GPS在打桩系统中的应用

黄建锋

摘 要：随着沿海地区的扩大开放与纵深发展的需要和国家对环海经济圈的战略布局的推动，沿海区域水上工程项目日益增加，传统的定位测量手段已是无法满足打桩工程施工的精度要求与进度要求，而今利用GPS高精度定位的优势结合现代软件技术实现图形与数字化三维定位测量的效果，能够达到智能化导航定位和精确控制打桩的目的，以实现如今快节奏的水上工程建设。

关键词：GPS；高精度；打桩

中图分类号： U445 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）16-83-21 概述

传统的定位测量手段已无法满足当前快节奏的海上基建工程所需的精度要求和进度要求，而现今高精度的GPS定位技术配合现代软件技术能轻松实现图形与数字化三维定位测量的效果，达到智能化导航定位和精确控制打桩的效果，实现水上基建工程快速、精确的实施；所以如今乃至未来在水上基建打桩系统中GPS高精度测量设备必然能占据一席之地。

2 GPS高精度测量是未来打桩系统的新趋势

2.1 传统打桩测量与GPS高精度测量的对比

传统的桩位测量与控制打桩都是采用全站仪或经纬仪观测定位、人员现场监控等模式来实现的。这种模式有一些缺点，首先，常规仪器的定位容易受到距离、天气、棱镜控制等诸多因素的影响，精度得不到保障，现场通讯受限制，工作效率不高；其次，对桩位的控制多数采用人员现场监控，对桩位观测、船位移动、桩架调整、桩杆贯入等控制过程无法协调统一，稍有偏差就容易出现废桩，造成施工方的巨大损失；另外，传统的打桩模式不能精确控制船身与桩架的姿态和角度，无论是船位偏移还是桩架角度不准，都会产生无法预料的质量事故，令施工成本急剧上升，严重影响施工进度与经济效益。

与传统的打桩模式相比，RTK GPS打桩系统具有全天候、高精度、兼容广、易管理等优势，系统多由1+3RTK、测距仪、倾斜仪、摄像头、声音计数器等硬件组成，再通过打桩软件统一连接并由电脑和软件系统操控和实时处理、显示，可大大减少现场测量的观测人员的数量，减轻现场作业人员的劳动强度。该系统可为打桩船用户的实时定位作业提供切实可行的解决方案，以实现海上打桩智能化监控、可视化作业、高精度施工。

2.2 GPS打桩系统的组成

系统主要由船体姿态控制系统和贯入度控制系统组成。

2.2.1 船体姿态控制系统

由1+3实时动态RTK组成，主要任务是对桩位放样，并判断船体活动平台左右两边是否达到水平，然后再根据倾斜仪或者是基准站要求是全天候作业，对电源供电要求较高，基站的架设应选择在能确保24小时供电的地方。主机、电台等要放在室内，因为需要长时间连续作业，方便遮挡风雨，发射天线放在室外，尽可能架设高一点，不要有遮挡。基准站通常要24小时连续工作，所以，仪器的安全和供电的保证是选择设站地点的基本要求，这样才有可能配合打桩船24小时作业，同时也是确保系统高精度定位的基本保证。

两台GPS分别安装在船体活动平台的两边，通过两台RTK找到打桩区域，并且判断船的活动平台是左右两边是否处于水平状态（横倾为0），另外一台GPS装在桩架正上方，通过倾斜仪或者是RTK自带的陀螺仪测试桩位是否处于铅垂状态。

桩架倾斜仪主要是测定桩架自身相对重力垂线的夹角，如果是仰桩，则桩架向船体倾斜，倾斜角为正值，反之俯桩为向外倾斜，则是负值。这个角度和船身俯仰是没有相关性的，所以倾斜仪必须安装在桩架的水平位置，以便得到真实的倾斜角度。

倾斜仪实时得到桩架的倾角，测距仪得到桩心到桩架转轴的距离，根据三台GPS和主点的相对关系，计算出主点的位置，然后算出偏移量，可推算到达标高时桩身的位置偏移，再根据船身方位算出各方向的移动量，供移船位时指导。

2.2.2 贯入度控制系统

打桩时的贯入度是控制打桩的一个重要的参考量，一般来说，打桩到位主要有两方面要控制好，一个是桩顶标高，这是设计图上计划好的，当桩顶（无论是直桩还是斜桩）标高到位后，必须停锤；另外一个就是贯入度的控制，这直接关系到打桩的成败。

贯入度控制需要一套监控系统（1至2个摄像枪，有线或者无线传输，显示器或者视频卡）、高程控制标尺、桩头延长标尺。通常，摄像枪安装在工作平台上，最好是左右各安装一个，高程控制标尺安装在背板上，零刻度对应到主工作点在背板上的垂点；桩头延长标尺安装在替打器上，零刻度对应到替打器内部的桩顶位置，当桩身标尺不可见时用来辅助读数。要特别注意的是，桩顶设计标高是指桩顶（水泥桩不包含钢圈头）空间圆形截面的最低点的设计高。

贯入度资料通常为表格形式，每一根桩一张表，每100锤记录一次桩顶标高为一阵，每张表包含许多阵；锤数统计可以采用计时器（近似统计）方式，也可以采用声控计数器方式。方法是将检测锤击信号的声音计数器安装于桩架后方，现场击锤的声频脉冲经触发计数器转为数字信号传输给电脑串口，由打桩控制软件来进行实时读取和显示。

高程标尺需要通过手工将读数输入，如果情况允许，也可以在桩顶加桩顶测距仪，但是成本势必增加很多，而且很多桩架的构造就没有留出位置安装桩顶测距仪，所以此方案为最佳方案。

2.3 GPS打桩系统作业步骤（实例介绍）

2.3.1 准备工作

打桩项目的现场配备通常包含打桩船、拖船、驳船、交通船、锚艇等船只。

打桩船为主要的工作船，负责打桩任务，拖船是负责拖航和协助打桩船现场移船与打桩就位。

驳船主要承担现场运桩，将各种水泥桩和钢管桩分批由预制场运抵施工区域。

2.3.2 吊桩

打桩船每次打桩，先移动船身靠住驳船，放下两根钢缆缚住一根桩的两端，然后起吊；一般可以通过两点，三点，四点的吊法，具体根据桩的特性决定，然后通过缩放两根钢缆将桩身由水平调整到垂直，一般这个过程是在打桩船离开桩驳前往打桩区域的过程当中同步工作的；桩身垂直后通过高空工作人员牵引，用钢缆拉动和调整，将桩身靠在背板上，利用替打器套住桩头，抱桩器抱住桩尾，移动船身到大致的下桩位置，等待测量定位和下放桩杆。

2.3.3 确定桩位

根据设计桩位图纸和打桩系统导航文件，进行桩位确定和船体就位，一般图纸上会有起始边的两个基点的工程坐标，然后设计图上会表明行和列之间的间距，和一些特殊行列的相对关系，具有扭角的桩会在桩位上标记。

桩设计参数：设计标高（桩顶空间圆形截面的最低点的设计高，水泥桩不包含钢圈头），桩心平面坐标，桩尖扭角（可转换为方位角，直桩扭角为0），斜率（可转换为天顶角，直桩的斜率无穷大，对应的天顶角为0）。

一般来说还有一个表格，详细说明了每排桩的情况，桩长，材质，扭角，标高等情况，在输入软件的时候需要进行设置。

软件中还可以采用CAD的图文件方式来导入桩位的坐标，但是桩杆的长度、材质、扭角和标高还是需要后期到软件当中进行修改。

2.3.4 下桩

由于水流和水下地质结构比较复杂，在桩杆插入水底的过程中容易发生偏移，打桩过程中应结合实际情况适当调校。下桩通常分四个阶段：

沉桩——通过测量定位使桩身抵达设计位置后，利用桩身自重插至水底，在插入水底之后应再次测量复核桩心位置或调整船位，直到位置准确为止。

打桩——利用柴油机的原理，第一次将桩锤吊起，然后利用自重锤子下降，压缩柴油空气混合气体，使之增压自燃起爆，然后气压将桩锤推起来，然后下一次下降重复这个过程，这样不断地撞击，使桩一步一步下降。

贯入度和标高双控——此时桩身已大部分入土，基本不能再控制偏位。陆地全站仪记录贯入度资料并控制桩顶标高。

检查——通过对比分析桩位是否达到要求。

2.3.5 输出成果

打桩完成后，打桩软件会根据所要求格式输出打桩成果表格。

3 结束语

高精度GPS在打桩系统中的成功应用必然会带来水上基建工程建设项目的一次巨大变革。该系统能真正符合现阶段社会发展的更快、更准需求，同时大大减轻了人工工作强度、提高了工作效率，避免了人为所产生的不必要失误导致的损失。

参 考 文 献

[1] 黄治荣.浅谈GPS-RTK在数字地籍测量中的应用[J].科学之友（B版），2009（10）.

[2] 吕战锋.GPS-RTK误差分析及其在国土资源管理中的应用[J].科技资讯，2010（21）.