芶 潔 朱 浩

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430063)

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GPS RTK技術(shù)在深水大型沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)測中的應(yīng)用

芶 潔1朱 浩2

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430063)

泰州長江大橋中塔沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸大，橋位處水文條件復(fù)雜，給施工帶來了極大的安全風險。相對比傳統(tǒng)的人工測量方法，GPS RTK技術(shù)(全球定位系統(tǒng)實時差分技術(shù))實現(xiàn)了全自動實時測量，通過后處理系統(tǒng)對實測數(shù)據(jù)進行分析，并及時反應(yīng)出沉井當前真實狀態(tài)，為決策者作出正確施工指令提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保障了沉井順利施工質(zhì)量，降低了安全風險。該技術(shù)在泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)測中成功應(yīng)用，為今后類似工程施工提供參考。

GPS RTK技術(shù)；泰州長江大橋；沉井基礎(chǔ)；施工監(jiān)測

我國大跨橋梁建設(shè)不斷向深水、外海海域發(fā)展，深水基礎(chǔ)設(shè)計與施工將面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)。目前，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)作為一種最主要的基礎(chǔ)形式在工程中被廣泛采用。近十年，隨著橋梁工程師對沉井基礎(chǔ)的認識加深及施工技術(shù)的進步，越來越多的大跨橋梁在設(shè)計時采用深水沉井基礎(chǔ)。

結(jié)合施工工藝，深水沉井基礎(chǔ)施工面臨的最大技術(shù)難題在于如何快速、準確地將其定位在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。由于受到水流、波浪等因素影響，沉井在定位過程中始終保持平面擺動與豎向升沉運動狀態(tài)。傳統(tǒng)的人工測量是通過測量儀器(或測量機器人)進行逐點測量，若涉及到多個測點，測量周期很長，后期數(shù)據(jù)處理緩慢，不能實時反映出沉井當前的幾何狀態(tài)。而GPS RTK技術(shù)可實現(xiàn)多個測點同時采集，然后在電腦終端進行數(shù)據(jù)實時處理，這樣就可保證數(shù)據(jù)的同步性，實時反映沉井的幾何狀態(tài)。

GPS RTK技術(shù)在很多領(lǐng)域的測量中已取得了快速的發(fā)展。該技術(shù)在海洋測繪方面已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用[1]，海洋測量包括海洋定位、海洋大地測量和水下地形測量。在傳統(tǒng)的公路工程測量中，常規(guī)的測量方法具有很大的局限性，而該技術(shù)的出現(xiàn)對公路勘測手段和作業(yè)方式產(chǎn)生了革命性的變革，極大提高了勘測精度和勘測效率[2]。洋山深水港工程東海大橋樁基施工中也應(yīng)用了這一技術(shù)[3]。王紅等介紹了該技術(shù)可以在橋梁監(jiān)控中的應(yīng)用[4]。雖然該技術(shù)在工程中得到了廣泛應(yīng)用，但是在基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用相對較少。

1 工程概況

泰州長江大橋為三塔懸索橋，中間鋼塔采用鋼殼-混凝土沉井基礎(chǔ)。沉井總高度為76m，其中鋼殼沉井高38m，鋼筋-混凝土沉井高38m，設(shè)計底標高-70m，承臺頂標高6m。沉井標準節(jié)段平面尺寸為44m×58m，四角倒圓半徑8m。沉井在平面上布置16個12.8m×12.8m方形井孔，沉井混凝土封底11m。沉井結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

大橋位于長江雙向感潮河段，每日兩次漲落潮，落潮流速大于漲潮流速，最大流速達到了2.61m/s。橋位處施工水深約15m。沉井下沉到設(shè)計標高，需要穿越粉細砂層、細砂層、中砂層，最后刃腳持力層位于礫砂層。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)圖

沉井基礎(chǔ)施工工藝流程大致為：38m鋼殼沉井加工制作，同時在橋位處進行定位錨墩施工→利用拖輪將沉井浮運至墩位處進行初定位→利用定位錨墩進行沉井精確定位→向夾壁倉內(nèi)注水使沉井快速下沉→澆筑夾壁隔倉混凝土→取土吸泥下沉至一定深度→重復(fù)接高混凝土與取土吸泥下沉步驟，直至沉井接高至76m和刃腳標高下沉至-70m。

2 主要監(jiān)測內(nèi)容

沉井下沉過程中幾何姿態(tài)主要監(jiān)測內(nèi)容包括平面偏位、垂直度、扭轉(zhuǎn)角和下沉量等。在實際測量過程中，可在沉井頂面布置4個測量控制點(見圖2)，然后根據(jù)GPS測量4個測點的絕對坐標，分別計算出平面偏位、垂直度等相關(guān)信息。圖2中以1001→1003測點定義為X軸正向；采用左手法則，以1002→1004測點定義為Y軸正向。

圖2 測量控制點平面布置圖

2.1 沉井平面偏位

沉井頂面中心O點的平面坐標由測點1001、1002、1003和1004點計算得出。相關(guān)的計算方法如下：

O點在X軸向的坐標由1001點和1003點X向坐標的平均值來表達。

O點在Y軸向的坐標由1002點和1004點Y向坐標的平均值來表達。

2.2 沉井垂直度

沉井垂直計算如示意圖3所示。計算前提假設(shè)條件為：(1)忽略沉井的制造誤差，認為沉井外側(cè)面與頂面互相垂直；(2)忽略沉井自身變形的影響。由于沉井可以作為剛體來看待，其傾斜度可看成是剛體繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動。基于上述假設(shè)條件，沉井垂直度可由下列公式計算得出。

X向垂直度：

θ1=arccos((z1003-z1001)/((x1003-x1001)2+

(y1003-y1001)2)0.5)

Y向垂直度：

θ2=arccos((z1004-z1002)/((x1004-x1002)2+

(y1004-y1002)2)0.5)

圖3 沉井垂直度計算示意圖

2.3 沉井扭轉(zhuǎn)角

沉井扭轉(zhuǎn)角計算公式如下：

β1=arccos((y1001-y1003)/((x1003-x1001)2+

(y1003-y1001)2)0.5)

β2=arccos((y1002-y1004)/((x1002-x1004)2+

(y1002-y1004)2)0.5)

沉井扭轉(zhuǎn)角：β=(β1+β2)/2

2.4 沉井下沉量

沉井下沉量用頂面中心豎向坐標來表示，其坐標值采用4個監(jiān)測點豎向坐標的均值。

下沉量的偏差采用實際下沉標高與設(shè)計標高的差值，如下式。

3 現(xiàn)場實施

3.1 沉井下沉信息化監(jiān)測系統(tǒng)

沉井施工過程中在沉井軸線上布設(shè)四個控制點，采用GPS RTK采集儀器(見圖4)對四個點的三維坐標進行實時動態(tài)的測量，通過無線局域網(wǎng)將實時獲取的數(shù)據(jù)(5秒/次)傳送到監(jiān)控室，利用后處理系統(tǒng)(見圖5)進行數(shù)據(jù)分析處理，得出一段時間內(nèi)測點的平均坐標，推算出沉井的平面偏位、垂直度、扭轉(zhuǎn)角和下沉量等數(shù)據(jù)。

圖4 GPS監(jiān)測儀器安裝

圖5 沉井信息化施工監(jiān)測后處理系統(tǒng)

3.2 測量結(jié)果分析

(1)平面偏位。圖6-圖7為沉井下沉過程中在兩個軸線方向上平面偏位變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時頂面中心向上游偏移11.4cm，向揚中側(cè)(即南側(cè))偏移2.4cm，遠遠小于設(shè)計規(guī)定30cm的偏差范圍；沉井底面中心向上游偏移28cm，向揚中側(cè)偏移14cm，同樣小于設(shè)計規(guī)定限值。

(2)垂直度。圖8為沉井下沉過程中在兩個方向上的垂直度變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時沿上下游側(cè)垂直度為1/630，南北側(cè)垂直度為1/444，整體垂直度為1/363，遠小于設(shè)計規(guī)定/150的允許限值。

(3)扭轉(zhuǎn)角。圖9為沉井下沉過程中扭轉(zhuǎn)角變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時扭轉(zhuǎn)角為10.8′，小于設(shè)計規(guī)定1°的允許限值。

(4)下沉量。圖10為沉井下沉過程中下沉量的變化曲線。結(jié)果表明，沉井下沉到位時底面中心的標高為-70.1m，低于設(shè)計標高-70m，滿足設(shè)計規(guī)定的底面標高不高于設(shè)計標高的要求。

圖6 沉井中心南北側(cè)偏位變化曲線圖(單位：cm)

圖8 沉井兩軸線向高差變化曲線圖(單位：cm)

圖9 沉井扭轉(zhuǎn)角變化曲線圖(單位：分)

圖10 沉井下沉變化曲線圖(單位：m)

4 結(jié)論

GPS RTK技術(shù)在泰州長江大橋中塔沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)控中得到成功應(yīng)用，其測量定位精度滿足工程施工質(zhì)量要求。相對于傳統(tǒng)人工測量方法，它具有測量數(shù)據(jù)同步、測量周期快、數(shù)據(jù)處理及時、反饋信息準確等優(yōu)點，同時該測量方法還不受自然條件(如暴雨、暴雪等)影響。隨著我國橋梁建設(shè)向外海發(fā)展，GPS RTK測量技術(shù)將在基礎(chǔ)施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]謝榮安. GPS RTK技術(shù)在海洋測繪中的應(yīng)用[J].地理空間信息, 2007,5(4):16-18.

[2]賴繼文.GPS測量技術(shù)及其在工程測量中的應(yīng)用[J].地礦測繪,2006,22(3):11-13.

[3]周瑞祥. GPS RTK技術(shù)在東海大橋樁基施工中的應(yīng)用[J].鐵道勘察, 2004(1):59-61.

[4]王紅，馮常勝.橋梁監(jiān)控中的GPS RTK技術(shù)[J].世界橋梁,2003(3):74-76.

2016-08-02

芶 潔(1980-)，女，四川合江人，武漢交通職業(yè)學院交通工程學院副教授，主要從事橋梁工程教學與研究。朱 浩(1980-)，男，江西瑞金人，中交二航局技術(shù)中心高級工程師，主要從橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.03.019

U445.557

A

1672-9846(2016)03-0077-04