苏通大桥主桥基础工程C1标施工测量控制3

苏通大桥主桥基础工程C1标施工测量丁建华 熊承荣 黄文学 （1.苏通大桥C1标总监代表办公室 湖北 武汉 430050 2.中港二航局苏通大桥C1标 项目部 重庆 渝中区 400042； 3.中港二航苏通大桥C1标项目部 重庆 渝中区 400042）摘 要：本文介绍了GPS测量定位技术和传统光电测距、测角定位技术相结合运用于苏通大桥主桥基础工程的施工测量工作。通过运用GPS定位技术，解决了在宽阔江面建设大桥如何有效进行施工测量这一课题；传统光电测距、测角定位技术保证了施工测量的精度。两者的有效结合运用，满足了施工的进度要求，保证了施工质量，取得了较好的经济效益，对类似桥梁的施工测量工作具有借鉴作用。关键词：施工测量、施工控制网、全球卫星定位系统（GPS）、实时动态定位（RTK）技术1.工程概况1.1工程简介苏通长江公路大桥位于江苏省南通市（南通农场）和苏州市（常熟市）之间，工程北起南通境内小海互通立交，与连盐通、通启高速公路相接，南至常熟境内董浜互通立交，连接苏嘉杭、沿江高速公路。大桥桥位区江面宽度达到6 km ，主桥跨度达1088 m，主桥墩及辅助墩、过渡墩位于长江正中心，距离两岸江堤均达到3 km。C1标段位于主航道的北侧，包括北主墩基础、近塔辅助墩、远塔辅助墩、过渡墩基础和墩身。又由于桥位区所处江面一年四季多雾，风大流急，给施工测量带来诸多不便。因此单靠传统的测量方法已无法满足施工进度和质量要求。为了保证苏通长江公路大桥的施工进度和质量，克服不利外界环境因素的影响，我们采用了全球卫星定位系统 (GPS)技术进行水上施工及打入桩定位的实时放样，局部施工配以传统光电测距、测角定位技术，圆满地完成了各项测量任务，加快了施工进度。1.2 GPS技术简介GPS技术是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航与定位系统，它能提供连续的、实时的位置、速度和时间信息。GPS的全称为“授时与测距导航系统/全球定位系统”NAVSTAR/GPS（NAVigation System Time And Ranging/Globe Positioning System）。整个系统包括卫星、地面控制站和用户接收机三部分。空间部分将保证有24颗卫星，均匀分布在六个倾角为55的近似圆轨道上，每个轨道有四颗卫星。卫星轨道平均平均高度约 作者简介：丁建华 （1967- ） 男，高级工程师，武汉大学测绘工程系，学士； 熊承荣 （1976- ） 男，工程师，武汉大学测绘工程系，学士；黄文学 （1973- ） 男，工程师，武汉大学测绘工程系，学士。20200km,卫星绕地球一周所需的时间为11h58min。卫星的分布状况可使地球的任何地方在任何时刻都能接收到至少4颗卫星发射的信号。由于应用GPS测量有很多优越性如精度高且均匀，不需要点间的通视，不受时间、气候条件限制，操作简便，提供点位信息丰富等，所以我们决定选用高精度的GPS接收机进行地面控制站和用户接收机三部分。2. 首级GPS 测量控制网检测及加密控制网布设2.1 首级施工控制网检测工程开工前，根据施工规范要求需要对首级施工控制网进行检测。我们采用的方法是GPS静态测量方法。按GPS测量规范(JTJ/T066-98)二级网的主要技术要求进行平面和高程控制网检测；采用精密水准仪按工程测量规范二等水准测量的技术要求引测两个高程点到GPS首级网,然后对高程网严密平差。若检测后发现成果有异常，及时反映给监理工程师。检测完成后将检测成果上报监理工程师。整个检测工作进行了7天，如若用常规三角测量方法，至少需要一个月。通过应用GPS技术进行测量，为C1标的顺利开工提供了保证。苏通大桥首级GPS施工控制网由国测一大队于2000年建造布设。C1标施工区域（北岸）共有8个网点，检测时联测了南岸3个点（如图2所示）。采用的GPS接收机为Leica SR530双频大地型接收机（基线测量精度静态为3mm0.5ppm；动态RTK为10mm +1ppm）。采用GPS静态测量方法，按照公路全球定位系统（GPS）测量规范二级网技术要求进行观测，采用随机软件SKIPro进行基线数据处理，统一平差。2.1.1 平面网检测外业作业方案（1）利用三台GPS接收机进行作业。外业观测前，对接收机进行性能检测。（2）按照GPS接收机操作手册的规定进行观测作业。（3）根据点之记，应用随机软件提供的卫星可见预报功能选择各测点最佳观测时间，最大限度地减少点位附近障碍物对卫星信号接收的干扰，编制出外业作业计划书。（4）外业作业模式采用静态观测模式，卫星高度角设置为15度，数据采集间隔等其他参数采用随机默认值。观测时一台接收机流动，两台作为参考站，网型连接方式采用边连式。（5）观测前严格对中整平仪器，利用罗盘对天线进行严格定向，以消除天线相位中心不一致的影响。观测前后精确量测天线高度，认真做好观测手簿记录。（6）观测过程中随时注意卫星信号接收和信息存储情况。当接收或存储出现异常时，随时进行调整，必要时及时通知其他接收机以调整观测计划。（7）除白天观测外，还按排一定数量的夜间观测，网中有足够的多余观测基线数。2.1.2 高程网检测苏通大桥首级网为三维网。由一等水准点STB-3按二等水准测量技术要求联测到ST13，由STB-5联测到ST-15。然后再用GPS三维网观测成果，采用ST13，ST15两点的正高通过约束平差的方法，求解出其它网点的正高，得出成果和指挥部提供的测量成果进行比较，符合要求后方可运用于施工测量放样。2.1.3 内业数据处理和平差外业结束后，即对观测数据进行预处理。基线数据处理采用随机软件SKIPro进行，计算出同步观测环，异步观测环，重复基线的闭合差，看其是否超出规定限差值。若合格再进行三维无约束平差，否则对基线进行重新解算。若需要补测，则另外安排进行补测或重测。数据处理的基本过程为：单点定位，即用伪距观测值解算出各点的单点位置，以提供基线或网解算所需精度的起始坐标。基线组成并解算。一般按自动化方式进行。基线结果的检核。基线数据解算之后，应及时进行观测数据质量分析，其检核内容有 a单条基线解的结果分析。数据处理时观测值的剔除率小于10%；整周模糊值参数固定要求合理；验后均方根差RMS应符合要求；相位差分的残差曲线应平稳而不至于波动较大；双差固定解与浮动解的差异不能过大。b闭和环的检核。包括同步观测闭和环和由若干个独立基线构成的异步观测环，其相应的各坐标差分量闭和差、环全长闭和差及环全长相对闭和差应满足相应测量精度的要求。c复测基线的检核。同一基线任意两个时段进行重复测量的互差，应小于接收机标称精度的2（2）倍。d GPS网平差和坐标转换。其工作主要有GPS网的三维约束平差以及同地面观测成果的联合平差，目的在于将GPS网成果转换成用户实用成果。e三维无约束平差结束后，选择网中的一个已知点的精确WGS84坐标作为控制点进行约束平差，输出平差成果，然后再将平差后的WGS84坐标成果进行坐标变换，转换成测区内的独立坐标系坐标成果，和业主提供的坐标成果进行对照，2.1.4 检测结果a.平面控制网 平面检测结果如下表一所示，由检测结果可知，首级网精度高，点位稳定，能够满足施工要求。b.高程网检测结果由GPS静态观测得到的椭球高经过平差及坐标变换后的正高与指挥部提供的墩顶水准点成果比较结果如下表二所示：表一 平面控制网检测结果表点号平差后实测坐标值提供坐标值较差X（m）Y(m)X（m）Y(m)X(mm)Y(mm)ST013521183.7235500891.87143521183.7154500891.8722+8.1-0.8ST033521105.7241499686.11613521105.7187499686.1104+5.4+5.7ST053521322.0979502115.55533521322.0906502115.5622+7.3-6.9ST073521163.9852498930.04723521163.9873498930.0394-2.1+7.8ST093521729.2437503176.95883521729.2356503176.9607+8.1-1.9ST113522171.5768500970.88193522171.5732500970.8819+3.60ST133521987.6830499737.35723521987.6852499737.3481-2.2+9.1ST153522555.9069502019.62233522555.9022502019.6271+4.7-4.8ST043515266.44874992884491499288.1714-0.40ST063514949.2374501602.09903514949.2304501602.1038+7.0-4.8表二 高程网检测结果表点 号实测高程（m）提供成果高程(m)较差(mm)ST019.88019.8803-0.2ST039.78459.7851-0.6ST049.04389.0462-2.4ST058.68458.6872-2.7ST069.09089.0875+3.3ST078.93508.9363-1.3ST099.05179.0518-0.1ST116.80886.8047+4.1ST136.63236.6292+3.1ST156.68806.6907-2.72 .2施工加密控制网建立在主体工程开工前，有两根试桩在过渡墩下游200米处，在其上面布置一个加密点有利于施工放样。另外在交通码头上布置一加密点用来做后视点，组成加密网点。其点位布置如图3所示，加密控制网严格按照C级网要求进行测量。共观了两个观测时段，每时段观测时间1h，每点平均设站次数为2，历元间隔15s，高度角限值15。采用Leica SKI-Pro专业软件，经基线解算和GPS网三维无约束平差，结果表明，该GPS网观测成果可靠、质量高，GPS基线向量相对精度在0.1ppm3.3ppm之间，平均为1.2ppm；GPS基线环的闭合差精度最大为0.3583 ppm。为确定CB3点在施工坐标系中的坐标成果，将ST01、ST02、ST05、ST06四个已知点作为固定点，经GPS网三维强制约束平差，得到CB2、CB3点在施工坐标系中的平面坐标。GPS网三维强制约束平差后的成果精度符合要求，CB2、CB3点三维基线向量相对精度在0.2ppm6.5ppm之间，平均为1.7ppm。CB2、CB3点高程通过跨河水准测量的方法进行引测，采用两台leica TC1800全站仪按测距三角高程法对向观测，陆地用精密水准按二等水准测量要求联测，组成附合水准路线，严密平差。图3 C1标GPS加密点布设示意图3. 施工测量放样内容及实施方法主桥基础施工测量内容主要包括: 钻孔平台施工测量，钻孔桩的施工测量,承台施工测量。施工测量采用GPS静态布设控制点，RTK动态测量加全站仪测量放样，根据不同施工阶段采用不同的测量定位措施。3.1钻孔平台施工测量钻孔平台的施工测量的主要内容包括:钻孔平台辅助桩下沉定位，平台联系梁的定位。3.1.1 钻孔平台辅助桩下沉定位在打桩船的轴线两侧安装两个GPS 流动站天线，以RTK 方式实时测出打桩船上两固定点位的三维坐标；利用倾斜传感器监测船体的横摇、纵倾角，经过计算机的计算处理，得出理论上水平船位(基准船位)的坐标和方位角；利用倾斜传感器、激光测距仪测定船与打桩架，打桩架与桩中心的几何关系，推算出桩的坐标、倾角和方位角；利用磁编码检测技术进行高程检测，用声波传感器自动记录打桩的锤击数，计算贯入度。其工作原理简图见图4。3.1.1.1 打桩定位系统的基本思路 图4 打桩定位示意图首先建立桩船坐标系，把靠近桩架的桩船边缘的中点定为坐标原点（0，0），以桩船中心线为X轴，远离桩架方向为X轴正方向；X轴顺时针旋转90度为Y轴正方向。由于在桩船中心线上布设GPS点不方便，因此在桩船甲板上选取两个GPS测量点。要求这两点的连线平行于桩船中心线且距离要尽量的长，靠近原点的测量点为定位点，另一点为罗经点。丈量出定位点在桩船坐标系中的坐标值（x，y）和原点到桩架中心的距离L。最后在定位点、罗经点上设GPS流动站天线，用GPS-RTK技术测量两点的坐标。通过两点的坐标可计算出定位点至罗经点的方位角dl。桩架中心坐标按下式计算：XZ=Xd+COS（dl+180）（x+L）YZ=Yd+COS（dl+180） y式中：（XZ ，YZ）为桩架中心坐标，（Xd，Yd）为定位点坐标。3.1.1.2 GPS接收机与计算机的数据传输在指导桩船定位时需要实时的知道桩架中心位置，人工现场计算不能满足实时定位要求，需要借助计算机来解决。我们使用的中海达海洋施工定位软件具有上述功能。在使用该软件时需要将通讯设置成GPS接收机的输出信号特性(以徕卡SR530为例)： GPS接收机的输出信号为GGA格式； 波特率:9600b/s；数据位：8位，校验位：0停止位：1位。 徕卡SR530 GPS接收机的通信接口配专用9针插头，因此电子计算机应有两个9针通信接口插座，并装有专用的USB驱动程序。先将设计平台桩位坐标输入计算机并存储好，现场定位时将GPS实测数据传输至计算机后，在计算机上能实时显示出设计桩位与桩架位置的差值，从而指挥桩船定位并施打钢管桩。“GPS 打桩定位系统”运行稳定、操作简单、定位效率高，定位时不受通视条件和雨、雾等自然条件的影响，基本实现了全天候工作。应用该系统完成了近塔辅助墩，远塔辅助墩和过渡墩的平台搭设工作。打桩主要技术指标： 水平定位精度： 25cm 垂直定位精度： 1/100 斜桩倾角测试范围：20 斜桩倾角测试精度： 0.13.1.1.3 打桩定位精度对比结果以过渡墩为例，过渡墩平台布置示意图如图5所示，48根钢管桩施打完成后，分别用GPS-RTK技术和全站仪极坐标法实测桩位中心坐标与设计坐标比较结果（见表三）。由表三中可以看出，RTK法与极坐标法实测坐标比较偏差均小于5厘米，与设计坐标偏差均小于20厘米，符合设计规范要求。限于篇幅，只选取了10根桩位进行比较。因此，该打桩系统能够满足设计和施工规范要求，可以说相当成功。3.1.2 平台联系梁定位利用打入桩施工时采取的夹桩和稳桩措施，用GPS 动态测量方法，由RTK 移动站测出各打入桩的位置和标高，安设桩间联系梁及桩顶承重梁、轨道梁和钻孔平台面板，完成辅助平台的搭设工作，进入下道施工工序。表三 RTK法与极坐标法实测坐标比较表桩号RTK法测量坐标极坐标法测量坐标偏差值设计坐标X（m）Y(m)X（m）Y(m)X（cm）Y（cm）X（m）Y(m)A2286900189330286923189300-2.33.0286.912189.254A8279.990230.455279.980230.4851.0-3.0279.967230.431C3278.000187.750278.020187.760-2.0-1.0278.037187.757C6276.127199.100276.140199.095-1.30.5276.127199.083E5267.990193.700267.960193.7003.00267.913193.670E7264.620213.300264.620213.3100-1.0264.603213.293G6258.555195.248258.600195.230-4.51.8258.518195.258G10252.100233.850252.090233.8701.0-2.0252.015233.813G12249.835247.100249.800247.0803.52.0249.777247.084G13249.490249.080249.492249.085-0.2-0.5249.444249.0563.2钻孔桩的施工测量钻孔桩的施工测量主要包括钢护筒下沉定位测量,钻机的定位，孔底高程及成孔倾斜度的测定。3.2.1 钢护筒下沉定位测量3.2.1.1 钢护筒埋设前的测量准备首先利用首级施工控制网点“ST11，ST13”，在已经搭设好的钻孔平台上，采用LeicaGPS530（1+2）接收机静态测量方法加密四个控制点，通过平差得出其平面座标及高程，作为放样钻孔桩钢护筒位置的控制点。再用全站仪极坐标法放样安装钻孔桩钢护筒双层导向定位架，并在导向定位架及桁架上作好钻孔桩中心方向线标记，准备埋设钻孔桩钢护筒。3.2.1.2钢护筒埋设测量控制3.2.1.2.1钻孔桩钢护筒位置控制为了固定桩位，导向钻机钻头，需设置钻孔桩钢护筒。苏通长江公路大桥主桥钻孔桩钢护筒内径为2800mm，外径为2828mm，主塔墩131根，近塔墩36根，远塔墩19根，过渡墩19根。用APE-400振动锤下沉到位。 采用全站仪极坐标法放样出钻孔桩中心及中心纵横轴线，以钢护筒双层导向定位架的纵横轴线为基准，在导向定位架上放样出与钻孔桩中心纵横轴线平行的各护筒的外切线，以此来定出钢护筒在导向架的位置，钢护筒平面位置偏差要求小于5cm。3.2.1.2.2钢护筒垂直度控制钢护筒垂直度控制采用两台J2经纬仪竖丝法控制，分设在相互垂直的两个方向。两台J2经纬仪分别控制钢护筒上游侧外切线和南通侧外切线。在钢护筒下沉过程中，测量随时观测护筒的偏位情况，并通知指挥人员进行纠正，确保护筒垂直地下放到位。3.2.1.2.3钢护筒顶标高测定利用钻孔平台高程基准点，采用NA2精密水准仪测量每一个钢护筒上游侧与下游侧的顶标高，用油漆标记两处（一处校核），以此作为钻孔桩施工及钻孔桩混凝土灌注的高程基准，并定期校核每个钢护筒的顶标高。3.2.1.3钢护筒中心偏差测定3.2.1.3.1中心位置测定：钻孔桩钢护筒埋设完成后，采用两种方法测定其偏差，一种是用全站仪以虚拟圆心法为主，以中心放样反算法作校核手段测定钢护筒中心偏差。虚拟圆心法测定钢护筒中心坐标及中心偏差，能够克服震动沉桩后钢护筒变形（椭圆度大于5cm），测量精度极高。虚拟圆心法测量原理：固定测站点和后视方向，精确对中、整平（目的减小系统误差影响），利用全站仪精确测量钢护筒圆周上等分八点坐标，通过圆周上八点组成的56个圆内接三角形顶点坐标，利用电算程序，精确计算每一个圆内接三角形的圆心坐标，再加以平差，求得钢护筒顶标高处实际中心坐标，以此求得钢护筒中心顺桥向与横桥向偏差。另一种采用中心放样反算法求钢护筒中心偏差，它的测量原理是采用全站仪放样钢护筒理论中心（建立钻孔平台钻孔桩中心坐标方格网），利用钢尺量取钢护筒顺桥向与横桥向偏差。3.2.1.3.2垂直度测定护筒下沉到位后采用垂球法检查其垂直度，并做好记录，为钻机定位做好准备。3.2.1.4 钻机的定位根据设计孔位规则布置的情况,采用方向线交会法,布设方格网来控制钻机的位置。以精确测定过的中心点为基准,利用经纬仪,钢尺可建立与桩位对应的几条平行于桥轴线的方向线和几条垂直于桥轴线的方向线,将它们分别标定在施工平台上,这样就建立起了桩位方格网。每根桩的桩位可以通过相应的互相垂直的两条方向线交会得出,能方便地确定钻机的位置。3.2.1.5成孔倾斜度的测定 钻孔桩在成孔即孔底高程达到设计要求后，要进行钻孔的验收测量，为推算桩底位置，必须测定钻孔桩的倾斜度。利用超声孔径测斜仪施测钻孔桩的倾斜度。超声孔径测斜仪是利用声波反射原理，将发射装置水平安装成方向相反的一对或互相垂直的两对，用钢丝绳沿理论中心下放仪器，仪器在下放及提升过程中，能测出中心至孔壁间的距离，并自动记录绘图。从检测的结果看，所有桩（包括护筒）的倾斜度都优于设计要求。3.3主塔墩起始平台定位及钢护筒定位测量 主4#墩所在位置水深达30米，一般潮位时水流速度达2m/s,大潮期流速要超过3 m/s。在进行正式平台施工前，在主墩中心下游200米处搭设试桩上，用平台内径100毫米钢管桩。由于水流速度过大，钢管桩稳定性差，用边墩已成功的施工模式没能成功搭设试桩平台。经过专家讨论决定采用内径2500毫米的钢管桩搭起始平台，形成平台后在其上安装