远距离前方交会法打桩误差分析与对策

谷告柏

摘要：随着经济快速发展，沿海大吨位深水码头建设的增多，远离岸线打桩施工越来越常见，本文以湛江港新建油码头工程为例，对远距离（500～1200m）前方交会法打桩进行了误差分析，并针对各项误差特点，提出了减小误差的应对措施。

一、引言

高桩码头的打桩定位目前仍较多采用传统的前方交会法。当岸线条件较好，便于架设测量仪器，前方交会角在60°～120°之间，且打桩距离岸线较近时，采用此方法进行打桩定位精度较高，能满足施工规范要求。但随着经济快速发展，沿海大吨位深水码头建设的增多，远离岸线打桩施工越来越常见，在这种情况下，前方交会法打桩定位精度受距离影响较大。本文以湛江港新建油码头工程为例，对远距离（500～1200m）前方交会法打桩进行了误差分析，并提出了削弱打桩误差的对策，以满足打桩施工精度要求。

二、前方交会法打桩简介与工程概况

1、前方交会法打桩简介

前方交会法是指在2个以上的已知测站上架设测量仪器，观测目标点与已知点间的水平角或方位角，利用已知测站坐标即可确定目标点坐标的测量方法，测设元素为水平角，如图1：前方交会法示意图。由于交会方向一般不会交于一点，而出现示误三角形（多变形），在精度满足要求的条件下，取示误三角形（多边形）重心作为测设点位。同时利用误差传播定律分析可知，当前方交会角等于109°28′时，前方交会法测设点位精度最高。前方交会法打桩定位是利用前方交会法原理，在2个以上已知测量点的上架设仪器，并同时观测目标点（桩身某点）方位角，实时反映桩位情况，并指挥桩船就位打桩。

2、工程概况

湛江港新建油码头为高桩码头，桩基础有600*600m预应力混凝土方桩、￠1000mmPHC桩、￠1300mm、￠1400mm钢管桩等。三面环水，一面临岸线打桩施工距离岸线在500～1200m之间，如图2所示。码头附近水深较深，约16m～20m，搭设测量平台造价高，且平台易受风、水流浪影响稳定性差，不利于施工测量。

三、远距离前方交会法打桩误差分析与减小误差对策

1、误差来源

由前方交会法打桩定位过程分析可知，其误差主要来源于以下方面：控制点误差、测站对中误差、仪器误差、大气折射误差、照准误差、高程控制误差、桩位扭角误差、桩身倾角误差及其他误差。

2、控制点误差

高桩码头打桩施工一般需经历数月，现场布置的打桩测量控制点可能出现一定的位移现象，亦或打桩测量控制点测量过程中已经存在的点位误差，这些控制点位误差必然给打桩定位带来误差，其影响关系如图2所示。

控制点A若位移至A点（或控制点测量引起的点位误差），假设其位移值为△XA，△YA，位移量为SA。则由图示几何关系可计算推导出桩位位移值：

由上式可以看出，控制点误差导致打桩定位误差与测站A、B与桩身点P点形成的夹角α、β以及位移值△XA，△YA相关，对α、β分别求偏导并经数据分析后可得出：

（1）当前方交会角γ为90°且β等于45°时，控制点误差引起的打桩定位误差最小，其值为√2/2S。

（2）当前方交会角γ等于60°或120°时，控制点位误差引起的沉桩定位误差值相等。若γ在60°~120°之间时，将有利于减弱控制点误差的传播；若γ在0°~60°或120°~180°之间时，控制点误差可能被放大传播，不利于打桩定位精度的控制。

（3）打桩过程中应定期复测打桩测量控制点。

（4）打桩定位控制点应定时进行复测校核。

3、测站对中误差

打桩测量过程中在已知点摆设仪器不可避免出现测站对中误差，该误差对打桩定位的影响与控制点误差对打桩定位的影响方式基本相同，参考控制点误差打桩误差分析。根据施工测量实际情况与经验数据，该误差一般在±2mm以内，其值较小，对打桩定位的影响与控制点误带来的打桩定位的影响较小，一般不被认为是影响打桩定位精度的主要因素。

4、仪器测角误差

测量仪器的误差直接影响观测值的精度，打桩过程中常用的经纬仪、全站仪仪器误差主要来源于：（1）视准轴误差（2）横轴误差（3）竖轴误差（4）照准部偏心差（5）竖盘指标差（6）度盘分划误差。经相关部门鉴定过的测量仪器，其仪器误差应在仪器等级误差范围内，常用的J2经纬仪、全站仪一般方向观测中误差为±2√2″，角度测回中误差为2″。其对打桩定位如图4所示。由此可推算其对打桩定位的影响。关系式为：m仪＝±l×sinε1 ，由此可以看出：测站与桩身距离越远仪器误差对打桩定位的影响越大，对打桩定位影响越明显。当测站与桩身距离为1000m，使用J2经纬仪时，仪器误差对打桩定位的影响为±10mm。沉桩应使用经签定合格的测量仪器，沉桩过程中正确使用仪器，注意观察仪器使用有无异常。

5、外界环境影响造成的误差

观测角度是在一定的外界条件下进行的，外界条件的变化对观测质量有直接的影响。如地面松软和大风影响仪器的稳定；日晒和温度影响水准管气泡的居中；大气层受地面热辐射的影响会引起目标影像的跳动等，这些都会给观测角度带来误差。这些误差有一定的偶然因素。

6、照准误差

远距离打桩定位过程中易受水面雾气、光线、桩身颜色质等因素的干扰引起桩身目标照准误差，该误差对打桩定位的精度影响与仪器测角误差基本相同，但根据测量经验数据表明该值一般大于仪器测角误差。其影响打桩误差关系式为：m照＝l×sinε2 。由此式可以看出桩身目标照准方位角观测偏差将被测站与桩身之间的距离放大传播，对沉桩影响较大，值得注意引起重视。当测站与桩身距离为1000m，照准目标方位角偏差为10″时，对打桩定位影响为：48mm。因此，采用前方交会法远距离实际打桩过程中，当桩身目标观测不清晰的情况下应采取切实可行的措施使照准方位角误差减小。在施工过程中常用的办法有：（1）搬迁测站改善观测环境。（2）增加多余观测值（如增加桩身交会观测经纬仪）。（3）在桩身目标处设置醒目标志，以便于照准测量观测。（4）打桩船上作业人员与测站观测人员通过对讲机实时对照准目标特征进行核对，引导岸上测量人员对桩身目标的照准，防止出现目标瞄准错误。

7、高程控制误差

远距离打桩施工中，高程的控制用传统的水准仪观测因受仪器可观测视线距离、水面大气折射等影响几乎不能满足施工的需要。而采用潮位控制桩位高程受水域风浪影响大，观测的精度差。在湛江港油码头打桩过程中，采用全站仪三角高程测量控制桩位高程。其测量转换关系式为：HP=hA+Dtanα+i－v1（式中D在桩身大致就位后可用桩身与测站的设计距离代替）如图4所示。由此式可知，其误差主要来源于竖角观测误差。根据实际操作情况，采用南方全站仪，竖角观测误差ε3一般在10″范围内，可推算高程控制误差关系式为：mH＝D×tanε3，当D等于1000m，竖角观测误差ε3等于6″时，高程控制误差为29mm。由此同时将导致桩身平面定位的误差，其值为29×n mm，n为桩身斜率。当桩身斜率为1:4时，该值为7mm。

8、桩位扭角误差

前方交会法对于斜桩平面扭角的定位是利用打桩过程中船体纵轴线方位角与桩身平面扭角方位角近乎一致的船舶施工性能，桩身平面扭角的控制即为船尾扭角的控制。船尾扭角的控制同样利用前方交会法进行测量定位。如图5所示。船尾扭角误差引起的桩身平面定位误差为： m扭＝L*n×sinε4（L为桩身点至桩身控制标高处的桩身长度，n为桩身斜率）。由此可见斜桩打桩过程中桩身平面误差与船尾扭角误差成正比的关系。当桩位扭角误差为0.5°，桩身斜率为1:4时，距离控制标高50m处桩身平面误差达109mm。综合考虑桩身斜率，扭角误差直接导致了桩身空间位置误差，由此可直接导致“碰桩”现象的产生，故打桩定位中应重视船尾扭角的控制。船尾扭角应控制在0.1°～0.2°之间，才有利于桩身空间位置的控制。

9、桩身倾角误差

桩身倾角测定一般利用安装在桩架上的测倾仪，测定桩身倾角。其误差值与测倾仪的测量精度及桩架结构的整体性有关。如图7所示。桩身倾角误差引起的桩身平面误差为： m倾＝L*Δn（L为桩身点至桩身控制标高处的桩身长度，△n为桩身倾角误差）。如当倾角误差为0.5°，桩身斜率为1:4时，距离控制标高50m处50m平面误差达437mm。

四、结语

通过上述对远距离前方交会法打桩定位误差的分析，为提高打桩正位率，施工过程中应注意以下事项：

（1）远距离前方交会法随距离增加而测量误差被放大传播而影响打桩定位精度的影响因素主要有：测角误差、照准误差。

（2）为减少测角误差、照准误差，常采取以下措施可减少测量误差：

①在桩身目标处设置醒目标志，以便于照准测量观测；

②搬迁测站改善观测环境，桩身目标清晰可见；

③增加多余观测值（如增加桩身交会观测经纬仪）；

④打桩船上作业人员与测站观测人员通过对讲机实时对照准目标特征进行核对，引导岸上测量人员对桩身目标的照准，防止出现目标瞄准错误；

⑤沉桩应使用经签定合格的测量仪器，沉桩过程中正确使用仪器，注意观察仪器使用有无异常。

（3）在施打斜桩过程中，应严格控制桩位扭角，桩身倾角。其误差的增加常常导致了“碰桩”现象的产生。远距离前方交会法沉桩建议扭角误差控制在0.1°～0.2°之间，桩身倾角控制在0.7°以下。

（4）远距离前方交会法沉桩受气象条件、外界环境影响因素较大。最主要的不利因素有：大雾天气、温差变化大、大风天气、大气层受地面热辐射引起目标影像的跳动、大气折射等。

参考文献

[1]李清岳.工程测量学，测绘出版社，1984年，第一版

[2]许娅娅.测量学，人民交通出版社，2002年，第二版