。用这种方法，计算出设计高度处多桩间的相对关系，通过与设计相对关系对比，将结果报送打桩指挥者以供参考。

3案例分析

在某海域海上风电升压站施工项目中，应用本文测量方法，依次对4根钢桩(B5、B3、D3、D5)进行打桩过程监测。钢桩采用直径2.896m、长76.000m的圆柱形桩，其平面设计位置呈矩形分布，见图5。打桩要求:单桩桩心绝对位置平面偏差在0.50m内，高程在±0.05m内，倾斜度在3‰内;矩形边两根桩中心间距分别为18.96m和18.10m，允许误差为±0.05m;对角线边两根桩中心间距为26.21m，允许误差为±0.07m。监测过程操作步骤如下:①将全站仪架设在控制点上，对中、整平仪器，进行设站;②任意选取上、下横切面进行全站仪无棱镜模式观测，但是横切面间距越大越有利用于提高倾斜角度测量精度，此项目中两横切面间距在10m以上;③在每个横切面上选取8～10个点进行数据采集，并发送至软件中，进行拟合解算;④对比拟合半径是否与设计尺寸相符，否则重新观测该横截面，甚至重新选择另外一个横切面进行观测，直至满足要求，获得有效的上、下横切面的圆心位置和高程，见图6;⑤软件解算桩顶位置和高程;⑥按第②～⑤步骤，依次观测另外的钢桩，解算多桩间的位置关系。按照上述方法和步骤，依次将4根钢桩打桩监测，通过3次多余观测，求取平均值，最终获得各桩顶的绝对(X、Y、Z)、倾斜度和多桩间距，并与设计值进行对比，统计结果见表1和表2。通过表1看出，4根桩中心绝对位置平面、高程和倾斜度在允许误差范围内，满足设计要求。通过表2看出，矩形边和对角线两根桩中心间距偏差在允许误差范围内，满足设计要求。相对单桩的位置要求来说，多桩间的距离要求更加苛刻，只有相对距离满足要求，才能与上部结构完全吻合。本次案例中，钢桩的标高、倾斜度及多桩间距这3个关键参数，只要有一个参数不满足要求，就造成上部结构无法与钢桩对接，而论文介绍的测量法在此次项目中发挥了关键作用，实现打多桩同步监测。

4结束语

本文详细介绍了一种用于海上打桩过程监测的新型测量方法，在海上采集桩身两个横切面的拟合点数据，利用编写的软件，进行打桩过程中桩顶位置和高程监测、桩倾斜度监测及多桩控制。并通过上述项目案例验证，依次进行了4根钢桩的监测，满足设计要求，实现了打桩监测，并有效地进行多桩控制，验证了测量方法的可行性和正确性。该方法的优点有:①外业采集操作简单，只需采集两个横切面上8～10点数据;②提高工作效率，监测数据多次利用参与解算，无需重复性观测;③解算智能化，将外业采集数据发送到编写的软件，来解算监测数据。该方法的缺点有:①应用前提是假定桩身横切面是规则圆形，进而拟合得到桩身指定横切面的圆心坐标，如果选取的横切面因某些原因导致自身形变，则会导致拟合结果失真，将严重影响监测数据;②全站仪无法测量水下桩，只能通过其他方法来监测;③全站仪需要有稳定的观测平台，平台晃动幅度需在仪器补偿角度范围内。随着智能全站仪的推广，以及无棱镜模式测量精度和测程的提高，结合编写的软件，将实现智能化、高精度打桩监测，进而在生产实践中得到广泛应用。

参考文献:

［1］黄金龙．打桩定位测量［M］．北京:人民交通出版社，1979．

［2］解涛．全站仪打桩定位系统及模型误差分析［D］．上海:同济大学，2008:1-70．

［3］姚连璧，谢以林，季慧丽．智能全站仪打桩定位模型及其实现［J］．同济大学学报，2010，38(8):1123-1127．

［4］黄夏幸．GPS－RTK技术在水上打桩定位中的应用探讨［J］．水运工程，2008，(6):98-101．

［5］倪建夏．海工工程GPS远距离打桩定位系统及其应用［J］．港工技术，2005，(1):58-59．

［6］姚连璧，刘春，周小平．GPS实时动态定位海上打桩定位的数学模型［J］．同济大学学报，2006，34(5):598-602．

［7］莫文辉，韦长算，於永东，等．GNSS－RTK技术在陆地打桩引导系统中的应用［J］．导航定位学报，2016，4(1):122-125．

［8］仲树明，姚连璧．无反射棱镜全站仪打桩定位的方法与数学模型［J］．测绘工程，2008，17(1):24-27．

［9］王振，姚麒麟．自由设站打桩监测方法及精度估算［J］．电力勘测设计，2008(5):23-26．

［10］李建军，刘晟，代大炉．全站仪无棱镜模式在岛礁地形测量中的应用［J］．海洋测绘，2012，32(3):59-61．

［11］武汉大学测绘学院测量平差学科组．误差理论与测量平差基础［M］．武汉:武汉大学出版社，2009．

［12］刘国林，赵长胜，张书毕，等．近代测量平差理论与方法［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2012．

作者：郝建录 历昌 单位：交通运输部