(论文)GPS打桩定位系统的安装及应用

公路 2009年1月 第1期 HIGHWAY Jan12009 No11 文章编号: 0451 - 0712(2009)01 - 0142 - 04 中图分类号:U44214 文献标识码:B GPS打桩定位系统的安装及应用 黄剑波,荣国城 (广东省长大公路工程有限公司 广州市 511431) 摘 要:以舟山大陆连岛工程金塘大桥钢管桩沉桩施工为例,介绍GPS打桩定位系统在 “长大36” 打桩船上的 安装及在沉桩测量中的应用。 关键词: GPS;打桩定位;安装;应用 随着我国水运交通事业的不断发展,港口桥梁 建设将逐步向外海深水区发展,工程施工离岸边的 距离越来越远。已建成的苏通大桥、 东海大桥和杭 州湾大桥的跨海距离分别达到6 km、25 km和 36 km ,在建的金塘大桥跨海距离达到18 km ,规划 待建的还有一些远离海岸线的港口和桥梁工程。这 些特大型近海工程的施工特点是:定位放样距离长, 通常都超过5 km ,远的可达18 km以上;海上风浪 及潮汐影响大,而钢管桩沉桩施工中又要求实时、 快 速和精确的跟踪定位。显然,传统的地面测量仪及 定位方法不能满足施工定位的需要,而具有远距、 精 确、 三维、 快速、 全天候、 实时特点的全球卫星定位系 统( GPS技术)正好适应了这一时代发展的要求。 近年来,GPS技术在几座特大型跨海桥梁钢管桩沉 桩施工定位中都得到了成功应用。文中结合金塘大 桥 标钢管桩沉桩的施工及实践,介绍GPS打桩定 位系统在 “长大36” 打桩船上的安装,及在沉桩测量 中的应用情况。 1 GPS打桩定位系统的基本原理 RTK技术是一种实时载波相位差分定位技术, 是实时处理两个测站载波相位观测值的差分方法。 工作中,将1台GPS接收机安置在基准站上进行观 测,利用基准站电台把基准站已知的精密坐标和采 集的载波相位发送到流动站,在流动站进行求差解 算坐标。 GPS打桩定位系统由GPS基准站、GPS流动 站、 倾斜仪、 激光测距仪、 摄像机、 麦克风及其他专用 检测设备、 计算机和专用测控软件等几部分组成。 GPS打桩定位系统设备组成见图1所示。其定位 原理是:在岸上已知控制点上设置基准站,在打桩船 船体的中前部适当位置安装2台GPS定位天线,以 RTK模式实时测出打桩船上两个固定点的三维坐 标,同时根据安装在旋转台上方的倾斜仪检测的船 体横摇和纵倾值,计算出理论上水平的船位坐标和 方位,再根据打桩船桩架及伸缩支架上的倾斜仪和 船体前端免棱镜激光测距仪测定的桩身相对位置, 通过船体与打桩船桩架的几何关系,推算出桩位坐 标和方位,从而达到通过GPS控制桩位的目的。 图1 GPS打桩定位系统设备组成 系统对桩顶标高的测定是采用高程比较法来实 现的,即在打桩架下龙口的开孔窗中间设置一水平 横丝。水平横丝的实时高程由GPS实时高程来推 算,观测人员通过安装在水平横丝后侧的摄像机观 测刻在桩身上的划线在横丝上的读数,并输入到计 算机中,由计算机根据接收到的数据计算出桩顶的 实际标高,从而实现在打桩过程中对桩顶标高连续 变化的测量。 为测定打桩过程中的贯入度,还需记录打桩过 程中的锤击数。锤击数的记录是通过专门研制的锤 击数计数器来实现的。安装在打桩船操作室上面的 收稿日期:2008 - 11 - 26 定向麦克风,将每一锤的锤击声音传输到计数器上, 再由计数器将判读到的每一次锤击信号转送到计算 机,由计算机自动地进行锤击计数。由于解决了对 桩顶标高的测定和对锤击数的记录问题,也就使系 统解决了对打桩过程中贯入度的自动测定。 专用的测控软件在打桩定位系统中也发挥着非 常重要的作用,主要功能是:实时监控GPS接收机 的工作状态,实现各种数据向计算机的自动传输,计 算定位坐标及桩位偏差、 总锤击数和贯入度,并实时 显示在屏幕上,存储和打印最终定位数据。 GPS定位打桩系统能有效地进行打桩船倾角 检测、 钢管桩倾角检测、 桩顶标高检测、 锤击数检测 和贯入度计算,以及钢管桩中心位置修正等工作。 2 GPS打桩定位系统的安装 通过对 “长大36” 打桩船船体尺寸及打桩性能 的现场考察以及对打桩定位测量精度的计算,确定 该船的GPS打桩定位系统的仪器配置见表1。 根据 “长大36” 打桩船桩架可360 旋转且能前 后伸缩,同时操作驾驶室空间小、 旋转操作台仪器电 缆线难以布向船艉操作室等情况,该船的GPS打桩 定位系统采用了有线和无线两种方法进行布线。旋 转操作台的测距仪、 两套GPS和3个角度倾斜仪通 过电缆线直接与无线发射控制箱连接起来,通过无 线发射控制箱可将测距仪、 两套GPS和3个角度倾 斜仪的数据采用无线发送到与电脑连接的无线接收 器中,经无线接收器再传入电脑的打桩定位系统软 件进行处理。而甲板上用于高程控制的摄像监控系 统直接用电缆从甲板下布线到船艉操作室。GPS 打桩定位系统仪器安装示意见图2所示。 该系统在GPS安装过程中必须注意以下几点。 (1)两台GPS应安装在以船体中轴线对称的两 侧,且接收机应尽可能地接近船舷位置。 (2)两台GPS相对于船舶甲板的安装高度应接 近,两台GPS安装位置的连线与水平面的夹角不应 大于10 。同时GPS的安装高度最好接近于主工作 点的高度。 (3) GPS的安装要避开遮挡,保证 GPS天线在 75 天顶角内无遮挡,尤其是金属架等物。GPS天线 距离金属甲板或金属船舱的高度应至少大于30 cm。 (4) GPS的安装一定要牢固,因为钢丝绳绑扎 和绳索绑扎日久都会松动,因此推荐使用钢筋将连 接头焊接在甲板或者船舱上。 表1 GPS打桩定位系统仪器配置 基准站移动站 型号名称数量型号名称数量 HD9900EX基准站主机1HD9900 EX移动站主机2 AT - 2200双频GPS天线1AT - 2200双频GPS天线2 DG- 3 基站至电台 通讯电缆 1PSION控制器2 UH- 960W 数据链发射 电台 1AG- 10 10 mGPS天线 电缆 1 PW - 4 电台电源 电缆 1AG- 3 3 mGPS 天线电缆 2 AG- 10 10 mGPS 天线电缆 1UHF - 2 可分离式 数据链天线 2 UHF - 2套筒天线1RS - 9 控制器数据 传输电缆 2 BC - 3Ni - Hm电池1BC - 2Ni - Hm电池2 WC - 10电池充电器1WC - 1条形充电器2 BC - 24 24Ah 电池(含袋) 1RC - 10吸盘天线2 WC - 3智能充电机1GC - 1 GPS数据通 讯电缆 2 GC - 1 GPS数据 通讯电缆 1TB - 1 GPS天线 连接头 2 TB - 1 GPS天线 连接头 1BG- 1小塑料箱2 BG- 1小塑料箱1T - 3背包1 T - 1电缆袋1Hi2target GPS后 处理软件 1 T - 4天线套1Haida 水上打桩定 位系统软件 1 UC - 1通讯电缆1AG- 25 25 mGPS 加长电缆 2 RC - 10吸盘天线1天线固定杆2 BOS 波士光 电传输口 4 DIEMAX 激光测距仪 2 50 m数据线2 MoxaPCI 转串口卡 1 声控传感器1串口转接线2 SAFER摄像机1L - W稳压电源2 对中杆1脚架1 基座+连接器1说明书光盘1 摄像显示器1联想电脑1 341 2009年 第1期 黄剑波 荣国城:GPS打桩定位系统的安装及应用 图2 GPS打桩定位系统仪器安装示意 3 GPS打桩定位系统的应用 “长大36” 打桩船GPS打桩定位系统是通过 GPS接收系统以RTK方式工作,实时监测两个接 收天线的大地坐标,同时检测船体横摇、 纵倾角、 桩 架倾角及桩体、 替打与桩架的相对位置。根据坐标 转换数学模型以及接收天线、 桩架及替打之间的几 何关系,通过软件系统进行处理,计算和记录桩体 坐标、 方位角、 桩顶标高、 贯入度等参数。 311 定位结果对比及精度分析 在金塘大桥钢管桩沉桩施工过程中,为了验证 “长大36” 打桩船GPS打桩定位系统的精确程度, 在岸上架设了3台经纬仪,利用常规测量方法,三点 交会定位,并和GPS定位结果进行对比。随机抽取 了15根桩 (5 根俯桩、5根直桩、5根仰桩)的测量数 据,对比结果见表2。 表2 常规测量方法与GPS定位结果对比 序号 全站仪结果/ mGPS测试结果/ m差值/ cm XYXYdXdYdS 俯桩:9131 ;方位角:288175;支架长度:91631 m 151265- 8148551235- 81506310210316 251269- 8142251314- 81419- 415- 013415 351317- 8142851345- 81468218410419 451223- 8146551263- 81507- 410412517 551244- 8145851297- 81488- 513310611 竖直桩;方位角:238144;支架长度:11182 m 6901975- 91153911013- 91194- 318411515 7911018- 91170911061- 91252- 413812911 8911026- 91141911071- 91211- 418710815 9911038- 91178911110- 912497127111010 10901968- 91167911912- 91087516810918 仰桩:0179;方位角:8415;支架长度:101235 m 111148421161411523211594- 319210414 121105521163811123211620- 618118711 131115821162211148211602110210212 141124921162311297211581418412612 151109921163011091211620110110114 从表2比较来看,两种测量方式存在一定的差 值,我们认为有两个影响因素:一是由于经纬仪定位 的偏差有一定的估算成分,存在一定的误差;二是动 态GPS是实时定位,数据实时显示,并且变化相对 过快,它反映某个时刻的偏位情况,我们取的是数据 摆动的相对中心结果作为参考。单从GPS打桩定 位系统的定位误差来看,我们认为主要有两大部分: 第一部分为测量定位产生的误差,主要来源于仪器、 卫星信号和环境干扰三方面,主要包括:仪器误差、 天线相位中心变化、 卫星轨道误差、 多路径误差、 气 441 公 路 2009年 第1期 象因素影响及GPS天线与桩架、 桩身相对位置的测 定误差等;第二部分为由沉桩施工引起的桩位偏差, 主要包括:打桩船船体摇摆造成的定位偏差、 测量人 员与施工人员配合不默契以及钢管桩下沉过程中的 偏差等。 312 提高定位精度的主要措施 为了提高GPS打桩定位系统沉桩施工的定位 精度,应从测量定位和施工配合两个方面采取有效 措施。 (1)选择定位精度高、 性能稳定、 初始化时间短 和抗干扰能力强的GPS接收机,选择性能优良的免 棱镜激光测距仪和其他检测设备。 (2)合理选布基准站控制点设置基准站。控制 点间距应小于有效作业半径的2/ 3 ,最好为1/ 3左 右。控制点应避免无线电干扰和多路径效应,基准 站天线安置高度应满足数据通讯的要求。 (3)施工过程中,应对GPS定位结果进行必要 的对比验核,避免因卫星状况不佳或外界环境不利 等原因造成定位差错。 (4)在沉桩定位时,严格限制对讲机等无线电设 备的使用,减少环境因素对GPS定位的干扰。 (5)应在 “系统” 测定的偏差值趋于稳定后,再进 行沉桩施工,以排除 “假锁定” 现象,确保沉桩的位置 精度满足施工要求。 (6)测量人员应与施工人员密切配合,达到定位 测量与沉桩施工的协调一致,最大限度地减少风浪 对测量结果的不良影响。 313 GPS打桩定位系统施工控制的优点 GPS打桩定位系统在钢管桩沉桩施工定位中 的应用表明,该方法与传统测量方式相比,具有如下 优点: (1)定位精度高。 GPS的实时动态三维定位精度为 “cm” 级,实现 了数字化沉桩,保证了沉桩质量,完全满足了施工 要求。 (2)经济效益高。 GPS的应用,使作业船舶实现了24 h全天候施 工,大大提高了船舶利用率和工作效益,提高了经济 效益。 (3)自动化程度高。 GPS的应用使艰苦复杂的测量外业工作变为 室内操作,大大降低了测量人员的劳动强度,改善了 作业环境。 (4)环境影响小。由于GPS依靠卫星定位,对 光线强度没有要求,测量不要求通视,不受风、 雨、 雾 及昼夜的影响。 4 结语 GPS打桩定位系统以其全天候、 高精度、 高效 益、 自动化的显著优点,被广泛应用于各种工程测量 中,也给海上工程远距离施工定位提供了一种全新 的解决方案。它能有效地解决常规地面测量技术无 法独立完成的宽水域远距离施工定位难题,而且加 快了施工速度,提高了工程质量和经济效益,加速实 现了施工测量的自动化和数字化。在金塘大桥等几 座特大型跨海桥梁工程中,采用GPS技术进行钢管 桩沉桩定位施工,取得了令人满意的效果。同时我 们也清楚地认识到,GPS技术在沉桩高程测量等方 面的应用效果尚不十分理想,需要深入开展相关方 面的理论和应用研究。但我们相信,随着全球定位 系统的不断改进,以及软硬件的不断完善, GPS打 桩定位系统将在特大型跨海桥梁钢管桩沉桩施工中 发挥越来越重要的作用,创造出更好的经济效益和 社会效益。 参考文献: 1 吴迪军,周瑞祥,田道明1GPS技术在特大型跨海桥梁 施工中的应用J 1 工程勘察,2005 ,(4)1 2 刘大杰,等1 全球定位系统( GPS)的原理与数据处理 M1 上海:同济大学出版社,19961 3 刘绍堂,肖海红,赵站杨1GPS打桩定位系统在杭州湾 跨海大桥施工中的应用J 1 西南科技大学学报, 2005 ,(12)1 4 周瑞祥1GPS - RTK技术在东海大桥桩基施工中的应 用J 1 铁道勘察,2004 ,(1)1 5 刘春,姚连璧1GPS动态实时打桩定位系统的框架设 计与实现J 1 测绘通报,2006 ,(3)1 6 杨晓斌1 实时动态差分全球定位(DGPS RTK)技术及 其在水上打桩定位中的应用J 1 水运工程,2003 , (11)1 541 2009年 第1期 黄剑波 荣国城:GPS打桩定位系统的安装及应用 公路 2009年1月 第1期 HIGHWAY Jan12009 No11 文章编号: 0451 - 0712(2009)01 - 0146 - 04 中图分类号:445171 文献标识码:A 金塘大桥浪溅区混凝土结构的裂缝控制 许宏亮1,秦明强2 (1 1 浙江省舟山连岛工程建设指挥部 舟山市 316000 ; 21 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司 武汉市) 摘 要:针对海洋环境下浪溅区腐蚀作用等级高、 常规温控措施较难实施的特点,对全桥浪溅区的大体积混凝 土裂缝控制措施进行了统筹规划,依据混凝土构件尺寸、 方量和施工期,在仿真计算的基础上,采取优化配合比、 通冷 却海水、 优化结构设计和精细化养护、 全程温度监测等措施。现场实施情况表明,采取上述措施后有效地避免了浪溅 区混凝土结构的温度裂缝。 关键词:大体积混凝土;海洋环境;浪溅区;裂缝控制;冷却水 舟山大陆连岛工程金塘大桥全长211029 km , 其中跨海桥梁长181415 km ,结构设计基准期为 100年。金塘大桥所处气候条件恶劣,水文、 地形、 地质情况复杂。海水年平均温度1713,年均含盐 度2156 % ,环境腐蚀类型为 类海水氯化物引起钢 筋锈蚀的近海或海洋环境,作用等级从中等程度 (C 级)至极端严重程度 (F 级)。金塘大桥浪溅区混凝 土结构包括承台上部、 塔座、 墩座和墩身下部。浪溅 区混凝土结构腐蚀作用等级高,因此对结构进行裂 缝控制具有非常重要的意义。 本工程浪溅区混凝土具有以下几个方面的特 点 :(1) 承台数量多、 浇筑时间跨度大、 通航孔承台方 量大 ;(2) 墩座湿接头受老混凝土的约束,极易开裂; (3)墩身混凝土海上施工养护困难。针对以上问题, 亟需采取有效措施,解决好浪溅区混凝土结构的裂 缝问题。 1 裂缝控制总体思路 目前,针对海洋环境下桥梁混凝土的裂缝控制, 类似工程均开展了防裂工作,提出相应的防裂措施, 但实际落实过程中易存在以下问题:其一,裂缝控制 工作大多由施工方自己组织,施工单位在该方面的 控制水平参差不齐;其二,裂缝控制会与施工工期冲 突,如推迟拆模时间