海上打圆桩过程监测的新型测量方法范文

本站小编为你精心准备了海上打圆桩过程监测的新型测量方法参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

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