沉桩偏位成因来源与控制措施分析

沉桩偏位成因来源与控制措施分析
1 引言
1.1 现况分析
打桩船水上沉桩是水工桩基工程中的重要环节，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，这些工程的施工定位放样距离长，离岸通常都超过3km，远的可达20km以上，现场水域无有效参照，差分信号受到电台工作距离的影响，信号锁定、固定解解算、精度等指标存在一定程度的下降。

由以上特点导致无法使用传统测量方式对定位系统和沉桩偏位进行测量校核，打桩定位时桩位精度控制困难，桩身正位率不高，个别工程出现桩位错误，对施工质量产生较大影响。

1.2 问题的提出
针对上述情况，打桩定位系统能否满足远海沉桩定位要求成为施工面临的一个重要问题，首先需要找出定位精度影响因素的主要来源，找出具备针对性的精度控制措施，重点是能够满足要求的精度控制方法。

通过分析，总结提出影响精度控制的主要因素，确定采用GPS打桩定位系统能否满足远海沉桩的精度要求，并完成对采用GPS打桩定位系统远海沉桩精度控制的有益建议。

本文主要以由中交一航局自主研发的“海上GPS打桩定位监测系统”为应用实例，结合近年来外海桩基施工的实际经验，对上述问题进行分析。

2 打桩定位系统工作原理
2.1 GPS定位思路
系统完成功能的工作原理如下：根据几何学知识，空间内确定一个平面需要至少一条直线AB和一个点P；如果事先假定一个独立空间直角坐标系，处于同一个平面П上的点P与直线AB的垂足O为空间直角坐标系的原点，在平面П上的点P与直线AB的垂线段PO的距离已知，那么我们可以由直线上两点A、B的空间坐标，辅助一组三维旋转参数，推导出点P的空间坐标。

基于此种思想，通过角度传感器测定打桩船船体的姿态角度，预设入已经测定的空间距离，就可以实时地确定一个平面位置，完成根据预定的桩位坐标进行定位的功能。

为了使系统参数采用实时准确，并且包含最大化的信息量，在几何
关系确定的船体上，安装若干设定基准后的传感器，获取船体姿态信息，结合通过测量确定已知关键点位的相对位置和距离，完成定位导算。

2.2.系统构成和实现
定位系统采用分级控制，在船体中后部两侧适当位置安装两个GPS接收天线，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；同时监测船体姿态的艏艉方向纵倾角、两舷方向的横摇角、桩架相对于定位参考平面的倾角（俯桩、仰桩状态）及桩体、替打与桩架的相对位置。

上述观测值通过电缆将信号传输至控制室主控计算机，主控计算机程序内预先设定有这几个观测值在理论船体平面的已经测量得出的几何关系，程序通过坐标转换以及接收天线、桩架及替打之间的几何关系，计算出桩体坐标、方位角、桩顶标高、贯入度等技术控制指标参数。

简单而言，就是通过类似前方交会的方法测定打桩桩位坐标。

3 沉桩偏位成因来源及控制措施
3.1 成因来源
通過实际施工经验分析，运用GPS打桩定位系统导致沉桩偏位的成因主要有三大部分：
（1）打桩定位系统安装过程和测量定位过程中产生误差，主要来源于系统安装测设和仪器测量方式，这些误差不可避免，可对其进行精确测量减小系统误差的影响。

（2）信号无线电传播影响，主要来源于无线电电磁环境和基准站电台。

（3）施工操作产生的桩位偏差，主要来源于水上施工船体摇摆晃动、海底土质特性等外在环境因素，沉桩预留量控制，锚位布设和沉桩顺序、沉桩过程中人员的操作与配合等产生的偏差。

3.2 打桩定位系统的精度控制
3.2.1 定位参数测设精度控制
（1）确定船体纵倾角α和横摇角β
将船舶压载调到基本艏艉向和左右舷向平衡。

将全站仪安置距离船舶100m～200m处，在距艏艉方向和左右舷方向成90°夹角处观测，消除视差影响。

观测干舷水尺和水线一致后，均匀选取舷侧几个点，用塔尺测量平均海水面位置，并标记读数。

此处因全站仪观察的是圆锥面，所以不能依据其读数，仅用来确定海水面位置，实际数据由船上量距测得。

依照传感器量程和船型尺寸确定测量值互差范围，通过压载微调后设零点，船舶要稳定系泊在码头，尽量选取无波或微波的水面情况进行，观测时间要尽快，防止波浪引起船体晃动造成观测困难。

（2）确定桩架倾角θ
在与船体艏艉方向成90°夹角略微偏前，距离100m～200m处安置全站仪，通过望远镜竖丝观测龙口滑道边缘，调整桩架至与滑道边缘与竖丝重合，确定倾角零点。

该值为绝对角度，保持左右舷横向观测时水平即可。

考虑桩架的高度都在60米以上，船体的轻微波动在桩架顶部都会引起很大位移，观测时动作要快，以消除波动影响。

同时要反复多次观测，完全确认竖丝和滑道边缘上下一致后设零点。

（3）测量放样船体参数
根据系统原理，根据船舶实际条件可以定义船体中轴线为桩架基座中心点和后搁架中心点连线，并放样出该线上观测点2-3个调节船体纵倾、横摇状态均为水平。

估算左卫星天线座的位置与理论桩中心位置所构成的交会角大于30°小于150°范围并固定，因为交会角过大或者过小时，将会导致定位中心P点在两舷方向有较大的位移，应尽可能地接近船舷位置。

天线座下部设置可调整纵横向螺母，采用方向观测法放样右天线座，保证其与船体中轴线垂直，采用软管引水准法保证两卫星天线安装位置的连线与水平面的夹角不大于5°，安装位置避开遮挡，保证天线在75°天顶角内无遮挡，尤其是金属桅杆、高频天线等物。

距离参数因为是同精度观测，必须做到所有观测值必须同步测出，若用单个测定的方法，受船体波动导致每次观测的精度不同，造成误差累计，严重影响观测精度。

3.2.2 RTK测量精度控制
远海RTK测量控制措施主要从精度、速度（初始化时间）和可靠性考虑，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，保持对GPS的定期年度检验，尤其注意检验天线相位中心变化，采用具有削弱多路径效应的各种技术等。

测量上正确求解坐标转换参数、合理设置基准站和合理约束作业半径。

观测作业时，观测卫星的图形强度要高，所采用的卫星数越多，分布越均匀，则PDOP值越小，RTK的精确性和可靠性越高，初始化的时间也
越短，海上打桩RTK测量要求接收卫星数不少于5颗以上，且PDOP<6，满足《水运工程测量规范》（JTS203-2001）等相关规范的要求。

系统程序求解坐标转换参数所使用的已知控制点的精度要高、密度适当及均匀分布在测区周围。

由于坐标转换参数的求解精度与施工坐标的精度和区域内点位的分布有关，因此坐标转换参数是有区域性的，它仅适用于已知点所圈定的区域和临近地区，其外推精度明显低于内插精度。

外海打桩施工往往因远离岸侧施工无法海上布设控制点，在测设过程中尽量注意扩大测区范围使之涵盖施工区，或者根据施工海域和控制点位关系确定适宜的精度要求。

控制点取不小于5点为宜。

求解坐标转换参数时，进行多组合计算比较后选择残差较小、精度较高的一组参数使用。

3.3 削弱无线电电磁环境影响
3.3.1 基准站选址
基准站控制点点位设置于控制网内的适宜位置，远离各种强电磁干扰源（如微波站、寻呼台发射塔、变电站、高压线、电视台等）；为了减少多路径效应的影响，基准站周围应无明显的大面积的信号反射物，应当选择周围无遮挡、无大面积静止水体和金属表面的位置，固定支撑天线的支架，保证抗风稳固能力。

注意各接口要有水密措施。

基准站电台天线和移动站天线之间无山体楼房等大遮挡物。

3.3.2 电台发射天线架设
（1）加大电台本身发射功率，选用灵敏度小，邻通道选择性及互调抑制大，适应复杂的电磁环境的电台设备，尽量避免使用易引发干扰的频点，及时了解并互相避让交叉施工造成的信号源干扰。

使用适宜的发射天线类型，使用芯径粗的馈线，合理布置使馈线长度最短，尽可能的减少电台到发射天线的接头的数量，做好防避雷击措施。

（2）基准站天线安置高度应满足数据通讯的要求。

天线尽量设置高一些，以提高电台信号的传输距离。

通常利用H基准站=[ D/2.42-（H流动站）1/2]2公式计算天线架高。

或者在基准站和打桩船流动站之间设置中继站，转发信号的有效距离一般在8km左右，据此确定中继站数量。

（3）常用的天线发射手段有效作业半径不超过10km，使用高增益天线对于距离超过10km的远海打桩无线电信号传播是个很好的解决方法。

经过实际施工
试验，采用高增益天线能够满足稳定、连续、准确的GPS差分信号的发射和远距离传输。

其有效工作距离满足20km～30km范围，在控制网覆盖范围充分的情况下，可以达到与近岸施工相当的精度效果。

（4）削弱电磁波辐射干扰，形成良好无线电电磁环境。

基准站上空尽量开阔，视场周围10°视角范围内不应当有障碍物，周围100-500m范圍内避开高压电缆、UHF、VHF、电视和移动通讯发射台，微波站台，临时发电机组，门机，大功率电器以及无线电爱好者的定向发射台和用于航空导航的雷达装置。

强对流天气、快行锋面情况下不进行施工。

3.4 施工操作规范科学
3.4.1 沉桩预留量控制
（1）按照经验和地质资料来分析确定量的大小，并且通过实践不断调。

具体数值必须通过试打桩典型施工和桩位复测确定。

（2）斜桩预留量在长度上按照“仰前俯后”的原则，仰桩下桩前船位比预定位置落前，俯桩下桩前船位比预定位置落后。

距离一般控制在100～300mm。

（3）斜桩预留量在角度上按照“角度前倾”的原则，仰桩下桩前桩架倾角比预定角度小，俯桩下桩前桩架倾角比预定角度大（以桩架垂直时的位置起始）。

角度一般在0.5～1°，随桩长的变化而增加。

（4）打直桩时一般桩架前倾0.5°左右，并且下桩船位稍微落前，具体数值随桩长确定。

（5）随着桩倾斜度坡比的增加，根据水深大小和土质情况，预留量控制也要做相应增大。

3.4.2 波浪条件作业针对性措施
外海施工海况条件差，不可避免需要在一定波浪条件下施工，在波高较大或强涌浪情况下，定位是非常困难的，船体随涌浪而波动产生的位移就超过偏位限差。

采取针对性办法为：
（1）外海涌浪的特点是一个强涌浪过后跟随若干的波长短的弱涌浪，施工中要放过强涌浪，在几个弱涌浪之间相对起伏比较平缓时定位沉桩。

（2）移船至预备下桩位置，观察实时定位桩位相对于预定桩位晃动均匀时可认为位置合适，然后下桩，等桩入泥一小部分后，停止下桩，船体有相对支撑晃动减弱后，再根据系统显示查看偏位，如不合格需拔桩另行下桩。

（3）利用打桩定位监测系统中提供了平滑功能，通过加大平滑次数，滤去波动峰值，从而达到步骤（2）的效果，这种操作注意平滑系数的及时调整，防止因平滑抑波数据滞后。

3.4.3 施工组织合理
远海沉桩施工受观测条件限制，施工场地情况往往不能够了解周到，在施工前期准备过程中，要特别针对施工现场情况做全面了解，重点是海域水流流向、流速，以及波浪潮汐条件，危害性涌浪、强风向风力等，及时的接受天气预报，合理分析天气情况做出判读，组织船舶在适宜的海况条件下施工。

风浪等天气状况的好坏，对沉桩定位精度影响较大，根据实际施工和定位系统监测情况来看，风力和波高较大的条件下，船体稳定性差，定位方式的选择已经没有意义，基桩摆动幅度远超容许偏差值范围要求，所以施工人员必须严格遵守船舶的施工波高及风力要求。

编排的打桩先后顺序，诸如疏浚抛填等交叉作业、地质条件和水深大小等因素单一或综合干扰也会影响桩偏位，技术人员应通过经验和细化组织操作以及试打桩等典型施工来确定对沉桩偏位的控制手段。

船舶进场后应有场地观察和适应的时间，切勿盲目抓抢施工进度而忽视现场考察了解，导致施工组织遗漏进而影响桩位控制精度。

3.4.4 操作过程关键点控制
（1）船舶进场前，必须对GPS定位系统初始设置情况进行校核，施工过程中，对每个墩台（排架）第一根桩必须进行科学严谨的对比校核，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。

（2）锚泊驻位必须考虑涨潮落潮和盛行季风影响，在盛行风向与潮流方向不一致时，选取主要因素考虑。

原则上船舶涨流向驻位，对应的流向较大的区域相应方向的锚缆布设距离对应增长，较多采用前后八字、左右交叉的下锚方式。

打桩船驻位完成后，应进行模拟移船操作以便检验船舶驻位的合理性并确认锚系是否可靠并满足沉桩施工精度要求。

（3）测量人员应与施工人员密切配合，达到定位与沉桩协调一致，最大限度地减少风浪对测量结果的不良影响，下桩时测量人员需在现场对实际桩位相对关系进行判断。

解扣压锤等步骤要充分考虑桩身受力，杜绝单侧吊钩带劲过大。

（4）采用二次开机（下桩前重启GPS接收机），或通过仪器附带软件（如TGOffice）观察卫星冗余值的周跳变化，判断GPS信号的精度状况，如果冗余值过大，则通过卫星截止高度角、删星、多路径抑制等处理方法，确保卫星信号最佳状态。

4 总结
通过前文所述的采用GPS打桩定位系统产生的沉樁偏位及控制措施，在施工之前，施工人员要对GPS打桩定位系统进行精确复核，施工过程中要对预留量的设置、锚系受力合理性的判断、下桩时机的把握，解扣压锤操作各环节综合考虑，尤其是自沉桩过程桩体的偏位是影响最终偏位的决定性因素，所以施工人员的责任心、质量意识、操作技能和经验对沉桩定位的精确性和可靠性至关重要，尤其加强施工人员的责任意识、技术水平提高，经验技能的积累，从而在保证沉桩正位率的前提下逐步提高远海沉桩的精度控制要求。

参考文献
[1]邵蔚，郑若奇.海上GPS 打桩定位系统[J].中国港湾建设，2003（02）：30-36.
[2] 梁峰.水上沉桩中的桩位偏差分析与控制[J].中国水运，2012（09）：223-225.。