GPS海上定位技術(shù)在預(yù)制墩臺(tái)吊裝精調(diào)中應(yīng)用

易建華，姬翠翠，黃文學(xué)，楊銀波

（中交二航局二公司測(cè)繪大隊(duì)，重慶 400042）

0 引言

港珠澳大橋橫跨30余km的海域，從珠海到香港整個(gè)路段包括海底隧道和橋梁，由于海上受風(fēng)浪較大，對(duì)海上工程測(cè)量的定位和精度調(diào)節(jié)造成嚴(yán)重影響，加大了工作難度，所以此文對(duì)港珠澳大橋埋置式承臺(tái)墩身在海上定位和精調(diào)的過程進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)建設(shè)中發(fā)現(xiàn)的問題提出了可行性的建議，便于此項(xiàng)技術(shù)在海上施工測(cè)量的推廣[1]。

1 工程概況

港珠澳大橋足尺模型工藝試驗(yàn)墩數(shù)量1個(gè)，工藝試驗(yàn)墩中心樁號(hào)為K22+853m，向北偏離橋軸線150m。

預(yù)制承臺(tái)的幾何尺寸為10.6m×10.1m×4.5m，預(yù)制墩身尺寸為5.0m×3.5m×13.4m，其結(jié)構(gòu)及幾何尺寸見圖1。

圖1 墩臺(tái)結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）Fig.1 structure of the pier（cm）

2 儀器設(shè)備、坐標(biāo)系統(tǒng)及高程基準(zhǔn)

項(xiàng)目投入的主要儀器設(shè)備有精密全站儀1臺(tái)，經(jīng)緯儀2臺(tái)，Leica NA2水準(zhǔn)儀1臺(tái)，天寶R6 GPS接收機(jī)3臺(tái)。

測(cè)量定位采用港珠澳大橋統(tǒng)一的測(cè)量基準(zhǔn)。平面基準(zhǔn)采用港珠澳大橋測(cè)控中心建立的橋梁工程坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

預(yù)制墩臺(tái)吊裝測(cè)量控制網(wǎng)統(tǒng)一采用測(cè)控中心提供的HZMB-CORS系統(tǒng)[2]和首級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)成果表，使用海上施工GNSS定位系統(tǒng)，進(jìn)行RTK實(shí)時(shí)定位時(shí)采用測(cè)控中心提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)[3]。

3 預(yù)制墩臺(tái)海上定位方法及精調(diào)

3.1 預(yù)制墩臺(tái)吊裝概述

墩臺(tái)用駁船運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后在墩旁拋錨定位，用2200 t浮吊起吊安裝。墩臺(tái)起吊至鋼管樁上方后進(jìn)行粗導(dǎo)向定位，以確保鋼管樁順利穿入承臺(tái)預(yù)留孔。粗導(dǎo)向定位完成后，緩慢下放墩臺(tái)，直至吊具及懸掛系統(tǒng)擱置在樁頂?shù)闹螛睹鄙?，待懸掛系統(tǒng)的豎向千斤頂受力均勻后，浮吊落鉤完成墩臺(tái)粗安裝。利用懸掛系統(tǒng)的水平油缸組、豎向油缸組及預(yù)留孔內(nèi)的水平油缸組精確調(diào)整，直至墩臺(tái)準(zhǔn)確安裝就位。預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)流程見圖2。

圖2 墩臺(tái)精確調(diào)位流程圖Fig.2 Flow chart of the accurate adjustment and positioning of piers

預(yù)制墩臺(tái)吊裝過程精確調(diào)位方法為：墩臺(tái)精確調(diào)位通過各調(diào)整油缸組來完成，其中豎向調(diào)整、X向調(diào)整、Y向調(diào)整和墩臺(tái)頂緊油缸組用于精確調(diào)位。各油缸組的每個(gè)油缸均可獨(dú)立控制伸縮的位移和載荷，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整。

3.2 樁基復(fù)核

預(yù)制承臺(tái)、墩身吊裝前，對(duì)基樁平面位置及相對(duì)平面位置利用全站儀三維坐標(biāo)法進(jìn)行復(fù)核和樁頂高程及樁身傾斜度等進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，確定群樁空間姿態(tài)，推算樁基標(biāo)高+6～-9.9m處樁基的偏位情況，為預(yù)制承臺(tái)、墩身吊裝提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)控制點(diǎn)布置

通過在墩頂安裝的吊具系統(tǒng)上布置測(cè)量控制點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)預(yù)制墩臺(tái)的安裝定位及精調(diào)。根據(jù)預(yù)制墩臺(tái)與吊具系統(tǒng)的相對(duì)幾何尺寸關(guān)系，在吊具上布置4個(gè)測(cè)量調(diào)位點(diǎn)，4個(gè)高程調(diào)位點(diǎn)，并用油漆做好標(biāo)記。注意測(cè)量調(diào)位點(diǎn)的保護(hù)工作，吊具上精調(diào)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 吊具上精調(diào)點(diǎn)布置圖Fig.3 layout of the accurate adjustment points of the lifting sling

3.4 預(yù)制墩臺(tái)吊裝粗定向

預(yù)制墩臺(tái)吊裝下放時(shí)，由于預(yù)制墩臺(tái)處于懸吊狀態(tài)，無法對(duì)其進(jìn)行GPS-RTK測(cè)量，故預(yù)制墩臺(tái)吊裝下放過程，只能通過人為觀察和調(diào)整預(yù)制墩臺(tái)上的攬繩來指導(dǎo)預(yù)制墩臺(tái)的下放。緩慢下放墩臺(tái)，直至吊具及懸掛系統(tǒng)擱置在樁頂?shù)闹螛睹鄙?，待懸掛系統(tǒng)的豎向千斤頂受力均勻后，浮吊落鉤完成墩臺(tái)的粗定向。

3.5 預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)

預(yù)制墩臺(tái)粗安裝完成后，下步工作即預(yù)制墩臺(tái)的精調(diào)，按調(diào)整順序主要包括垂直度、墩頂標(biāo)高、平面位置3部分的精調(diào)工作。

3.5.1 預(yù)制墩臺(tái)垂直度精調(diào)

由于受鋼圍堰及吊具系統(tǒng)遮擋的原因，利用經(jīng)緯儀豎絲法調(diào)整墩身垂直度受限，故只能采用懸吊垂球的方法測(cè)量墩身垂直度，多次測(cè)量取平均作為墩身的垂直度，根據(jù)量測(cè)的墩身垂直度，指導(dǎo)吊具系統(tǒng)及承臺(tái)預(yù)留孔內(nèi)預(yù)裝的自動(dòng)液壓千斤頂來對(duì)墩身垂直度進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)測(cè)量及調(diào)整，直至墩身垂直度滿足設(shè)計(jì)要求為止。

3.5.2 預(yù)制墩臺(tái)高程精調(diào)

由于預(yù)制墩身頂已被吊具系統(tǒng)覆蓋，無法直接在墩頂架設(shè)水準(zhǔn)儀精調(diào)，故只能通過對(duì)在吊具系統(tǒng)頂面上預(yù)先布置的高程調(diào)位點(diǎn)的精調(diào)來實(shí)現(xiàn)預(yù)制墩身高程的精調(diào)，具體方法為：

首先在吊具系統(tǒng)上架設(shè)GPS接收機(jī)，利用GPS-RTK測(cè)量方法，測(cè)定一點(diǎn)的高程，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)15min[4-5]，得到一個(gè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)，然后架設(shè)徠卡NA2水準(zhǔn)儀，測(cè)量吊具4個(gè)角點(diǎn)（高程調(diào)位點(diǎn)）與已知高程點(diǎn)的高差，計(jì)算得到吊具四角高程，通過吊具系統(tǒng)的豎向液壓千斤頂來調(diào)整預(yù)制墩身的高程，重復(fù)以上過程，反復(fù)測(cè)量，多次精調(diào)直至預(yù)制墩身頂標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)高程為止。

3.5.3 預(yù)制墩臺(tái)平面精調(diào)

預(yù)制墩臺(tái)的平面精調(diào)也是通過吊具系統(tǒng)上預(yù)先布置的調(diào)位點(diǎn)的精調(diào)來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)預(yù)制墩臺(tái)與吊具系統(tǒng)的相對(duì)尺寸關(guān)系，計(jì)算出吊具系統(tǒng)上平面調(diào)位點(diǎn)的坐標(biāo)。

在吊具頂面上的調(diào)位點(diǎn)上同時(shí)架設(shè)3臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)調(diào)位點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的坐標(biāo)值，與吊具系統(tǒng)上布置的精調(diào)點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到預(yù)制墩臺(tái)的平面偏位及平面扭角，指導(dǎo)液壓調(diào)位系統(tǒng)對(duì)預(yù)制墩臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)測(cè)量與精調(diào)，根據(jù)不在同一直線上的3點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，當(dāng)3臺(tái)GPS接收機(jī)的坐標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)坐標(biāo)時(shí)，即表示預(yù)制墩臺(tái)平面調(diào)位完成[6]。

4 預(yù)制墩臺(tái)復(fù)核測(cè)量

預(yù)制墩臺(tái)體系轉(zhuǎn)換完成、吊具系統(tǒng)拆除后，在墩頂面上已經(jīng)布置好的軸線點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)，利用GPS-RTK測(cè)量方法，測(cè)定預(yù)制墩身軸線點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)15min，并利用徠卡NA2水準(zhǔn)儀測(cè)量墩頂四角高程。利用懸吊垂球法測(cè)量墩身垂直度。得到預(yù)制墩臺(tái)吊裝定位及精調(diào)的最終成果。采用GPS-RTK測(cè)量模式進(jìn)行精調(diào)，故其定位精度為平面±2 cm，高程±3 cm[7]。

預(yù)制墩臺(tái)吊裝完成竣工測(cè)量示意圖見圖4，預(yù)制墩臺(tái)吊裝定位竣工測(cè)量成果見表1，預(yù)制墩臺(tái)吊裝墩頂四角高程竣工測(cè)量成果見表2，預(yù)制墩臺(tái)吊裝完成垂直度竣工測(cè)量成果見表3。

圖4 預(yù)制墩臺(tái)竣工測(cè)量示意圖Fig.4 Sketch of the final survey of the precast pier

表1 預(yù)制墩臺(tái)吊裝定位竣工測(cè)量成果表Table 1 Completion measurement results of the lifting and positioning of precast pier m

表2 預(yù)制墩臺(tái)吊裝墩頂四角高程竣工測(cè)量成果Table 2 Completion measurement results of the four corners elevation on the top of the lifting precast pier

5 結(jié)語

通過預(yù)制墩臺(tái)吊裝定位及精調(diào)測(cè)量整個(gè)過程，即證明了此項(xiàng)技術(shù)的可行性，也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下方面并給出建議。

1）在預(yù)制墩臺(tái)下放到位后，由于受鋼圍堰及吊具系統(tǒng)的遮擋，墩身垂直度的監(jiān)測(cè)較難實(shí)現(xiàn)。目前暫只能采用懸掛垂球的方法進(jìn)行。

建議在預(yù)制墩身上設(shè)計(jì)測(cè)量通道和掛籃，方便垂直度測(cè)量。主體工程上墩身安裝時(shí)，建議在墩身上預(yù)先安裝反射片，利用全站儀三維坐標(biāo)法測(cè)量其垂直度。

2）在預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)，液壓調(diào)位系統(tǒng)對(duì)墩臺(tái)的平面扭角的調(diào)整能力不強(qiáng)，耗費(fèi)大量時(shí)間及精力。

建議對(duì)液壓調(diào)位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。以適應(yīng)平面扭角的調(diào)整。

3）吊具系統(tǒng)上部空間狹小且布置的機(jī)具較多，不利于測(cè)量精調(diào)時(shí)測(cè)量?jī)x器設(shè)備的布置，對(duì)測(cè)量精調(diào)帶來不便。

建議對(duì)吊具系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，預(yù)留出足夠的測(cè)量空間。

4）由于吊具系統(tǒng)將預(yù)制墩身頂部遮蓋，無法直接測(cè)量墩身頂部軸線的平面偏位及高程，只能以吊具系統(tǒng)的軸線偏位和高程來代替進(jìn)行精調(diào)。

建議每次海上吊裝前，應(yīng)在陸地上將吊具系統(tǒng)安裝就位，利用預(yù)制場(chǎng)建立的以平行墩身縱橫軸線為基礎(chǔ)的獨(dú)立測(cè)量控制網(wǎng)，將預(yù)制墩臺(tái)的軸線及高程精調(diào)點(diǎn)引測(cè)至吊具系統(tǒng)頂部，根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將獨(dú)立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至橋梁工程坐標(biāo)，再進(jìn)行海上安裝精調(diào)，防止由于吊具安裝誤差給預(yù)制墩臺(tái)的最終定位精度帶來影響。且陸地導(dǎo)向架安裝難度遠(yuǎn)小于海上導(dǎo)向架安裝。

5）預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)，在海浪沖擊力作用下，預(yù)制墩臺(tái)及鋼管樁存在晃動(dòng)情況，預(yù)制墩臺(tái)與鋼管樁的相對(duì)晃動(dòng)位移在4 cm左右，給預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)定位帶來不確定性。

建議采取工程措施進(jìn)行加固。

6）承臺(tái)墩身預(yù)制時(shí)，承臺(tái)軸線與墩身軸線及承臺(tái)預(yù)留孔與墩身軸線相對(duì)應(yīng)的幾何尺寸關(guān)系要盡量與設(shè)計(jì)一致，防止墩臺(tái)精調(diào)到位后，預(yù)留孔與鋼管樁壁的間隙不均，對(duì)下步止水工作帶來難度。

建議在預(yù)制場(chǎng)建立精密的獨(dú)立控制網(wǎng)及測(cè)量塔，嚴(yán)格施測(cè)與數(shù)據(jù)平差，以保證預(yù)制精度要求。

7）由于目前施工現(xiàn)場(chǎng)缺少測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，在預(yù)制墩臺(tái)精調(diào)時(shí)采用的方法為GPS-RTK的測(cè)量方法，其測(cè)量精度難以實(shí)現(xiàn)預(yù)制墩身安裝軸線偏位±1 cm，高程不符值±1 cm的定位精度要求[5]。故不建議主體工程時(shí)采用GPS-RTK測(cè)量方法進(jìn)行預(yù)制墩臺(tái)安裝的精調(diào)工作。

建議在主體工程施工時(shí)，利用已經(jīng)建設(shè)好的測(cè)量平臺(tái)和優(yōu)先墩上布設(shè)的測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)，利用全站儀三維坐標(biāo)法對(duì)預(yù)制墩臺(tái)安裝進(jìn)行精調(diào)，以保證墩臺(tái)安裝的絕對(duì)定位精度。優(yōu)先墩的定位控制采用測(cè)量平臺(tái)上的測(cè)量控制定位進(jìn)行精調(diào)，故應(yīng)注意優(yōu)先墩的施工順序[8]。

8）通過對(duì)預(yù)制墩臺(tái)安裝的測(cè)量控制發(fā)現(xiàn)，海上施工預(yù)制墩臺(tái)安裝定位軸線偏差±1 cm較難實(shí)現(xiàn)，且耗費(fèi)大量人力物力及時(shí)間。

建議預(yù)制墩臺(tái)安裝定位軸線偏差適當(dāng)放寬，通過墊石現(xiàn)澆或增大墊石預(yù)留孔內(nèi)徑的方法進(jìn)行絕對(duì)定位的修正，以保證港珠澳大橋的整體線型。

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