远海GPS打桩定位系统对沉桩质量的提高与控制-记槟城第二跨海大桥桩基质量控制.docx

    “远海GPS打桩定位系统”对沉桩质量的提高与控制-记槟城第二跨海大桥桩基质量控制    中交第三航务工程局有限公司浙江省宁波市315200摘要：2002年中交集团第三航务工程局自主研发“远海GPS打桩定位系统”，成功解决了远离岸线、大规模的沉桩施工技术难题，在国内两桥（杭州湾大桥和东海大桥）的建设以及洋山深水港、东海风电等几十个大、中型项目的沉桩应用，定位精度完全满足《港口工程质量检验评定标准》（JTJ221）允许偏位值（直桩≤250mm，斜桩≤300mm，高程控制在0～100mm），面对海外工程的英标规范（桩基偏位≤75mm，高程控制在0～50mm）及严格苛刻的桩身质量检测，合理运用“远海GPS打桩定位系统”挑战高要求，为高标准的沉桩质量控制积累完整的实践操作经验关键词：远海GPS定位系统；测距仪；龙口；锚位；偏位引言：全球卫星定位系统（GPS）的动态实时相位差分技术（RTK）使远至10～20km的测量定位精度达到厘米级，数据链的接收采集和实时处理都相当的高，在此基础上，辅助其他测量方法和计算机技术孕育出“远海GPS打桩定位系统”该“系统”以1+3台双频GPS接收机利用GPS技术对打桩船进行标准定位，再配以打桩系统软件、两台红外测距仪、测倾仪、摄像头和锤击计数器等设备对桩位进行精确定位和记录，实时控制船体位置、方向和姿态，完全实现厘米级的定位精度。

由于打桩船是浮体，仅靠锚缆来固定，而锚缆在水中呈弧状，受力要变形，因此给沉桩精确定位造成一定的困难由于这种“传统”船体结构没有跟上如今高质量工程的要求，所以很有必要来探讨和研究运用先进的“远海GPS打桩定位系统”对“传统”打桩船沉桩定位质量的提高和控制1．全面分析对沉桩定位造成影响的诸多因素1.1．打桩船对沉桩定位的影响首先要了解打桩船的施工工艺，在了解的基础上才能适当避免和减少影响：打桩船发车﹑移船（10-15min）→靠桩驳吊桩（同时前俯桩架）→常规桩长采用4点吊（上扣小钩与右大，右大起，捆左大）（5min）→起吊退船、正桩架（1min）→桩船移位与立桩，后仰桩架（3min）→解小钩、桩进龙口、抱桩器或夹上下背板（背板用于方桩或短桩）、桩顶套帽子（5min）→解左大（2min）→调整桩架仰、俯、垂直度→定位（5min）→下桩，稳桩（3min）→复测、微调桩架仰、俯、垂直度，复测、微调桩的平面位置，解右大（2min）→压锤→开打→控制桩顶标高与贯入度，指挥停锤（锤击总数与频率，决定沉桩时间）→系扣，起锤起帽子（1min）→退船，调正桩架→靠桩驳→进行下一根桩的沉桩作业（2min）1.1.1从桩船桩架来分析桩架由主架、副架、导轨（龙口）、变幅机构、滑轮平台（天令）等组成，主要参数包括：桩架高度、变幅角度、起重能力、龙口形式和尺寸等。

1.1.1.1吊钩与龙口由于没有中心钩，桩在进入龙口的时候，在重力作用下，不可能完全处于龙口中轴线的理论位置吊桩进龙口的过程，是一个确定和保证桩身与龙口相对位置的过程，对一根桩而言，至少要有两点约束，桩顶定位有替打套帽子来完成，桩身下部有抱桩器来定位，桩帽与抱桩器的中心只是处于平行龙口平面的同一直线，这样就决定了桩在立桩后，存在偏心量1.1.1.2桩架变幅下桩后，桩架顶部的工作平台（天令）一下子卸掉桩与锒头替打的自重力，致使船头有明显的吃水现象产生：船头上浮，架子后仰由于存在吃水现象，桩架有变量倾斜，产生蹩劲沉桩，以直桩的桩架倾斜量来推算仰俯桩，对控制仰俯桩有一定的规律可循在施打仰俯桩时，不仅有船头吃水现象还有侧向力的作用，下桩需要一定的预留量由于桩架的绞点高度越高，变幅角度越大，则龙口伸距就越远，用比例船模在桩图中模拟沉桩次序还应注意群桩之间的碰撞影响随着水位的变化，实时调整船位与龙口的距离，确保桩架“三点一线”原则1.1.1.3替打、桩锤与桩在施打过程中桩锤中心点、替打中心点、桩中心点都是匹配在同一直线上，这就是所谓的“三点一线”原则替打钢丝垫全断面不平整密实，对桩身的偏位受压；桩锤脚与龙口的间隙过大，抱桩器或背板与桩的间隙过大，替打帽与桩的间隙过大，都有引起偏位的因素；替打帽里碎木未清理干净、垫桩木没有放平、垫桩木木质的不均及疏松；锤脚与龙口的变形也对偏位造成一定的影响。

这些都会引起受压偏心的形成，锤击作业时上述现象还会增大拉应力和部分应力对混凝土桩身的破坏1.1.2.从船体平衡来分析打桩船具有良好的船体平衡能力，通过压仓水或者甲板上的平衡车（现在平衡车跟不上时代发展的需要已被淘汰）来调节船体水平在沉桩作业时，桩架一般会发生左右垂直和前后垂直度偏差，分别以平衡水仓、仰俯桩架来调整水流涌急的时候水体横向冲击船体，加大锚缆的张力，致使船体向水流涌来的方向倾斜，影响偏差和桩身质量潮汐的周而复始使每天都有这样的情况出现，为保证桩身垂直度和桩身质量及时调整船体平衡很是关键1.1.3从锚与缆来分析1.1.3.1锚打桩船沉桩施工都是采用多锚定位和移位的，抛锚方式、抛锚数量、锚缆长度、抛锚方位、角度都是根据施工当地的水文地质、设计桩扭角、桩长、桩型及沉桩要求精度、工程密集复杂而定，一般根据沉桩区域抛6-8个锚，抛锚角度很是讲究，比如左、右串心锚与船艏艉的夹角越小，系缆力越大，减轻船体偏荡；抛前、后八字锚，夹角适宜在80°～120°等；倒锚的角度可以增加船体的扭向角；各个锚的互补互用，可以实现全方位的旋转等只有当锚系缆力≥船体水平向所受的外力，船舶才不会出现走锚现象1.1.3.2缆定位时八条缆不可能完全处于对称位置，还有各条缆受力不同，很难完成正位下桩。

由于钢丝缆具有弹性变形的特性，所以在定位与沉桩过程中，实时松紧缆绳来调节水流的变化，“微调”船与龙口的位置，保证桩身质量由于水位的变化及水流力、波浪力的作用，实时松紧缆绳，保持龙口与桩的间距及防止个别锚缆受力过大1.2水文地质对沉桩定位的影响掌握气温、降雨、风况及与波浪的关联，了解沉桩区域内的地质、地貌、水深及岸坡，查看勘探资料的土层及标贯计数，在这些前提下可以根据桩船稳定性及桩长初步确定沉桩提前（或落后）量例如仰俯桩作业，由于桩的自重力，在下桩的过程中，桩身会有侧重力的出现，还有管内涌入水体对桩身的侧力影响，因此需要预控，提前或落后一定的距离在陡坡上沉桩更要引起注意，不仅要预控提前（或落后）量，还有打入桩的挤土和振动效应，会使土体孔隙水压增加，抗剪强度降低，引起已沉桩的变形或土体滑坡倒塌适当控制速率及对已沉桩的位移沉降观测是很有必要的在软土层土质沉桩作业中，会增加应力对桩身完整性的破坏；在有硬、软夹层的土质中，外部应力与内在应力相互作用更会影响桩身完整性，此时应该时常查看地质资料图，针对各种软硬土层的不同标贯，采取不同的档位及跳高，始终以重锤轻击为原则，严格控制贯入度，杜绝软硬夹层对桩身完整性的破坏影响。

1.3.GPS-RTK测量对沉桩定位的影响1.3.1GPS-RTK测量的关键技术1.3.1.1GPS-RTK测量对沉桩定位的关键技术是整周模糊度的确定、差分数据的传输、坐标转换参数的求定RTK系统的质量越高，其初始化能力越强，受环境的限制越小，所需时间越短，精度越高1.3.1.2RTK作业距离容易受卫星状态、天气状况、数据链传输状况影响RTK作业时应尽量使距离缩短并保持两者“通视”1.3.1.3坐标转换参数有区域性、时间性、完整性等特点，要根据不同任务、不同时间而采用不同的参数1.3.2GPS-RTK测量的缺点1.3.2.1多路径效应是影响GPS初始化（锁定）不能成功或失锁的主要因素，有效的克服办法是恰当安放天线位置，对参考站选站时避免邻近有大面积的平静水面，及高层建筑，流动站的天线远离会产生遮挡的物体1.3.2.2离地约100公里以上的高空大气十分稀薄，受太阳或宇宙线的辐射后，气体分子产生电离，形成电离层大气电离层能使电磁波折射，反射，散射，吸收，严重影响微波通信，会吸收能量和引起信号畸变一般说来，气温高，电离层活跃，RTK精度低，信号飘移反复，应避免在高温中测量1.3.2.3微波的自身特性导致其易受相关环境干扰，如磁场，同频噪音等应避免在高压线、无线电台、电视信号发射塔、移动通信基站、大型金属建筑物，强能量噪声源等附近，同时也要保证施测点位周围垂直角15度以上天空无障碍物。

1.3.2.4根据GPS空间卫星群的均匀分布，任何时间和任何地点地平线以上可以至少接收到4颗GPS卫星发送出的信号，但如想得到稳定的测量精度，接收的卫星信号应达到5颗因此，一般情况下，高山峡谷深处、密集森林区及城市高楼密布区等地区接受到的卫星信号较少，不适宜采用GPS技术测量1.3.2.5PDOP值大也会影响锁定时间及测量精度1.3.2.5参考站坐标一定要精确，理论传播距离D（单位：千米）=4.24×（√基准站天线高+√流动站天线高），架设基准站要满足能够“电磁波通视”1.4桩变形带来的影响1.4.1桩自身的变形特性在水平力和力矩作用下，长桩有弹性桩身变形和弯矩作用的特性；热胀冷缩也会有一定量的变形；在沉桩结束起帽后，由于蹩劲及水体冲击力作用还会使桩产生回弹及晃动这些都会带来一定值且无法避免的偏位1.4.2桩受外界影响的变形在吊装中，外力吊点及桩自重会产生内力弯矩的形成；在叠层运输中，由于桩垫木材质的不均、规格不一、搁垫点受力不均，会使桩身受到挤压变形；桩在现场吊立过程也会存在弯矩变形；施打作业中的蹩劲沉桩，强迫桩身变形促使出现蹩裂、蹩断现象，在施打结束起帽后，蹩劲现象明显回弹；风浪、水流、土质对已沉桩造成的综合影响及管桩内水体对桩的侧重力等也会造成桩身变形及弯矩的产生。

2．“系统”在本工程中的实际应用2.1工程概述拟建槟城第二跨海大桥桥位位于槟威大桥（一桥）以南约15Km处，拟建二桥总长23km，其中位于海上部分16.4Km具体见下大桥位置示意图01：大桥位置示意图2.2.沉桩施工前的准备工作2.2.1复测首级控制网及布设加密控制网；通过静态控制网求出转换参数；计算所有桩位数据和报验数据，并且做成“系统”需要的桩参数文本3.2.2在控制点上先设置好“系统”参考站打桩船操纵室的电脑上打开“远海GPS定位系统”，输入转换好的工程参数、桩参数文本，设置限差值；查看船形参数各数据正确情况；检查测距仪、测倾仪、摄像监控设备、锤击计数器、GPS天线与数据线连接与端口都是否完好开启GPS接收机，使GPS初始化，确定整周模糊度，为以后工作提高接收时间选择墩台桩位，打桩船进行初步定位2.2.3用LeicaGPS流动背包抛锚，确立优化锚位经过计算，最合理的常规锚位见图由于大桥轴线以南160m为主航道，我方后锚只能抛至160m，桥轴北面有大部分是浅水区，吃水为1.7m的锚艇只能送锚至130m，抛锚条件非常苛刻该锚位可以施打2个排架（排架间距55m）4个墩台44根桩位墩台有45°扭角桩4根，所有锚位都用CAD绘图计算坐标，然后换算成经纬度由锚艇送至，首创了用GPS定位代替传统目测抛锚的历史，给沉桩精确定位提供了有力保障。

2.2.4调节船体平衡船上有电脑液压仓位软件控制压仓，或用船上水平度盘督促其压至水平状态在“系统”中也可以看出船体的平衡，横倾代表左右，纵倾代表前后，来判别船体水平，或者也可以以测倾仪纵、横倾值来确定船体水平状态2.2.6锒头替打画刻度线：替打背部用白漆全部涂白，用打印出来的厘米格网刻度纸贴至，表面用清漆刷平，以cm级来控制标高见右实际效果图在液压锤背部钢框上也相应地画上刻画，在高潮位的时候也可以看到cm级的刻画精度2.2.7桩身画刻度线：关键要了解吊桩主钩与卸扣的位置一般主钩为右钩，卸扣在桩身上部，便于系扣方便起吊进龙口为顺时针90°，所以以站在桩上，面对桩头，人的左侧画刻度即可。