“远海GPS打桩定位系统”对沉桩质量的提高与控制-记槟城第二跨海大桥桩基质量控制

“远海GPS打桩定位系统”对沉桩质量的提高与控制-记槟城第二跨海大桥桩基质量控制

杨益冬

杨益冬

中交第三航务工程局有限公司浙江省宁波市315200

摘要：2002年中交集团第三航务工程局自主研发“远海GPS打桩定位系统”，成功解决了远离岸线、大规模的沉桩施工技术难题，在国内两桥（杭州湾大桥和东海大桥）的建设以及洋山深水港、东海风电等几十个大、中型项目的沉桩应用，定位精度完全满足《港口工程质量检验评定标准》（JTJ221）允许偏位值（直桩≤250mm，斜桩≤300mm，高程控制在0～100mm），面对海外工程的英标规范（桩基偏位≤75mm，高程控制在0～50mm）及严格苛刻的桩身质量检测，合理运用“远海GPS打桩定位系统”挑战高要求，为高标准的沉桩质量控制积累完整的实践操作经验。

关键词：远海GPS定位系统；测距仪；龙口；锚位；偏位

引言：全球卫星定位系统（GPS）的动态实时相位差分技术（RTK）使远至10～20km的测量定位精度达到厘米级，数据链的接收采集和实时处理都相当的高，在此基础上，辅助其他测量方法和计算机技术孕育出“远海GPS打桩定位系统”。该“系统”以1+3台双频GPS接收机利用GPS技术对打桩船进行标准定位，再配以打桩系统软件、两台红外测距仪、测倾仪、摄像头和锤击计数器等设备对桩位进行精确定位和记录，实时控制船体位置、方向和姿态，完全实现厘米级的定位精度。由于打桩船是浮体，仅靠锚缆来固定，而锚缆在水中呈弧状，受力要变形，因此给沉桩精确定位造成一定的困难。由于这种“传统”船体结构没有跟上如今高质量工程的要求，所以很有必要来探讨和研究运用先进的“远海GPS打桩定位系统”对“传统”打桩船沉桩定位质量的提高和控制。

1．全面分析对沉桩定位造成影响的诸多因素

1.1．打桩船对沉桩定位的影响

首先要了解打桩船的施工工艺，在了解的基础上才能适当避免和减少影响：打桩船发车﹑移船（10-15min）→靠桩驳吊桩（同时前俯桩架）→常规桩长采用4点吊（上扣小钩与右大，右大起，捆左大）（5min）→起吊退船、正桩架（1min）→桩船移位与立桩，后仰桩架（3min）→解小钩、桩进龙口、抱桩器或夹上下背板（背板用于方桩或短桩）、桩顶套帽子（5min）→解左大（2min）→调整桩架仰、俯、垂直度→定位（5min）→下桩，稳桩（3min）→复测、微调桩架仰、俯、垂直度，复测、微调桩的平面位置，解右大（2min）→压锤→开打→控制桩顶标高与贯入度，指挥停锤（锤击总数与频率，决定沉桩时间）→系扣，起锤起帽子（1min）→退船，调正桩架→靠桩驳→进行下一根桩的沉桩作业（2min）

1.1.1从桩船桩架来分析

桩架由主架、副架、导轨（龙口）、变幅机构、滑轮平台（天令）等组成，主要参数包括：桩架高度、变幅角度、起重能力、龙口形式和尺寸等。

1.1.1.1吊钩与龙口

由于没有中心钩，桩在进入龙口的时候，在重力作用下，不可能完全处于龙口中轴线的理论位置。吊桩进龙口的过程，是一个确定和保证桩身与龙口相对位置的过程，对一根桩而言，至少要有两点约束，桩顶定位有替打套帽子来完成，桩身下部有抱桩器来定位，桩帽与抱桩器的中心只是处于平行龙口平面的同一直线，这样就决定了桩在立桩后，存在偏心量。

1.1.1.2桩架变幅

下桩后，桩架顶部的工作平台（天令）一下子卸掉桩与锒头替打的自重力，致使船头有明显的吃水现象产生：船头上浮，架子后仰。由于存在吃水现象，桩架有变量倾斜，产生蹩劲沉桩，以直桩的桩架倾斜量来推算仰俯桩，对控制仰俯桩有一定的规律可循。

在施打仰俯桩时，不仅有船头吃水现象还有侧向力的作用，下桩需要一定的预留量。由于桩架的绞点高度越高，变幅角度越大，则龙口伸距就越远，用比例船模在桩图中模拟沉桩次序还应注意群桩之间的碰撞影响。随着水位的变化，实时调整船位与龙口的距离，确保桩架“三点一线”原则。

1.1.1.3替打、桩锤与桩

在施打过程中桩锤中心点、替打中心点、桩中心点都是匹配在同一直线上，这就是所谓的“三点一线”原则。替打钢丝垫全断面不平整密实，对桩身的偏位受压；桩锤脚与龙口的间隙过大，抱桩器或背板与桩的间隙过大，替打帽与桩的间隙过大，都有引起偏位的因素；替打帽里碎木未清理干净、垫桩木没有放平、垫桩木木质的不均及疏松；锤脚与龙口的变形也对偏位造成一定的影响。这些都会引起受压偏心的形成，锤击作业时上述现象还会增大拉应力和部分应力对混凝土桩身的破坏。

1.1.2.从船体平衡来分析

打桩船具有良好的船体平衡能力，通过压仓水或者甲板上的平衡车（现在平衡车跟不上时代发展的需要已被淘汰）来调节船体水平。在沉桩作业时，桩架一般会发生左右垂直和前后垂直度偏差，分别以平衡水仓、仰俯桩架来调整。水流涌急的时候水体横向冲击船体，加大锚缆的张力，致使船体向水流涌来的方向倾斜，影响偏差和桩身质量。潮汐的周而复始使每天都有这样的情况出现，为保证桩身垂直度和桩身质量及时调整船体平衡很是关键。

1.1.3从锚与缆来分析

1.1.3.1锚

打桩船沉桩施工都是采用多锚定位和移位的，抛锚方式、抛锚数量、锚缆长度、抛锚方位、角度都是根据施工当地的水文地质、设计桩扭角、桩长、桩型及沉桩要求精度、工程密集复杂而定，一般根据沉桩区域抛6-8个锚，抛锚角度很是讲究，比如左、右串心锚与船艏艉的夹角越小，系缆力越大，减轻船体偏荡；抛前、后八字锚，夹角适宜在80°～120°等；倒锚的角度可以增加船体的扭向角；各个锚的互补互用，可以实现全方位的旋转等。只有当锚系缆力≥船体水平向所受的外力，船舶才不会出现走锚现象。

1.1.3.2缆

定位时八条缆不可能完全处于对称位置，还有各条缆受力不同，很难完成正位下桩。由于钢丝缆具有弹性变形的特性，所以在定位与沉桩过程中，实时松紧缆绳来调节水流的变化，“微调”船与龙口的位置，保证桩身质量。由于水位的变化及水流力、波浪力的作用，实时松紧缆绳，保持龙口与桩的间距及防止个别锚缆受力过大。

1.2水文地质对沉桩定位的影响

掌握气温、降雨、风况及与波浪的关联，了解沉桩区域内的地质、地貌、水深及岸坡，查看勘探资料的土层及标贯计数，在这些前提下可以根据桩船稳定性及桩长初步确定沉桩提前（或落后）量。例如仰俯桩作业，由于桩的自重力，在下桩的过程中，桩身会有侧重力的出现，还有管内涌入水体对桩身的侧力影响，因此需要预控，提前或落后一定的距离。在陡坡上沉桩更要引起注意，不仅要预控提前（或落后）量，还有打入桩的挤土和振动效应，会使土体孔隙水压增加，抗剪强度降低，引起已沉桩的变形或土体滑坡倒塌。适当控制速率及对已沉桩的位移沉降观测是很有必要的。在软土层土质沉桩作业中，会增加应力对桩身完整性的破坏；在有硬、软夹层的土质中，外部应力与内在应力相互作用更会影响桩身完整性，此时应该时常查看地质资料图，针对各种软硬土层的不同标贯，采取不同的档位及跳高，始终以重锤轻击为原则，严格控制贯入度，杜绝软硬夹层对桩身完整性的破坏影响。

1.3.GPS-RTK测量对沉桩定位的影响

1.3.1GPS-RTK测量的关键技术

1.3.1.1GPS-RTK测量对沉桩定位的关键技术是整周模糊度的确定、差分数据的传输、坐标转换参数的求定。RTK系统的质量越高，其初始化能力越强，受环境的限制越小，所需时间越短，精度越高。

1.3.1.2RTK作业距离容易受卫星状态、天气状况、数据链传输状况影响。RTK作业时应尽量使距离缩短并保持两者“通视”。

1.3.1.3坐标转换参数有区域性、时间性、完整性等特点，要根据不同任务、不同时间而采用不同的参数。

1.3.2GPS-RTK测量的缺点

1.3.2.1多路径效应是影响GPS初始化（锁定）不能成功或失锁的主要因素，有效的克服办法是恰当安放天线位置，对参考站选站时避免邻近有大面积的平静水面，及高层建筑，流动站的天线远离会产生遮挡的物体。

1.3.2.2离地约100公里以上的高空大气十分稀薄，受太阳或宇宙线的辐射后，气体分子产生电离，形成电离层。大气电离层能使电磁波折射，反射，散射，吸收，严重影响微波通信，会吸收能量和引起信号畸变。一般说来，气温高，电离层活跃，RTK精度低，信号飘移反复，应避免在高温中测量。

1.3.2.3微波的自身特性导致其易受相关环境干扰，如磁场，同频噪音等应避免在高压线、无线电台、电视信号发射塔、移动通信基站、大型金属建筑物，强能量噪声源等附近，同时也要保证施测点位周围垂直角15度以上天空无障碍物。

1.3.2.4根据GPS空间卫星群的均匀分布，任何时间和任何地点地平线以上可以至少接收到4颗GPS卫星发送出的信号，但如想得到稳定的测量精度，接收的卫星信号应达到5颗。因此，一般情况下，高山峡谷深处、密集森林区及城市高楼密布区等地区接受到的卫星信号较少，不适宜采用GPS技术测量。

1.3.2.5PDOP值大也会影响锁定时间及测量精度。

1.3.2.5参考站坐标一定要精确，理论传播距离D（单位：千米）=4.24×（√基准站天线高+√流动站天线高），架设基准站要满足能够“电磁波通视”。

1.4桩变形带来的影响

1.4.1桩自身的变形特性

在水平力和力矩作用下，长桩有弹性桩身变形和弯矩作用的特性；热胀冷缩也会有一定量的变形；在沉桩结束起帽后，由于蹩劲及水体冲击力作用还会使桩产生回弹及晃动。这些都会带来一定值且无法避免的偏位。

1.4.2桩受外界影响的变形

在吊装中，外力吊点及桩自重会产生内力弯矩的形成；在叠层运输中，由于桩垫木材质的不均、规格不一、搁垫点受力不均，会使桩身受到挤压变形；桩在现场吊立过程也会存在弯矩变形；施打作业中的蹩劲沉桩，强迫桩身变形促使出现蹩裂、蹩断现象，在施打结束起帽后，蹩劲现象明显回弹；风浪、水流、土质对已沉桩造成的综合影响及管桩内水体对桩的侧重力等也会造成桩身变形及弯矩的产生。

2．“系统”在本工程中的实际应用

2.1工程概述

拟建槟城第二跨海大桥桥位位于槟威大桥（一桥）以南约15Km处，拟建二桥总长23km，其中位于海上部分16.4Km。具体见下大桥位置示意图01：

大桥位置示意图

2.2.沉桩施工前的准备工作

2.2.1复测首级控制网及布设加密控制网；通过静态控制网求出转换参数；计算所有桩位数据和报验数据，并且做成“系统”需要的桩参数文本。

3.2.2在控制点上先设置好“系统”参考站。打桩船操纵室的电脑上打开“远海GPS定位系统”，输入转换好的工程参数、桩参数文本，设置限差值；查看船形参数各数据正确情况；检查测距仪、测倾仪、摄像监控设备、锤击计数器、GPS天线与数据线连接与端口都是否完好。开启GPS接收机，使GPS初始化，确定整周模糊度，为以后工作提高接收时间。选择墩台桩位，打桩船进行初步定位。

2.2.3用LeicaGPS流动背包抛锚，确立优化锚位。经过计算，最合理的常规锚位见图。由于大桥轴线以南160m为主航道，我方后锚只能抛至160m，桥轴北面有大部分是浅水区，吃水为1.7m的锚艇只能送锚至130m，抛锚条件非常苛刻。该锚位可以施打2个排架（排架间距55m）4个墩台44根桩位。墩台有45°扭角桩4根，所有锚位都用CAD绘图计算坐标，然后换算成经纬度由锚艇送至，首创了用GPS定位代替传统目测抛锚的历史，给沉桩精确定位提供了有力保障。

2.2.4调节船体平衡。船上有电脑液压仓位软件控制压仓，或用船上水平度盘督促其压至水平状态。在“系统”中也可以看出船体的平衡，横倾代表左右，纵倾代表前后，来判别船体水平，或者也可以以测倾仪纵、横倾值来确定船体水平状态。

2.2.6锒头替打画刻度线：替打背部用白漆全部涂白，用打印出来的厘米格网刻度纸贴至，表面用清漆刷平，以cm级来控制标高。见右实际效果图。在液压锤背部钢框上也相应地画上刻画，在高潮位的时候也可以看到cm级的刻画精度。

2.2.7桩身画刻度线：关键要了解吊桩主钩与卸扣的位置。一般主钩为右钩，卸扣在桩身上部，便于系扣方便。起吊进龙口为顺时针90°，所以以站在桩上，面对桩头，人的左侧画刻度即可，这样进龙口的桩，内部就看到刻画。

2.2.8查阅、分析沉桩区域的勘探地质，明确标贯情况，针对土质区别确定木垫的加工质量与厚度及在施打过程中能更好地控制跳高能量，保证桩质量。

2.3沉桩作业

2.3.1沉桩第一根PHC桩时，GPS两次初始化定位，防止假锁定的发生。下桩过程中实时关注红点到桩边理论距离，以理论距离来微调龙口与桩的位置，通过实时仰俯桩架或调解锚缆来控制桩位及桩身质量，确保不产生偏心锤击。

2.3.2PDA高应变测定设计锤击能量。由于是25t的液压锤，以铁板代替替打钢丝垫（钢丝垫不平整密实带来应力的增加），始终遵循重锤轻击的原则，控制实时跳高及频率，始终以一桩一木垫及“逐层加垫”的措施来确保桩身质量。出现硬土层厚或标贯计数大的地质，会增加锤击数，为保护桩身质量，可以加厚木垫及加层纸垫的措施或中途重新安置新的木垫增加缓冲来保护桩头。

2.3.3杜绝在施打过程中出现水锤现象。增加桩长或候潮水二次作业，在本工程运用中，成功地克服水锤效应，即保证了沉桩质量又加快作业进度。

2.3.4GPS信号的判断

船上三台GPS有三组固联间距差，间距差值越小则定位精度越好。有时某台GPS信号误差大，则该组合的间距差数值就大，或者设备数据/状态窗口的横倾差或纵倾差出现红灯，就是这种情况。此时可以观测间距差，选取间距差好的组合，去掉另外一台GPS，则横倾或纵倾呈现绿灯，偏位显示也趋于正确值，这样更好地辨别信号精度差的影响，有固联间距作指标，有测倾仪作保障，双重保险给沉桩精度提供了肯定，这样以二台GPS也可以对桩位进行精密定位。在定位中，GPS可能会出现短暂的飘移现象，要正确区分，强调多等待多观察，辨别、选用间距差值，则良好和稳定，才能下桩。

2.3.5沉桩定位过程

2.3.5.1定位：选定桩位，比对桩位数据。在“GPS定位系统图”中，定位模式为精密；GPS状态为LRK、各间距差在+0.01以内；偏差、测距差、横倾差、纵倾差及间距差都要显示绿灯；注意测倾仪数值的对称及距离。在“桩位图”中，桩船中轴线与桩扭向线一定要重合；根据综合因素留有一定提前、落后及偏心量；桩架变幅角度适当比设计倾斜度大0.5°～1°，因会产生船体吃水现象。

2.3.5.2下桩：下桩过程中因为有侧向力及自重力的存在，下桩的时候需要适当调节锚缆：比如仰桩，拉紧串心锚，调松后锚；俯桩则拉紧后锚，调松串心锚；水流涌急的时候，还必须适当调节涨落水锚；关注锚车与钢缆，防止跑车松缆带来船体的偏荡及偏位的加大；实时观测桩位图中桩位吻合偏位情况，如有大的变化停止下桩。

2.3.5.3稳桩：下桩的时候必须要缓慢。根据桩位吻合状况实时关注与调节锚缆的松紧。如偏位过大，不能调整到位则需起桩重新定位。

2.3.5.4压锤：压锤前，查看龙口偏心情况，尽量微调船与龙口的位置，再压锤。有时出现走锚及跑车，可以在压锤时的测距仪数据值及桩位图中察觉，出现红点距离过大或过小及桩位不吻合情况，或看锚车与锚缆的状况判定，刹车及起锤进行纠正，同时架子工在架子旁也会发现船体移动情况汇报至操纵室。

2.3.5.5施打：施打时一定要控制好锤芯跳高，重锤轻击永远是法则规范，以小跳高（或油门空挡）进行初施打，根据贯入度调节跳高。观测、分析测距仪红点值，通过仰俯桩架或松紧锚缆“微调”船位来控制桩在龙口的理论位置，以保证桩位来实时进行调节：“桩架前倾，龙口增大，桩位提前”，反之减小；或松紧锚缆实时控制红点距离“船体后移，龙口增大，桩位落后”，反之减小。这样不仅消减甚至避免了偏心锤击，而且还保证了偏位，还桩一个自由身，具体例桩为：仰桩6：1测距仪为9.100（L），9.055（R），桩位图显示前移-0.021m，右移+0.044m，表明该桩位提前0.021m，偏左0.044m，针对仰桩6：1的理论数据9.167m，该桩应“微调”相关锚缆使船后退及偏右，使测距仪到达9.167m位置并且使L、R数据对称；如果桩位图显示前移+0.061m，表明桩落后0.061m此时应前倾桩架来代替松紧锚缆，使桩相对提前。这两者关系微妙及互换，在实际使用中还要与桩架前的架子工实时保持联系，明确龙口情况进行具体实施。以往常规沉桩作业，调节锚缆纠正偏心或桩位是以目测为主的，比较粗劣，容易造成PHC桩缺陷甚至出现断桩，但“微调”是以龙口理论值来实施的，确保居中状态，况且操作时以桩位图为界面，直观、显明一般不会出现大失误造成断桩现象，但频繁的强制纠位会促使桩身出现缺陷：桩顶的劈裂、桩身的裂缝及管节完整性不足。因此“微调”很有技术讲究，它控制着整个沉桩质量。

2.4沉桩结束

2.4.1沉桩结束起帽时，观测回弹变化；用GPS-RTK技术测量桩偏位及标高；总结偏位变化和实时定位规律，改进预控值。

2.4.2船上以二台GPS的实时高来推算红点实时高，随着水位的实时变化来实时控制。所以电脑生成的沉桩记录不可能实现整数段，这就是与常规记录不同的地方。由于RTK高程比平面精度误差大，有1-2cm，加上实时的水位变化及GPS数据变化，10cm的下沉量或30击锤数在自动生成的记录上很难真实反映标贯，此时就需要修改：以视频画面分别来记录锤击数和倾斜改正后的下沉量，这样最真实值的贯入度就诞生了。在沉桩结束生成的记录中适当修改最后几阵标贯，以完善“系统”无法更正的误差缺点。

2.4.3对已沉的桩进行互相支撑的加固措施，防止风、浪带来的影响；在沉桩区域采取安全措施保护，如挂上警示牌及警示灯，防止被船只碰撞。

3．总结与提高

与沉桩关联的综合因素多而复杂。在沉桩施工中，首先要确保质量，尤其确保预应力管桩的破损率：PHC桩管节的完整性、桩头劈裂、桩身裂缝。在确保质量的前提下再保证桩偏位，下桩后的微调很是关键，怎样微调地早、怎样微调地好对桩位质量控制能起到很大的作用。其次是测量桩偏位，与沉桩截图相对照，找出一定的偏向规律及高程差别加以改进或遵循。

马来西亚槟城二桥沉桩配置25t的液压锒头，面对密实厚度大及有多个夹层的土质，锤击数在1400～5500之间，以1500～3500居多，一共沉桩2703根，试桩7根，PHC桩2327根，钢管桩369根。正位率达到98%以上，桩头打裂、打爆一共23根，全部通过PDA检测。高应变检测共358根次，占15.5%的比例。桩身完整性≤80%有7根，破损率控制在0.3%，当然除了缓冲木垫、纸垫的适宜，最主要还是很好的运用了重锤轻击及严格控制偏心，真正使测距仪起到了关键核心的作用，不仅保障了桩身质量而且还保证了偏位。在沉桩质量控制中，我们还在不断摸索和提高，怎样更好地控制和提高桩基质量，尤其是一直没有完全攻破的PHC桩完整性还值得研究和探讨，在此工程中可以完整积累有关PHC桩破损率的实践操作经验。

参考文献：

[1]《桩基施工手册》中交第三航务工程局有限公司徐维钧主编，人民交通出版社2007年12月出版。

[2]《港口工程施工手册》交通部第一航务工程局施国道主编，人民交通出版社1994年9月出版。

[3]《GPS测量原理及应用》徐绍鉉等，武汉测绘科技大学出版社1998年出版。

[4]GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》。

[5]《船舶手册》交通部第三航务工程局李万昌等