港珠澳大桥钢管桩施工定位测量技术应用

易建华，姬翠翠，黄文学，杨银波

（1. 中交二航局 第二工程有限公司，重庆 400042）

港珠澳大桥钢管桩施工定位测量技术应用

易建华1，姬翠翠1，黄文学1，杨银波1

（1. 中交二航局 第二工程有限公司，重庆 400042）

海上钢管桩施工定位及其精度监测是港珠澳大桥埋置式承台足尺模型工艺试验研究关键及施测困难的工序之一。通过自行研制的工具式导向架沉桩系统，对钢管桩振沉过程施以约束来提高钢管桩定位精度，满足钢管桩平面定位±5 cm、垂直度1/400的精度要求。根据工程实践，提出影响定位精度的误差来源并给出减小误差的建议。

港珠澳大桥；埋置式承台；钢管桩；平面定位；垂直度；精调

1 工程概况

本次足尺模型工艺试验墩1个，位于港珠澳大桥中心桩号K22+853 m，向北偏离桥轴线150 m处。本次试验承台基础采用钢管复合桩结构，钢管桩标准段外径2．2 m，壁厚25 mm，桩长61．7 m，桩底高程-70．0 m，嵌入承台长度1．6 m，并在高程-25．9 m以上设置钢筋笼及填芯混凝土，以确保钢管桩与承台混凝土之间锚固及钢管桩刚度要求。钢管桩按摩擦桩设计，桩基中心距6．0 m及5．5 m。桩基平面见图1。

图1 桩基平面示意图

采用专用的高精度沉桩系统，见图2，以确保钢管桩施工精度满足垂直度和相对平面偏位这两项控制精度要求。

2 仪器设备、坐标系统及高程基准

使用的仪器设备包括：Leica NA2水准仪1台，标称精度±0．7 mm/km；天宝R6 GPS接收机3台，动态平面精度±(10 mm+1×10-6×D)，动态高程精度±(20 mm+1×10-6×D)；Leica TCR1201 精密全站仪1台，测角±1"，测距±（1 mm+2×10-6×D)；J2-JDE经纬仪和KDT02经纬仪各1台，测角±2"。另配备垂球3个，垂线若干。

测量定位采用港珠澳大桥统一的测量基准。平面基准采用测控中心建立的桥梁工程坐标系，高程基准采用1985国家高程基准[1]。

钢管桩施工定位测量控制网统一采用测控中心提供的HZMB-CORS系统和首级控制点坐标成果表[2]。

图2 工具式导向沉桩系统示意图

3 钢管桩平面高程定位测量及精调

3.1 钢管桩平面定位及精调

在振沉钢管桩前，需对钢管桩的平面位置进行精调。由于锚桩振沉完成后，已经在导向架一层平台塔帽上加密测量控制点，在其上架设全站仪，对钢管桩周围的四向顶紧装置进行测量，实现对钢管桩平面位置的精调，如图3。

图3 钢管桩精调示意图

3.2 钢管桩标高测量

钢管桩振沉过程中，利用已知控制点的标高，采用三角高程测量方法，对钢管桩振沉标高进行控制。当钢管桩振沉至设计标高上1 m时，换水准仪按四等水准测量要求对钢管桩顶部标高进行实时测量，指导钢管桩精确振沉至设计标高。

3.3 钢管桩垂直度控制与监测

钢管桩沉放过程中，实时对钢管桩的垂直度进行监测，测量方法为在锚桩塔帽上架设经纬仪，利用竖丝法外切钢管桩外壁，整平仪器后，瞄准钢管桩的一个外切面，测量上、下两个断面钢管桩到竖直视线的距离，并测量两个断面的高差，即可计算出钢管桩的垂直度：T=（L2-L1）/H，如图4所示。分别测量钢管桩4个外切面的垂直度，取同方向两个切面的平均值为该钢管桩垂直度。钢管桩垂直度超出设计要求时，及时利用导向架上下龙口的顶紧装置进行调整，直至满足要求为止。同时钢管桩每下沉5 m，利用垂球法对钢管桩的垂直度进行复核[3]。

4 钢管桩成桩测量

4.1 钢管桩平面位置成桩测量

在导向架锚桩塔帽上已加密的测量控制点上架设全站仪，在钢管桩顶外壁上架设棱镜，利用三维坐标法测量其坐标。每根钢管桩上测量3个点，利用三点定圆心的方法，得到钢管桩沉桩后的中心坐标。通过坐标反算得到桩与桩之间的相对偏差，并根据垂直度推算到承台安装设计标高面处桩中心坐标，对承台底位置（-9．9 m）处桩位的平面偏差及相对尺寸进行分析，以指导墩台安装施工。

4.2 钢管桩桩顶高程成桩测量

在导向架锚桩塔帽上已加密的测量控制点上架设全站仪，在钢管桩顶外壁上架设棱镜，利用三角高程测量方法测量出塔帽上控制点与桩顶的高差，得到桩顶的成桩高程，其中每根钢管桩上测量4个点，取4个点的高程平均值作为钢管最终的成桩标高。

4.3 钢管桩垂直度成桩测量

由于钢管桩振沉后，其露出水面的高度较短，测量其沉桩垂直度时，在填芯混凝土浇筑完成后进行。首先根据已测的桩位中心坐标，放样出每根钢管桩的轴线点。然后根据放样出的钢管桩轴线，同时下放两个测锤至钢管桩内。沿两个垂球的方向，上下同时用钢卷尺量取垂线至钢管桩内壁的距离，并量取上下口的高度。根据已量测的数据，计算钢管桩的成桩垂直度。

4.4 钢管桩沉桩成果及精度评定

钢管桩沉桩定位成果见表1，垂直度成果见表2。由表1，钢管桩沉桩定位精度满足设计要求（平面±5 cm，高程0～10 cm，垂直度1/400）。

图4 钢管桩垂直度方向及方法示意图

表1 钢管桩定位成果表

按误差传播定律[4]，在桩顶标高H=6 m处桩整体偏差:

在桩底标高H=-9．9 m处桩整体偏差:

表2 钢管桩垂直度成果表

预制墩台吊装时，贯穿高度为标高+6 m至-9．9 m，共15．9 m，群桩整体偏差小于预制墩台吊装可调节量100 mm，能够满足预制墩台顺利下放。

5 钢管桩施工定位测量小结

钢管桩施工定位精度误差来源较多，各环节的误差均会影响到钢管桩最终的成桩精度，故应注意以下事项：

1）钢管桩自身加工误差：在现场实际测量中发现，钢管桩局部垂直度较差，影响后期钢管桩振沉垂直度。建议在钢管桩出厂时，应建立测量平台基准进行垂直度检查，确保其垂直度满足1/1 000的精度要求。

2）导向架加工误差：导向架制作精度影响钢管桩振沉精度。建议严格控制导向架加工误差，包括平整度及垂直度的检查。当导向架重复使用时，应定期对导向架进行变形监控，若发现变形应及时采取措施。

3）导向架定位误差：导向架定位时应尽量靠近设计位置，当导向架定位存在旋转偏角时，液压调位系统对旋转偏角的调位效果不理想。建议对调位系统进行设计改进，以更好地实现平面扭角的调整。

4）测量误差:钢管桩最终定位由多次测量定位完成，每次测量均包含测量误差及人为误差。建议严格按照测量外业操作规程进行，每次应精确对仪器进行整平对中，尽量减少人为误差的影响，且在测量中随时关注仪器的工作状态。

5）气象窗口的选择：海上风浪较大时对钢管桩初始入水及入泥时的垂直度影响较大且难以调整。建议在钢管桩定位时，应选择海上风浪较小的时候进行，一般要求海上阵风小于等于6级且浪高不高于0．5 m。

6）分析钢管桩成桩垂直度发现，钢管桩Z2方向1的垂直度为1/369，未能满足精度要求，原因为钢管桩喂入导向架后至振沉完成中间间隔时间较长且风浪过大或因为地质原因产生溜桩引起。建议钢管桩喂入导向架后振沉应及时完成，中间不应间隔太长时间，且应做好超前地质预报。

7）在钢管桩垂直度监测中发现，导向架二层平台拆除前后，钢管桩存在一定的回弹，对钢管桩相对平面位置及垂直度造成影响。建议导向架顶紧装置与钢管桩外壁应留有3 mm空隙，使钢管桩振沉下放时处于自由状态，避免顶紧装置对钢管桩受力，从而消除钢管桩回弹的影响。

8）现场实测发现，受施工现场对GPS信号的影响及基线长度严重不均，静态加密控制测量难以实现。建议在主体工程施工时，利用已经建设好的测量平台及优先墩上的测量控制点，利用常规测量方法，平面采用测回法、高程采用三角高程对向观测，将测量控制点转测至锚桩塔帽上，且应经常复测，再根据转点对钢管桩进行精调，既能满足钢管桩的相对定位精度要求也能满足绝对定位精度要求。钢管桩振沉过程中的垂直度控制建议在已经建设好的测量平台和优先墩上多方向架设经纬仪实时监测，且在导向架一层平台与二层平台之间悬挂垂球进行复核。

9）钢管桩振沉完成后的最终定位成果对指导预制墩台下放起着重要作用，故对钢管桩的成桩检测要引起足够重视。建议在钢管桩振沉完成后，利用锚桩塔帽上转测的控制点对钢管桩顶面进行平面及高程的成桩测量，其垂直度应在填芯混凝土浇筑完成且孔内排水完成后（钢管桩不得割孔），利用加工制作的一个与钢管桩内径大小一致的“十字型”工具下放至钢管桩内，再利用悬吊垂球把“十字型”工具的中心点引至顶口，利用全站仪测定“十字型”工具的中心点坐标，多次测量取平均值，其与钢管桩顶部中心点坐标进行比较，得出钢管桩垂直度且能得出钢管桩垂直度的最弱方向。

[1] 熊金海，熊伟，吴迪军．港珠澳大桥GNSS 连续运行参考站系统的建设及应用[J]．工程勘测,2013(2):75-78

[2] 王春林，高飞，李书群．单基站CORS在电力线路测量中的应用[J]．测绘工程,2012,21(6):81-85

[3] 段举举，沈云中． GPS/GLONASS组合静态相位相对定位算法[J]．测绘学报,2012,41(6):825-830

[4] 马耀昌，辛国．GPS测量误差与数据处理的质量控制[J]．地理空间信息,2006,4(2):22-24

[5] GB/T 18314-2009．全球定位系统(GPS)测量规范[S]．

[6] 吴卫平．GPS水深测量系统及其平面定位精度分析[J]．水运工程,2008(10):271-275

[7] GB/T 15314-94．精密工程测量规范[S]．

[8] GB 50026-2007．工程测量规范[S]．

[9] 马建良．GPS技术在地铁控制网测量中的应用[J]．测绘通报,2009(增刊):30-31

P258

B

1672-4623（2014）05-0134-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.049

易建华，注册测绘师，测量工程师，主要从事铁路、公路及桥梁的工程测量工作。

2013-10-08。