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摘要:針對打樁定位的測量方法，探討了一種用于海上打圓樁過程監測的新型測量方法，使用全站儀無棱鏡模式對圓樁橫切面進行數據采集，應用最小二乘原理迭代擬合橫切面，得到擬合圓心的坐標及圓半徑，進而解算樁頂位置和高程、樁傾斜度及多樁控制，實現打樁過程動態監測。經過某項目打樁案例實踐，驗證了該測量方法的可行性和正確性。

關鍵詞:打樁定位;動態監測;擬合法;全站儀;多樁控制

1引言

在海上導管架平臺、風電樁基、跨海橋梁等工程的建設中，打樁定位是必不可少的一個重要環節。目前，打樁定位測量的基本方法主要包括:直角坐標交會法、角度交會法［1］、GNSS(globalnavigationsatellitesystem)法和極坐標法。直角坐標交會法需要設置縱橫兩條基線［2］，在海上布設基線受到很多條件的限制，該法用于近岸、碼頭等施工打樁。角度交會法中方向定位的精度與交會角度有關，由于海上作業控制點布設受到很大限制，當交會角度過小或過大時，會減弱樁位定位的精度［3］;其次為了避免某一臺儀器出錯，需要第三臺儀器進行檢核，工作效率不高。GNSS法，主要是利用RTK(realtimekinematic)進行打樁定位，這種方法具有定位精度高、時間短等特點，大大提高定位的效率［4－7］，但是在海上作業，受多種條件限制，GNSS－RTK儀器無法安裝在樁上。目前使用的樁體主要有兩種:方樁和圓樁。其中使用最多也是最難定位定向的樁體是圓樁［8－9］。本文研究采用極坐標法使用無棱鏡全站儀對圓樁打樁過程進行監測，采集圓樁橫切面上擬合點坐標，來解算樁頂位置和高程、樁傾斜度、及多樁控制，應用于采取圓樁基結構的海洋工程建設中，實現打多樁同步監測。

2打樁過程動態監測

在海上打樁，一般需要按照設計位置、設計高程及設計傾角對鋼樁進行安裝。打樁過程中，指揮者需確定現樁頂位置和高程、樁傾斜度與設計值間的關系，才能有效地調整樁位及傾角。在此情況下，必須對鋼樁進行動態監測。下文對切面擬合測量法、樁傾斜度監測、樁頂位置和高程監測及多樁控制展開論述。

2.1切面擬合測量法

打樁前，在鋼樁上繪制等間距刻度線，用于表示鋼樁的橫切面，見圖1。打樁監測時，通過全站儀無棱鏡模式［10］觀測上、下兩個橫切面，每個橫切面上選取8～10個點進行數據采集，采集的數據實時發送到定位軟件進行擬合。利用最小二乘原理［11－12］擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標及圓半徑，剔除離擬合圓最遠點的觀測數據，再次擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標及圓半徑。最后，將橫切面圓半徑與設計尺寸對比，如果滿足要求，則認為此次測量結果有效。否則，重復以上測量操作直到滿足要求為止。必要時，需要進行多次測量，比較測量結果的差異以保證測量質量。擬合測量法工作流程圖見圖2。圖1觀測切面示意圖

2.2樁傾斜度監測

樁傾斜度監測采用定性分析和定量監測相結合的方法。在打樁前立樁過程中，先定性地描述其鋼樁的傾斜程度，不需要提供準確的傾斜角度，將鋼樁樹立垂直;在打樁過程中，需要提供準確的傾斜角度和方位，以供準確調節樁姿態，這時需定量地測量其傾斜度。下面詳細介紹定性、定量監測方法。(1)定性法整平全站儀，將全站儀“十字絲”豎絲作為參考線，視為鉛垂線，觀察鋼樁外側母線，以定性地描述鋼樁傾斜程度，見圖3。詳細操作如下:瞄準鋼樁下端，使全站儀豎絲與樁外側母線相切，制動全站儀水平螺旋，旋轉垂直螺旋，在視窗內觀察鋼樁外側母線與豎絲間的關系，當豎絲與母線重合，則鋼樁沒有傾斜。這種方法只能監測到垂直全站儀視線方向的傾斜，而在全站儀視線方向上的傾斜將難以觀測。為了全方位監測傾斜，可以再架設一臺全站儀使用相同的方法觀測，該儀器架設在與樁、第一臺全站儀垂直的方向上(見圖4)。通過該方法，可以快速地描述出樁的傾斜方向，以供吊裝司機調節樁的姿態。利用2.1節中的上、下橫切面圓心坐標(X上，Y上，Z上)、(X下，Y下，Z下)，通過公式(1)和公式(2)計算其樁的傾斜度，包括傾斜方位α和傾斜角度β。通過公式(1)和公式(2)分析，傾斜度的精度取決于擬合圓心坐標的精度，全站儀的觀測質量及儀器精度直接影響到傾斜度的測量精度。所以，盡量選擇在平潮期間進行測量，并將全站儀補償打開，以提高全站儀觀測精度。另外，從公式(2)看出，選取上、下兩個橫切面的間距(即Z上－Z下)也將關系到傾斜角度的精度，兩橫切面間距越大越有利于提高傾斜角度的測量精度。

2.3樁頂位置、高程監測

打樁過程中，需要監測現樁頂的位置和高程與設計值的關系。如果全站儀能直接觀測到樁頂時，選擇樁頂為上橫切面，這時擬合出來的橫切面坐標即為樁頂位置和高程。當無法直接觀測到樁頂時，選擇能觀測到的兩個橫切面，通過計算得到樁頂位置和高程。利用2.1節中的上或下橫切面的樁心位置(X，Y，Z)和觀測刻度m，結合2.2節中的樁傾斜度(傾斜方位α和傾斜角度β)，根據公式(3)來推算樁頂位置(X頂，Y頂)和高程Z頂。

2.4多樁控制

對于打多樁，不僅關心樁自身的位置和傾斜角，而且要考慮在設計高程平面上各樁間樁心的相對關系。首先，計算各樁在設計高程Z設計處的樁心位置(X，Y，Z)。仍利用2.1節中上橫切面的樁心位置(X上，Y上，Z上)和2.2節中樁傾斜度(傾斜方位α和傾斜角度β)的結果，通過公式(4)來計算各樁在設計標高Z設計處的樁心位置(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)…。然后，利用各個樁在設計標高處的位置，通過公式(5)來計算各樁間的距離S。用這種方法，計算出設計高度處多樁間的相對關系，通過與設計相對關系對比，將結果報送打樁指揮者以供參考。

3案例分析

在某海域海上風電升壓站施工項目中，應用本文測量方法，依次對4根鋼樁(B5、B3、D3、D5)進行打樁過程監測。鋼樁采用直徑2.896m、長76.000m的圓柱形樁，其平面設計位置呈矩形分布，見圖5。打樁要求:單樁樁心絕對位置平面偏差在0.50m內，高程在±0.05m內，傾斜度在3‰內;矩形邊兩根樁中心間距分別為18.96m和18.10m，允許誤差為±0.05m;對角線邊兩根樁中心間距為26.21m，允許誤差為±0.07m。監測過程操作步驟如下:①將全站儀架設在控制點上，對中、整平儀器，進行設站;②任意選取上、下橫切面進行全站儀無棱鏡模式觀測，但是橫切面間距越大越有利用于提高傾斜角度測量精度，此項目中兩橫切面間距在10m以上;③在每個橫切面上選取8～10個點進行數據采集，并發送至軟件中，進行擬合解算;④對比擬合半徑是否與設計尺寸相符，否則重新觀測該橫截面，甚至重新選擇另外一個橫切面進行觀測，直至滿足要求，獲得有效的上、下橫切面的圓心位置和高程，見圖6;⑤軟件解算樁頂位置和高程;⑥按第②～⑤步驟，依次觀測另外的鋼樁，解算多樁間的位置關系。按照上述方法和步驟，依次將4根鋼樁打樁監測，通過3次多余觀測，求取平均值，最終獲得各樁頂的絕對(X、Y、Z)、傾斜度和多樁間距，并與設計值進行對比，統計結果見表1和表2。通過表1看出，4根樁中心絕對位置平面、高程和傾斜度在允許誤差范圍內，滿足設計要求。通過表2看出，矩形邊和對角線兩根樁中心間距偏差在允許誤差范圍內，滿足設計要求。相對單樁的位置要求來說，多樁間的距離要求更加苛刻，只有相對距離滿足要求，才能與上部結構完全吻合。本次案例中，鋼樁的標高、傾斜度及多樁間距這3個關鍵參數，只要有一個參數不滿足要求，就造成上部結構無法與鋼樁對接，而論文介紹的測量法在此次項目中發揮了關鍵作用，實現打多樁同步監測。

4結束語

本文詳細介紹了一種用于海上打樁過程監測的新型測量方法，在海上采集樁身兩個橫切面的擬合點數據，利用編寫的軟件，進行打樁過程中樁頂位置和高程監測、樁傾斜度監測及多樁控制。并通過上述項目案例驗證，依次進行了4根鋼樁的監測，滿足設計要求，實現了打樁監測，并有效地進行多樁控制，驗證了測量方法的可行性和正確性。該方法的優點有:①外業采集操作簡單，只需采集兩個橫切面上8～10點數據;②提高工作效率，監測數據多次利用參與解算，無需重復性觀測;③解算智能化，將外業采集數據發送到編寫的軟件，來解算監測數據。該方法的缺點有:①應用前提是假定樁身橫切面是規則圓形，進而擬合得到樁身指定橫切面的圓心坐標，如果選取的橫切面因某些原因導致自身形變，則會導致擬合結果失真，將嚴重影響監測數據;②全站儀無法測量水下樁，只能通過其他方法來監測;③全站儀需要有穩定的觀測平臺，平臺晃動幅度需在儀器補償角度范圍內。隨著智能全站儀的推廣，以及無棱鏡模式測量精度和測程的提高，結合編寫的軟件，將實現智能化、高精度打樁監測，進而在生產實踐中得到廣泛應用。

參考文獻:

［1］黃金龍．打樁定位測量［M］．北京:人民交通出版社，1979．

［2］解濤．全站儀打樁定位系統及模型誤差分析［D］．上海:同濟大學，2008:1-70．

［3］姚連璧，謝以林，季慧麗．智能全站儀打樁定位模型及其實現［J］．同濟大學學報，2010，38(8):1123-1127．

［4］黃夏幸．GPS－RTK技術在水上打樁定位中的應用探討［J］．水運工程，2008，(6):98-101．

［5］倪建夏．海工工程GPS遠距離打樁定位系統及其應用［J］．港工技術，2005，(1):58-59．

［6］姚連璧，劉春，周小平．GPS實時動態定位海上打樁定位的數學模型［J］．同濟大學學報，2006，34(5):598-602．

［7］莫文輝，韋長算，於永東，等．GNSS－RTK技術在陸地打樁引導系統中的應用［J］．導航定位學報，2016，4(1):122-125．

［8］仲樹明，姚連璧．無反射棱鏡全站儀打樁定位的方法與數學模型［J］．測繪工程，2008，17(1):24-27．

［9］王振，姚麒麟．自由設站打樁監測方法及精度估算［J］．電力勘測設計，2008(5):23-26．

［10］李建軍，劉晟，代大爐．全站儀無棱鏡模式在島礁地形測量中的應用［J］．海洋測繪，2012，32(3):59-61．

［11］武漢大學測繪學院測量平差學科組．誤差理論與測量平差基礎［M］．武漢:武漢大學出版社，2009．

［12］劉國林，趙長勝，張書畢，等．近代測量平差理論與方法［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2012．

作者：郝建錄 歷昌 單位：交通運輸部