港珠澳大桥钢圆筒振沉测量定位系统开发及应用

沈家海，刘明，刘保永

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程人工岛采用主格及副格仓形成围闭岛体，其中主格采用钢圆筒结构，副格采用圆弧钢板结构，主格与副格之间采用止水锁口连接。钢圆筒沿人工岛岸壁前沿线布置，直径22.0 m，高度40.5～50.5 m，采用8台APE600液压振动锤联动振动下沉工艺。

钢圆筒振沉施工中要求监测中心坐标、扭向方位角、筒顶高程以及倾斜度。施工质量标准见表1。

2 定位系统开发

2.1 系统定位思路

定位系统作业示意图见图1，2台RTK GPS实时获得厘米级精度三维数据；1个360°棱镜和1个液位计组成1组，共4组，安装在刚性振动梁正交轴线上，对称分为2对；借助于振动梁与钢圆筒之间的刚性连接特点，通过2台自动跟踪全站仪把已知值传递至棱镜上（平面位置和高程）；计算每对液位计的观测高差，反算钢圆筒正交轴线方向倾斜度；根据棱镜与钢圆筒中心的几何关系、倾斜度等，计算钢圆筒任意标高处的中心坐标和高程；集合上述各种功能实现钢圆筒位置、筒顶高程、榫槽方位角、倾斜度监测。

表1 钢圆筒振沉施工质量标准Table 1 Construction quality standardsof steel cylinder vibration sinking

图1 定位系统作业示意图Fig.1 Schematic diagram of positioning system operation

2.2 系统设备选择

选择TrimbleR7GPS双频双星（GPS+GLONASS）流动站，配置Zephyr GeodeticTM2型GPS卫星接收天线；选择LEICA TCRP1201+型全站仪，配置360°反射棱镜。

倾角传感器，已经成熟地应用于《海上GPS打桩定位系统》中，性能可靠稳定，误差精度为0.1°[1]。

2.3 系统安装设计

1）测量控制室设计

根据钢圆筒高度、潮汐高程变化、停锤标高和全站仪前视距离、前视垂直角等因素综合考虑，确定在全站仪视准线距甲板高度约为6.5 m处，设置一个3m×2m×2m的测量控制室。控制室正前方和右侧方采用四联活动塑钢窗户保证视野开阔，整体为彩板房结构，置于距甲板高度5 m钢桁架平台上。

2）GPS位置和卫星天线塔架设计

综合考虑定位驳改造和GPS卫星信号受遮挡影响等，把卫星接收天线放在远离钢圆筒一侧，距离约70m，用适配螺丝固定在钢塔架上。钢塔架焊接在定位驳上，远离测量控制室的钢塔架高7.5 m，另一个高2.5 m，由专业钢结构设计人员设计。

3）定位轴线与钢圆筒位置关系设计

定位轴线与钢圆筒轴线关系，见图2所示，棱镜轴线1号-3号、2号-4号，对应于钢圆筒轴线为1号′-3号′、2号′-4号′，棱镜轴镜线中心0，对应于钢圆筒轴线中心0′；在钢圆筒顶口焊接钢挡板来固定振动梁振动锤的一个夹具，使得1号-3号∥1号′-3号′、2号-4号∥2号′-4号′、竖直方向0=0′，从而确定棱镜轴线与钢圆筒轴线的关系。输入1号宽榫槽与钢圆筒轴线1号′-3号′的夹角φ°，输入各宽榫槽与1号宽榫槽的夹角，从而确定1号宽榫槽及各宽榫槽的方位角。

图2 定位轴线与钢圆筒轴线关系示意图Fig.2 Relation schematic diagram for position axisand steel cylinder axis

3 系统应用

3.1 建立桩位

根据《钢圆筒施工定位监测系统》设定，按照设计图纸计算钢圆筒定位参数，其内容包括：序号、钢圆筒编号、钢圆筒中心坐标、钢圆筒设计标高、基准榫槽方位角（钢圆筒中心至1号宽榫槽的方位角）、夹角1、夹角2和夹角3（各宽榫槽之间的夹角），表格示意见表2所示。

3.2 选择定位参数

启动《钢圆筒施工定位监测系统》中各设备，系统运行界面见图3所示。

表2 钢圆筒参数表Table2 The parametersof steel cylinder

图3 《钢圆筒施工定位监测系统》界面Fig.3 The interface of the position andmonitor system for steel cylinder construction

点击“定位参数”按钮，弹出定位参数界面，然后点击界面的“设定坐标参数”按钮，将椭球设置和参数等信息填入，并选择要振沉的钢圆筒，最后点击“确认/返回”按钮，完成该项设置。

3.3 定位驳粗定位

选择好要振沉的钢圆筒后，在图3中点击“概略定位”按钮，系统只采集GPS、倾角传感器的测量数据，对定位驳进行粗定位。根据定位界面显示的偏位值和移船方向，指导定位驳调整锚缆进行就位。起重船起吊钢圆筒后，先以定位驳作为参照物，调整缆绳，使钢圆筒大致就位并下放钢圆筒至泥面以上约1m处。

3.4 钢圆筒精确定位

全站仪采用人工粗略瞄准棱镜后，点击图3界面中的“开机”按钮启动全站仪，根据窗口提示依次点击“搜索”、“测试”按钮，完成全站仪测量和数据传输工作。然后点击“精确定位”按钮，即可进行钢圆筒精确定位。精确定位界面见图4所示。

“精确定位”时，根据图4中的数据指挥起重船移位，并使图4小窗口中的“下圆心偏位”值满足要求后，缓慢下放钢圆筒至泥面下0.5 m时停止；然后通过调整起重船的左、右钩高差以及俯仰起重臂，使钢圆筒的轴线倾斜度满足要求。此时再次观察“下圆心偏差”，满足要求后再次下放钢圆筒至自沉结束，下放过程中应观察钢圆筒偏位变化。

图4 钢圆筒精确定位界面Fig.4 The interfaceof thepreciseposition for steelcylinder

4 结语

在港珠澳大桥钢圆筒振沉施工中，定位系统发挥着重要的作用，尤其是遇到复杂地质情况需要及时采取纠偏的时候，为施工提供了准确、实时的数据。系统设计的“定位驳粗定位”和“下圆心定位”功能非常实用，将原先只能利用平潮期作业的条件拓宽至只避开大潮流期即可，大大增加了可施工作业时间。

[1] 邵蔚，郑若奇.海上GPS打桩定位系统[J].中国港湾建设，2003（2）：30-36.SHAOWei,ZHENG Ruo-qi.GPSpositioning system for offshore piling[J].ChinaHarbour Engineering,2003(2):30-36.

[2] 许娅娅，雒应.测量学[M].3版.北京：人民交通出版社，2009.XU Ya-ya,LUOYing.Surveying[M].3rd ed.Beijing:China Communications Press,2009.

[3]GB 50026—2007，工程测量规范[S].GB 50026—2007,Code forengineeringsurveying[S].