GPS打桩定位系统远海沉桩精度控制

GPS打桩定位系统远海沉桩精度控制
【摘要】本文以施工中GPS打桩定位系统应用为实例，针对远海施工特点，对GPS打桩定位过程中产生的误差来源进行分析，找出控制沉桩精度的措施，对下一步其它类似工程施工起到一定指导和借鉴作用。

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
通过实际施工经验分析，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。