定位架、GPS及360°棱镜组合技术在沉箱安装中的应用

梁旭清，陈韶强，马 磊

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

沉箱安装定位精度受影响的因素很多，传统安装方法是采用第一件沉箱“粗定位”，以第一件沉箱为参考及辅助，对第二件沉箱进行“细定位”，并最终二次安装第一件沉箱，以达到规范所需的安装精度［1］。但是泵房及过滤涵作为单独个体并不能采用传统安装方法，而且其自身各约5 000 t的重量也不适合粗定位后再精确定位，必须考虑一次精准安装到位，因此如何达到一次安装精准到位就显得特别重要。

1 工程概况

深圳某项目包含LNG码头工程及火炬平台、疏浚工程、护岸工程、取水口工程、工作船码头工程、排水工程、陆域形成工程、地基处理工程、导助航施工、供电工程、船舶靠泊安全辅助系统工程等［2］，其中取水口工程及工作船码头工程为重力式结构。

过滤涵及泵房基础皆应用于取水口工程，其中过滤涵长27 m，宽20.2 m，预制高差12.4 m，重5 100 t；泵房基础长30.2 m，宽17 m，高差12.4 m，重4 960 t。两者皆为大型异形沉箱［3］，在某预制场预制。此外取水口工程还包含6 个规则沉箱，包括2 个1 370 t 沉箱、4个1 037 t沉箱，在新会预制场预制。

过滤涵及泵房基础采用“南海号”运输至施工现场，在1 000 t起重船助浮下配合安装。

2 安装顺序及重难点

取水口构件安装顺序为：泵房➝前池底板➝过滤涵➝1 370 t 沉箱➝1 037 t 沉箱，其中泵房及过滤涵安装又是整个工程水下构件安装难度最大的难点所在，如图1所示。

图1 取水口工程预制构件安装平面顺序Fig.1 Installation Plan of Prefabricated Components of Water Intake Project

图1中最右边为泵房，中间为过滤涵，两者中间为前池底板，两侧为1 370 t 沉箱，过滤涵外侧为4 个1 037 t 沉箱。泵房与过滤涵作为独立个体并且单体重量达到5 000 t，独立安放时周边无参照物，且一次安放完成后，为防止后续涨潮致使构件漂浮，需注水确保构件能够达到稳定状态［4］，注水量达2 500 m3，若二次起吊安装，则需先抽空构件中的水，工作量大，耗时长，且二次起吊安装会造成基床损坏，因此不适宜二次安装。而且其安装精度，直接影响后续6 个沉箱的安装。其中过滤涵非规则体，两侧有棱角突出，如果安装精度偏差过大，还会直接导致两侧的沉箱不能安装，对安装精度提出非常严格的要求［5］。

从图2 中可看出，泵房基础的安放精度决定了前池底板的精度，前池底板又影响过滤涵，而泵房基础与过滤涵的安放精度又决定了两侧沉箱能否顺利安装。如果是先安装两侧沉箱，则两侧沉箱的安放精度也决定了过滤涵能否顺利卡入安放。因此，最终重点还是在于单个沉箱的安装精度必须要有保证，不能超过允许偏差［6］。

图2 过滤涵倒角示意图Fig.2 Schematic Diagram of Filter Culvert Chamfer

3 沉箱的传统安装方法

3.1 人员与仪器配备

一般沉箱安装定位，配有测量人员3人，岸上1人，主要使用全站仪对沉箱角点进行最终复核，沉箱上2人，主要配2套GPS对两边角点同时进行观测报数。

3.2 传统定位安装方法

测量人员使用手持GPS［7］，在沉箱角点上观测坐标偏差后，把偏差报给指挥人员，由指挥人员对吊船进行指挥移动沉箱，而实际上在最后坐底过程中，就算在风平浪静的条件下，沉箱也在不断轻微移动，从报数到吊船移动沉箱，沉箱往往已经偏离原来位置，这就使得要一次安装精准到位非常困难。

测量人员通过手持GPS 在沉箱角点观测偏差后再报数给指挥人员，指挥人员再依据数据进行微调整，需要2个测量人员站在沉箱的2个角点上，同时观测并报数［8］。整个调整过程耗时较长，从报数到沉箱移位，存在时间差，沉箱实际会有几十至一百厘米的不停晃动，精度难以控制，如果沉箱多次坐底，还会对基床造成不同程度的损坏。因此传统定位方法才有第一件沉箱粗定位，以第一件沉箱为固定辅助，对第二件沉箱细定位的做法［9］。

4 采用新工艺测量安装定位

4.1 人员与仪器配备

配有测量人员2人，岸上1人，主要使用全站仪对沉箱角点进行最终复核；沉箱上1 人，主要配3 套GPS对三边角点同时进行观测报数。另外还需配2 个360°棱镜及3个定位架。

4.2 安装使用仪器（见表1）

表1 安装使用仪器Tab.1 Instrument List for Installation and Use

4.3 新工艺安装定位流程（见图3）

图3 安装定位流程示意图Fig.3 Installation and Positioning Flow Diagram

4.4 定位方法

经过探讨，我们选择了中海达的定位定向软件，对软件提出要求并进行优化，由原来只能反映位置偏差到后来可以同时反映位置及高程偏差。另外自主设计了定位架，把定位架架设在沉箱角点上，可同时安装GPS 及360°棱镜，把安装在沉箱同侧的2 个角点GPS通过手薄软件连接后，指挥人员可实时通过观测软件上的整体偏位及高程偏差直接指挥起重船吊勾及船舶移动；操作简单明了，节省了传统安装过程中需要测量人员对沉箱偏位的报数过程，通过软件捕捉沉箱快沉底时的移动规律，最终达到沉箱精准坐底。

定位架与GPS、360°棱镜的连接如图4、图5所示。

定位架直接架设在沉箱角点上，通过软件连接2台GPS，测量人员无需站在角点上观测偏差，指挥人员可直接查看软件上沉箱整体偏位指挥吊船安装，无需测量人员报告偏位。

360°棱镜用于沉箱初安装后，岸上通过全站仪复核，而且安装360°棱镜，不需要测量人员再另外架设棱镜杆给岸上人员观测，在确保最终安装精度的过程中，可提高工作效率，保证精度的同时，节省人力。

手薄定位定向软件连接2 台GPS 后，通过软件把沉箱长宽及对应设计坐标输入，既可得出定位定向的位置偏差；软件屏幕左边定位定向对应的是沉箱2个角点与各自设计位置的偏差，屏幕右边定位定向显示对应沉箱2个角点的高程。软件屏幕显示船长船宽对应的是沉箱的长宽。

图4 定位架三维示意图Fig.4 3D Sketch of Positioning Frame

图5 定位架、GPS、360°棱镜现场连接示意图Fig.5 Site Connection Diagram of Positioning Frame，GPS and 360 Degree Prism

考虑到泵房与过滤涵尺寸较大，只有2 点高程并不能全面反映安装过程中的沉箱倾斜度，因此在第3个角点上加装定位架与移动站，观测其高程偏差，通过3点高程控制整个沉箱的安装倾斜度并对沉箱进行调平。而且通过软件高程可反算沉箱底与基床的距离，对沉箱沉底起指导意义，而实时的位置偏差，又能让指挥人员捕捉沉箱左右晃动的规律，通过移动规律保留预留量，最终让沉箱安装精度达到规范要求。

4.5 两种施工工艺优缺点对比

由表2可知，采用定位架与GPS、360°棱镜连接施工工艺，操作简便明了，安装精度高，大中小型沉箱皆可一次定位安装完成，因此本工程采用定位架与GPS、360°棱镜连接施工工艺安装沉箱。

表2 两种施工工艺优缺点对比Tab.2 Comparison of Advantages and Disadvantages of Two Construction Technologies

5 总结

采用定位架、GPS及360°棱镜组合定位施工工艺，可实时通过观测软件上的整体偏位及高程偏差调整构件安装位置，操作简单明了，节省了传统安装过程中需要测量人员对构件偏位的报数过程，通过软件捕捉构件快沉底时移动规律，最终达到构件精准坐底。深圳LNG 项目取水口工程构件安装最大偏差96 mm，最小偏差35 mm，满足设计要求。此外，定位架、GPS 及360°棱镜组合定位施工方法工艺简便、操作简易、实用性强，可为类似工程大型构件安装提供参考，具有很大的推广意义。