远岸深水超大沉井首节下沉定位几何姿态计算介绍

第20卷 第6期 中 国 水 运 Vol.20 No.6 2020年 6月 China Water Transport June 2020
收稿日期：2020-02-16
作者简介：
解光路，中交第二航务工程局第四工程有限公司。

远岸深水超大沉井首节下沉定位几何姿态计算介绍
解光路，刘莹莹
（中交第二航务工程局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241000）
摘 要：介绍了远岸深水中钢沉井着床定位时采用的测量方法和施工坐标系转换为桥轴坐标系的转换方法，着重对沉井下沉时相关几何姿态参数的计算方法进行描述，可为以后类似工程的沉井定位的姿态计算提供参考和借鉴。

关键词：桥轴坐标系转换；下沉定位；几何姿态计算；监测点布设
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）06-0221-03
一、工程概况
常泰长江大桥路线起自泰兴市六圩港大道，跨长江主航道，经录安洲，跨长江夹江，止于常州市新北区港区大道，路线全长10.03km。

主航道桥5#主塔采用钢沉井基础，沉井基础平面呈圆端型，立面为台阶型，沉井底面尺寸95.0×57.8m（横桥向×纵桥向），圆端半径28.9m，钢沉井总高为64m，首节高度达43m。

沉井基础结构如图1所示。

图1 沉井基础结构图
二、着床定位方案
将首节43m 钢沉井块段在干船坞内总拼成一个整体后，利用拖轮将43m 整节段沉井浮运至施工现场，采用锚墩+锚缆+锚的定位系统进行辅助下沉定位着床施工。

其定位着床方案即选择在平潮期对沉井进行初步定位，第一次注水下沉至距离河床2m 位置，通过锚缆定位系统进行精确定位，第二
次注水使沉井快速下沉至着床，进行姿态及位置复核，第三次注水使沉井入泥1m 至稳定状态，通过上述工作流程来完成首节43m 钢沉井定位着床下沉施工。

沉井定位着床下沉期间，测量人员需进行沉井姿态测量，并提供准确的沉井姿态偏位数据，施工人员通过沉井姿态偏位数据，利用锚缆定位系统来对沉井位置和姿态进行调整，以确保沉井竖直、平稳、准确着床下沉到预定位置。

三、测量方案 1．测量方法
（1）沉井下沉定位区域水深达26m 左右，距离岸边1.2km，距离长江大堤2.2km。

施工区域距离岸边较远，无法直接使用全站仪进行观测，故使用技术发展已经成熟GNSS 动态测量技术，即GNSS-RTK（使用1台固定基准站+4台流动站）对沉井姿态进行同时段测量。

（2）为便于直观观察数据和快速计算，将图纸中所提供的设计坐标转换成施工桥轴坐标，以达到快速反馈姿态结果，有利于现场对沉井姿态和位置的调整。

2．监测点布置[1]
首节43m 沉井总拼完成后，出坞浮运前，对沉井顶口轴线尺寸进行测量校核，并以沉井顶口实际尺寸为计算依据，进行监测点放样，将姿态监测点布置在十字轴线上，并作明显标记。

为便于安置仪器及长期保存，将监测点沿顺、横桥轴线方向往内收缩15cm 布置。

共布设5个监测点，沉井中心监测点位于隔仓中心，点位处于悬空位置，无法标记，估沉井中心监测点为虚拟点位，数据为其余4个监测点的平均值。

监测点布置如图2所示。

图2 沉井顶口监测点布置示意图
222 中 国 水 运 第20卷 3．施工桥轴坐标转换[2]
施工桥轴坐标系以主航道桥5#墩沉井中心里程为X 轴的起点，以大里程6#墩中心里程为X 轴正方向，逐渐增大；Y 轴则以主航道桥梁中心轴线偏距0m 位置为Y 轴的起点，Y 轴指向上游侧为正，逐渐增大，指向下游侧为负。

坐标转换关系如图3
所示。

图3 桥轴坐标转换关系
1）求两套坐标系之间的旋转角度β，即两套坐标系X 轴的方位角之差。

6'5'6656'5'5y y y y artan artan x x x x β⎛⎫⎛⎫
--=- ⎪ ⎪--⎝
⎭⎝⎭
式中：
（x 5、y 5），（x 6、y 6）为图纸中提供的5#和6#墩沉井中心设计坐标；
（x 5’、y 5’），（x 6’、y 6’）为施工桥轴坐标系设定的起点和终点坐标。

2）已知设计坐标p 点，求施工桥轴系下p’（x p’、y p’）点坐标。

x =((x -x )*c o s β)+((y -y )*s i n β)+x p 5p 5p '5'y
=-((x -x )*s i n β)+((y -y )*c o s β)+y
p 'p 5p 55'
式中：
（x p 、y p ）为待求p 点在图纸中的设计坐标； （x 5、y 5）为图纸中提供的5#墩中心设计坐标； （x 5’、y 5’）为施工桥轴坐标系下设定的起点坐标； β为两套坐标系之间的旋转角度。

四、沉井几何姿态计算[3]
沉井姿态包括沉井偏位、标高、扭角和倾斜度等几何形
态。

1．沉井顶口轴线偏位
沉井顶口实测坐标为桥轴坐标后，可直接与里程及偏距
进行比对，并计算出沉井顶口偏位，一目了然。

顺i (i =1、2)实i (i =4、5）
设(4、
4）
横i (i =1、2)实i (i =1、2）设(1、
2）
L P J i i i i X
Y ===-=-
式中：
X 实i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标X 值； Y 实i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标Y 值； L 设i（i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的设计里程值； PJ 设i（i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的设计偏距值。

对于沉井中心（3#点）的偏位，则使用外围监测点（1、2、4、5）的平均值作为顶口中心坐标。

2．平面扭转角
通过沉井顶口监测点的实测坐标计算实际方位角，并同设计方位角进行比较得出差值，此差值即为沉井水平方向扭转角，取顺、横两轴线方向的平均值作最终数值，顺时针为正，逆时针为负。

沉井监测点编号设置见前文图2所示。

4521
设54设124521
扭角((tan
)(tan ))
=
2
y y y y ar ar x x x x ααα---+---
式中：
α实12为沉井顶横桥向监测点（1-2）方向的实测方位角； α实54为沉为顶顺桥向监测点（5-4）方向的实测方位角； α设12为沉井顶横桥向监测点（1-2）方向的设计方位角； α设54为沉为顶顺桥向监测点（5-4）方向的设计方位角； X i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标X 值； Y i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标系Y 值。

3．倾斜度
通过实测沉井顶口 4 个外围监测点（1、2、4、5）的高程，利用顺、横桥向测点之间高差和水平距离比值，计算得出沉井顺、横桥向的倾斜值。

()()()()452
24545
212221211
顺1
横==
x x y y x x y y h h
h h K K ----⎛⎫- ⎪ ⎪+⎝⎭
⎛⎫- ⎪
⎪
+⎝
⎭
式中：
h （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测高程值； X i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标X 值； Y i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标Y 值；
22
4
5
4
5
()()X
X
Y
Y
-+-为沉井顶顺桥向监测
点的实测水平距离；
222
1
2
1()()X
X
Y
Y -+-为沉井顶横桥向监测
点的实测水平距离；
当倾斜度较少时，倾斜对水平距离的影响很小，可以直接用沉井顺、横桥向监测点的理论结构长度代替实测水平距离。

4．沉井底口刃脚偏位
由沉井顶口实测坐标和倾斜角（平面扭角影响较小不作
第6期 解光路等：远岸深水超大沉井首节下沉定位几何姿态计算介绍 223
考虑）计算得出沉井底口刃脚轴线坐标。

底口中心偏位（3#点），则使用计算出的外围监测点（1、2、4、5）坐标数据平均值作为底口中心坐标数据。

45
底顶i 顺
21
底顶i 横
=+(v*
)=+(v*)
h h x x L h h y y L --
式中：
X 顶i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标X 值； Y 顶i （i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测桥轴坐标Y 值； h i（i=1、2、4、5）为沉井顶4个监测点的实测高程值； V 值为沉井竖向高度；
L 顺为沉井顶顺桥向监测点的实测水平距离； L 横为沉井顶横桥向监测点的实测水平距离。

当倾斜度较少时，倾斜对水平距离的影响很小，可以直接用沉井顺、横桥向监测点的理论结构长度代替实测水平距离。

沉井底口坐标数据计算完成后，按照前文沉井顶口轴线偏位的计算公式，将底口X 值减去设计里程，底口Y 值减去设计偏距，得到的差值即为沉井底口刃脚轴线的偏位。

5．沉井底口刃脚高程
通过实测沉井顶口监测点的高程，利用计算的实际倾斜度推算出沉井底口刃脚的高程，（如实际倾斜度不大时，则可以直接用顶口实测的高程减去沉井竖向高度。

）。

4
5底顺顶i 顺21底横顶i 横=-v*cos(sin )=-v*cos(sin )h h H H L h h H H L ⎛⎫
- ⎪ ⎪⎝⎭⎛⎫
- ⎪
⎪⎝⎭
式中：
顺桥向H 顶i（i=4、5）为沉井顶顺桥向（4、5）监测点的实测高程值；
横桥向H 顶i（i=1、2）为沉井顶横桥向（1、2）监测点的实测高程值；
V 值为沉井竖向高度；
L 顺、L 横为沉井顺、横桥向的水平距离，实际倾斜较小时，可以直接用沉井顺、横桥向监测点之间的理论结构长度代替。

五、总结
一般岸上或离岸较近的沉井结构施工，其姿态测量通常采用常规的测量方法即使用全站仪进行观测，但鉴于本项目施工区域距离岸边较远，全站仪无法满足施工需要，故采用GNSS-RTK 测量方法进行同时同步观测，其测量精度满足施工规范要求。

本文主要描述了在人工进行沉井稽核姿态测量时，相关几何参数的计算方法。

在本项目中，除进行人工测量沉井姿态外，还引入了自动化监测设备，其计算思路与其一致，测量人员必须知晓自动化监测设备计算的基本计算方法，在沉井着床定位期间采用两套测量方法相互比对校核和补充，以做到沉井着床下沉时测量工作的万无一失，使沉井下沉的精度更加可控，数据更加准确。

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（上接第220页）
利用上述换算系数的反演值，代入公式（4），当排水体采用5cm 宽的塑料排水板时，对连云港地区新型真空预压地基处理法进行更准确的设计，提出更合理的真空预压满载时间，以达到预期的地基处理效果。

四、结论
（1）根据某场地新型真空预压软基处理的近500个监测点沉降数据推算固结度，结合设计参数，实测沉降数据推算的固结度与考虑井阻、涂抹效应的固结度理论计算值更接近。

不考虑井阻、涂抹效应的固结度理论计算值比考虑井阻、涂抹效应的固结度理论计算值高21%。

（2）对于连云港地区高塑性、高灵敏度的软土特征，考虑排水体井阻、涂抹效应，利用固结度计算公式反演排水体的换算系数α值。

当采用新型真空预压技术、排水体选择5cm 宽的排水板时，建议α取值0.85~1.1，为连云港地区新型真空预压排水体的参数设计提供依据。

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