海上打圓樁過程監(jiān)測(cè)的新型測(cè)量方法范文
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摘要:針對(duì)打樁定位的測(cè)量方法，探討了一種用于海上打圓樁過程監(jiān)測(cè)的新型測(cè)量方法，使用全站儀無棱鏡模式對(duì)圓樁橫切面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用最小二乘原理迭代擬合橫切面，得到擬合圓心的坐標(biāo)及圓半徑，進(jìn)而解算樁頂位置和高程、樁傾斜度及多樁控制，實(shí)現(xiàn)打樁過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過某項(xiàng)目打樁案例實(shí)踐，驗(yàn)證了該測(cè)量方法的可行性和正確性。
關(guān)鍵詞:打樁定位;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);擬合法;全站儀;多樁控制
1引言
在海上導(dǎo)管架平臺(tái)、風(fēng)電樁基、跨海橋梁等工程的建設(shè)中，打樁定位是必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，打樁定位測(cè)量的基本方法主要包括:直角坐標(biāo)交會(huì)法、角度交會(huì)法［1］、GNSS(globalnavigationsatellitesystem)法和極坐標(biāo)法。直角坐標(biāo)交會(huì)法需要設(shè)置縱橫兩條基線［2］，在海上布設(shè)基線受到很多條件的限制，該法用于近岸、碼頭等施工打樁。角度交會(huì)法中方向定位的精度與交會(huì)角度有關(guān)，由于海上作業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)受到很大限制，當(dāng)交會(huì)角度過小或過大時(shí)，會(huì)減弱樁位定位的精度［3］;其次為了避免某一臺(tái)儀器出錯(cuò)，需要第三臺(tái)儀器進(jìn)行檢核，工作效率不高。GNSS法，主要是利用RTK(realtimekinematic)進(jìn)行打樁定位，這種方法具有定位精度高、時(shí)間短等特點(diǎn)，大大提高定位的效率［4－7］，但是在海上作業(yè)，受多種條件限制，GNSS－RTK儀器無法安裝在樁上。目前使用的樁體主要有兩種:方樁和圓樁。其中使用最多也是最難定位定向的樁體是圓樁［8－9］。本文研究采用極坐標(biāo)法使用無棱鏡全站儀對(duì)圓樁打樁過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集圓樁橫切面上擬合點(diǎn)坐標(biāo)，來解算樁頂位置和高程、樁傾斜度、及多樁控制，應(yīng)用于采取圓樁基結(jié)構(gòu)的海洋工程建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)打多樁同步監(jiān)測(cè)。
2打樁過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
在海上打樁，一般需要按照設(shè)計(jì)位置、設(shè)計(jì)高程及設(shè)計(jì)傾角對(duì)鋼樁進(jìn)行安裝。打樁過程中，指揮者需確定現(xiàn)樁頂位置和高程、樁傾斜度與設(shè)計(jì)值間的關(guān)系，才能有效地調(diào)整樁位及傾角。在此情況下，必須對(duì)鋼樁進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。下文對(duì)切面擬合測(cè)量法、樁傾斜度監(jiān)測(cè)、樁頂位置和高程監(jiān)測(cè)及多樁控制展開論述。
2.1切面擬合測(cè)量法
打樁前，在鋼樁上繪制等間距刻度線，用于表示鋼樁的橫切面，見圖1。打樁監(jiān)測(cè)時(shí)，通過全站儀無棱鏡模式［10］觀測(cè)上、下兩個(gè)橫切面，每個(gè)橫切面上選取8～10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到定位軟件進(jìn)行擬合。利用最小二乘原理［11－12］擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標(biāo)及圓半徑，剔除離擬合圓最遠(yuǎn)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，再次擬合該橫切面，得到橫切面中心的坐標(biāo)及圓半徑。最后，將橫切面圓半徑與設(shè)計(jì)尺寸對(duì)比，如果滿足要求，則認(rèn)為此次測(cè)量結(jié)果有效。否則，重復(fù)以上測(cè)量操作直到滿足要求為止。必要時(shí)，需要進(jìn)行多次測(cè)量，比較測(cè)量結(jié)果的差異以保證測(cè)量質(zhì)量。擬合測(cè)量法工作流程圖見圖2。圖1觀測(cè)切面示意圖
2.2樁傾斜度監(jiān)測(cè)
樁傾斜度監(jiān)測(cè)采用定性分析和定量監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法。在打樁前立樁過程中，先定性地描述其鋼樁的傾斜程度，不需要提供準(zhǔn)確的傾斜角度，將鋼樁樹立垂直;在打樁過程中，需要提供準(zhǔn)確的傾斜角度和方位，以供準(zhǔn)確調(diào)節(jié)樁姿態(tài)，這時(shí)需定量地測(cè)量其傾斜度。下面詳細(xì)介紹定性、定量監(jiān)測(cè)方法。(1)定性法整平全站儀，將全站儀“十字絲”豎絲作為參考線，視為鉛垂線，觀察鋼樁外側(cè)母線，以定性地描述鋼樁傾斜程度，見圖3。詳細(xì)操作如下:瞄準(zhǔn)鋼樁下端，使全站儀豎絲與樁外側(cè)母線相切，制動(dòng)全站儀水平螺旋，旋轉(zhuǎn)垂直螺旋，在視窗內(nèi)觀察鋼樁外側(cè)母線與豎絲間的關(guān)系，當(dāng)豎絲與母線重合，則鋼樁沒有傾斜。這種方法只能監(jiān)測(cè)到垂直全站儀視線方向的傾斜，而在全站儀視線方向上的傾斜將難以觀測(cè)。為了全方位監(jiān)測(cè)傾斜，可以再架設(shè)一臺(tái)全站儀使用相同的方法觀測(cè)，該儀器架設(shè)在與樁、第一臺(tái)全站儀垂直的方向上(見圖4)。通過該方法，可以快速地描述出樁的傾斜方向，以供吊裝司機(jī)調(diào)節(jié)樁的姿態(tài)。利用2.1節(jié)中的上、下橫切面圓心坐標(biāo)(X上，Y上，Z上)、(X下，Y下，Z下)，通過公式(1)和公式(2)計(jì)算其樁的傾斜度，包括傾斜方位α和傾斜角度β。通過公式(1)和公式(2)分析，傾斜度的精度取決于擬合圓心坐標(biāo)的精度，全站儀的觀測(cè)質(zhì)量及儀器精度直接影響到傾斜度的測(cè)量精度。所以，盡量選擇在平潮期間進(jìn)行測(cè)量，并將全站儀補(bǔ)償打開，以提高全站儀觀測(cè)精度。另外，從公式(2)看出，選取上、下兩個(gè)橫切面的間距(即Z上－Z下)也將關(guān)系到傾斜角度的精度，兩橫切面間距越大越有利于提高傾斜角度的測(cè)量精度。
2.3樁頂位置、高程監(jiān)測(cè)
打樁過程中，需要監(jiān)測(cè)現(xiàn)樁頂?shù)奈恢煤透叱膛c設(shè)計(jì)值的關(guān)系。如果全站儀能直接觀測(cè)到樁頂時(shí)，選擇樁頂為上橫切面，這時(shí)擬合出來的橫切面坐標(biāo)即為樁頂位置和高程。當(dāng)無法直接觀測(cè)到樁頂時(shí)，選擇能觀測(cè)到的兩個(gè)橫切面，通過計(jì)算得到樁頂位置和高程。利用2.1節(jié)中的上或下橫切面的樁心位置(X，Y，Z)和觀測(cè)刻度m，結(jié)合2.2節(jié)中的樁傾斜度(傾斜方位α和傾斜角度β)，根據(jù)公式(3)來推算樁頂位置(X頂，Y頂)和高程Z頂。
2.4多樁控制
對(duì)于打多樁，不僅關(guān)心樁自身的位置和傾斜角，而且要考慮在設(shè)計(jì)高程平面上各樁間樁心的相對(duì)關(guān)系。首先，計(jì)算各樁在設(shè)計(jì)高程Z設(shè)計(jì)處的樁心位置(X，Y，Z)。仍利用2.1節(jié)中上橫切面的樁心位置(X上，Y上，Z上)和2.2節(jié)中樁傾斜度(傾斜方位α和傾斜角度β)的結(jié)果，通過公式(4)來計(jì)算各樁在設(shè)計(jì)標(biāo)高Z設(shè)計(jì)處的樁心位置(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)…。然后，利用各個(gè)樁在設(shè)計(jì)標(biāo)高處的位置，通過公式(5)來計(jì)算各樁間的距離S。用這種方法，計(jì)算出設(shè)計(jì)高度處多樁間的相對(duì)關(guān)系，通過與設(shè)計(jì)相對(duì)關(guān)系對(duì)比，將結(jié)果報(bào)送打樁指揮者以供參考。
3案例分析
在某海域海上風(fēng)電升壓站施工項(xiàng)目中，應(yīng)用本文測(cè)量方法，依次對(duì)4根鋼樁(B5、B3、D3、D5)進(jìn)行打樁過程監(jiān)測(cè)。鋼樁采用直徑2.896m、長76.000m的圓柱形樁，其平面設(shè)計(jì)位置呈矩形分布，見圖5。打樁要求:單樁樁心絕對(duì)位置平面偏差在0.50m內(nèi)，高程在±0.05m內(nèi)，傾斜度在3‰內(nèi);矩形邊兩根樁中心間距分別為18.96m和18.10m，允許誤差為±0.05m;對(duì)角線邊兩根樁中心間距為26.21m，允許誤差為±0.07m。監(jiān)測(cè)過程操作步驟如下:①將全站儀架設(shè)在控制點(diǎn)上，對(duì)中、整平儀器，進(jìn)行設(shè)站;②任意選取上、下橫切面進(jìn)行全站儀無棱鏡模式觀測(cè)，但是橫切面間距越大越有利用于提高傾斜角度測(cè)量精度，此項(xiàng)目中兩橫切面間距在10m以上;③在每個(gè)橫切面上選取8～10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送至軟件中，進(jìn)行擬合解算;④對(duì)比擬合半徑是否與設(shè)計(jì)尺寸相符，否則重新觀測(cè)該橫截面，甚至重新選擇另外一個(gè)橫切面進(jìn)行觀測(cè)，直至滿足要求，獲得有效的上、下橫切面的圓心位置和高程，見圖6;⑤軟件解算樁頂位置和高程;⑥按第②～⑤步驟，依次觀測(cè)另外的鋼樁，解算多樁間的位置關(guān)系。按照上述方法和步驟，依次將4根鋼樁打樁監(jiān)測(cè)，通過3次多余觀測(cè)，求取平均值，最終獲得各樁頂?shù)慕^對(duì)(X、Y、Z)、傾斜度和多樁間距，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1和表2。通過表1看出，4根樁中心絕對(duì)位置平面、高程和傾斜度在允許誤差范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。通過表2看出，矩形邊和對(duì)角線兩根樁中心間距偏差在允許誤差范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。相對(duì)單樁的位置要求來說，多樁間的距離要求更加苛刻，只有相對(duì)距離滿足要求，才能與上部結(jié)構(gòu)完全吻合。本次案例中，鋼樁的標(biāo)高、傾斜度及多樁間距這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，只要有一個(gè)參數(shù)不滿足要求，就造成上部結(jié)構(gòu)無法與鋼樁對(duì)接，而論文介紹的測(cè)量法在此次項(xiàng)目中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)打多樁同步監(jiān)測(cè)。
4結(jié)束語
本文詳細(xì)介紹了一種用于海上打樁過程監(jiān)測(cè)的新型測(cè)量方法，在海上采集樁身兩個(gè)橫切面的擬合點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用編寫的軟件，進(jìn)行打樁過程中樁頂位置和高程監(jiān)測(cè)、樁傾斜度監(jiān)測(cè)及多樁控制。并通過上述項(xiàng)目案例驗(yàn)證，依次進(jìn)行了4根鋼樁的監(jiān)測(cè)，滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了打樁監(jiān)測(cè)，并有效地進(jìn)行多樁控制，驗(yàn)證了測(cè)量方法的可行性和正確性。該方法的優(yōu)點(diǎn)有:①外業(yè)采集操作簡單，只需采集兩個(gè)橫切面上8～10點(diǎn)數(shù)據(jù);②提高工作效率，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多次利用參與解算，無需重復(fù)性觀測(cè);③解算智能化，將外業(yè)采集數(shù)據(jù)發(fā)送到編寫的軟件，來解算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該方法的缺點(diǎn)有:①應(yīng)用前提是假定樁身橫切面是規(guī)則圓形，進(jìn)而擬合得到樁身指定橫切面的圓心坐標(biāo)，如果選取的橫切面因某些原因?qū)е伦陨硇巫?，則會(huì)導(dǎo)致擬合結(jié)果失真，將嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);②全站儀無法測(cè)量水下樁，只能通過其他方法來監(jiān)測(cè);③全站儀需要有穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)晃動(dòng)幅度需在儀器補(bǔ)償角度范圍內(nèi)。隨著智能全站儀的推廣，以及無棱鏡模式測(cè)量精度和測(cè)程的提高，結(jié)合編寫的軟件，將實(shí)現(xiàn)智能化、高精度打樁監(jiān)測(cè)，進(jìn)而在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。
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作者：郝建錄 歷昌 單位：交通運(yùn)輸部
