大型桥墩群桩钢护筒三维姿态测量方法研究

张　健　（安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）



大型桥墩群桩钢护筒三维姿态测量方法研究

张健（安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）

大型桥梁工程中钢护筒的精确定位极为重要，因此需要精确测定钢护筒圆心、直径以及倾斜度。文章提出通过斜率推算钢护筒中心位置坐标的方法，并且结合工程实例，发现用该方法测定的钢护筒中心位置坐标偏差都在0.05m内，满足工程实际需求，验证了该方法的正确性和可靠性。

钢护筒；斜率；圆心；直径；倾斜度

1　概述

在桥梁工程建设中，水中桥墩承台一般采用钢吊箱施工工艺[1-3]。即采用钢吊箱作为施工环境的临时围水结构物，同时作为承台混凝土浇筑时的侧面模板。钢吊箱下放时底板需要预留桥墩群桩钢护筒位置并开孔，精确测量桥墩群桩钢护筒三维姿态，是定位开孔的关键。当开孔尺寸过小时，钢吊箱就无法顺利下放到指定位置。反之开孔尺寸过大时，钢吊箱与钢护筒之间空隙较大，影响混凝土底板浇筑。因此需要精确进行钢护筒圆心定位、直径测量、倾斜度测量[4]；通过钢护筒三维姿态计算开孔位置；最后进行群桩钢护筒坐标与钢吊箱坐标转换，并进行开孔放样。本文提出通过斜率推算钢护筒中心位置坐标，进而计算截面的直径，为后续施工做准备。

2　钢护筒三维姿态的测定

大型桥梁工程基础部分施工主要是灌注桩的施工，而灌注桩则是在钢护筒中进行的，因此，钢护筒的精确定位就显得极为重要。钢护筒的定位由导向架的精密放样来控制，导向架的放样采用极坐标法。对打入江中钢护筒的中心位置要及时检测，以保证施工精度。测量出钢护筒的圆心坐标以及倾斜度，计算得到钢护筒在钢吊箱底板上最大投影包络轮廓，从而可以在钢吊箱底板上确定开孔位置。

2.1圆心坐标测定

在大型桥梁基础部分施工中，经常要对就位后的钢护筒的中心位置进行检测。而这些构筑物中心位置的坐标一般均由设计单位给出，为保证工程质量，对施工后的钢护筒中心位置要及时进行检测，与设计坐标进行比较，其偏差应满足规范或设计要求。钢护筒打设后的中心位置无法直接进行测量，一般采用测量圆周上三点坐标计算圆心坐标的间接方法进行中心位置的确定。随着GPS-RTK及高精度全站仪在大型工程中的普遍使用，采用GPS-RTK或高精度全站仪[5]测量钢护筒边缘上的三点坐标进行中心位置坐标的计算，精度高，速度快。

不在同一直线上的三点可以唯一确定一个圆，如图1，测量圆形构筑物上的任意三点坐标，设为（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3）圆心的坐标为（XO，YO）。弦12的中心坐标为（X4，Y4），弦23的中心坐标为（X5，Y5），由圆的弦的性质可知：弦12与弦23垂直平分线的交点即为圆心。

图1　钢护筒截面图

由图1可知：

设弦12的斜率k12，弦12的垂直平分线斜率为k4O，弦23的斜率k23，弦23的垂直平分线的斜率为k5O，由1、2、3点的坐标可以求出弦12和弦23的斜率：

利用两条线垂直，它们的斜率乘积为-1的性质可知：

同时，可以由4、5点以及圆心O的坐标求出弦12的垂直平分线斜率k4O和弦23的垂直平分线斜率k5O。

整理（3）、（4）式以矩阵形式表示，得出（5）式。

进一步整理（5）式，得到（6）式。

公式（6）即为通过已知三点坐标，利用弦的斜率求解钢护筒中心位置坐标的计算公式。

2.2直径测定

本文2.1中已经得到测定钢护筒圆心坐标的方法，得到的圆心的坐标为（XO，YO）。设O1的距离为lO1，设O2的距离为lO2，设O3的距离为lO3，则：

为了使求得的直接更加接近真实值，将求得3个半径取平均值，可得钢护筒直径L为：

2.3倾斜度测定

在建筑物内有供挂锤线的上下通道和专用设备等条件时，可在通道的顶部或需要观测的高度设一支点，锚固直径0.6～1.2mm的不锈钢丝，钢丝下端连接一个与锤线相适应的锤球，在通道底层地板上固定一油桶，内装粘性小、不冰冻的液体，将锤球放在油桶内使钢丝拉紧、稳定成为垂线。观测时，由底部观测墩上安置的量测设备（如坐标仪、光学垂线仪、电感式垂线仪），按一定周期测出各测点的水平位移量。由于钢护筒下面部分深埋在水底中无法观测，通常是测量水面以上部分。在桥梁工程测量钢护筒的倾斜度时，观测钢护筒的顶高，顶平距以及底高、底平距。设钢护筒顶高为a，顶平距为La，底高为b，底平距为Lb。倾斜度为e。则有：

由式（11）可以方便快速的测量出钢护筒的倾斜度。

3　实例分析

某个大型桥墩群桩底板安装时需穿过42根φ2.8m和中部2根φ1.2m的钢护筒（如图2）。为了能够让钢吊箱顺利就位，需要对钢吊箱底部开孔。开的孔大固然能够让钢吊箱顺利就位，但是在后续向钢吊箱浇灌混凝土过程中，因为钢护筒和钢吊箱之间的缝隙，导致浪费大量的混凝土，而且需要大量人力去填补缝隙。当开的孔过小时，就会影响钢吊箱平稳下沉、无法到达指定位置，从而影响后续工程施工的展开。

图2　大型桥墩群桩钢护筒

在大型桥梁基础部分施工中，经常要对就位后的钢护筒的中心位置进行检测。而这些构筑物中心位置的坐标一般均由设计单位给出，为保证工程质量，对施工后的钢护筒中心位置要及时进行检测，与设计坐标进行比较，其偏差应满足规范或设计要求。取10根钢护筒做实验，采用本文方法测定钢护筒的中心位置，并与设计单位给出的钢护筒中心位置的坐标比较，如表1。

实测值计算的坐标与设计坐标的差值（单位：m）　表1

实际工程中，要求坐标偏差要小于0.05m，由表1可知，用本文方法测定的钢护筒的中心位置坐标都是在限差范围内。

4　总结

精确测量桥墩群桩钢护筒三维姿态极为重要。本文通过斜率推导出计算钢护筒中心位置坐标的计算公式，并结合工程实例，计算出钢护筒的中心位置坐标与设计单位给出的钢护筒中心位置的坐标进行对比，发现X、Y方向偏差都小于0.05m，满足实际工程的需求。证明了本文方法的正确性和可靠性。

[1]余加勇，邵旭东，朱建军，等.柱状构筑物垂直度非接触检测方法及其精度分析[J].武汉理工大学学报 （交通科学与工程版），2008，32 （6）.

[2]黄腾，魏浩瀚，杨树荣.南京长江三桥主塔墩基础大型双壁钢套箱施工测量技术[J].工程勘察，2005（2）.

[3]游庆仲，董学武，张雄文，等.苏通大桥—挑战与技术创新[A].江苏省公路学会优秀论文集[C].

[4]付新奇，张国辉.建筑物倾斜观测的通用方法[J].测绘通报，2004（4）.

[5]李青房，陈永奇.工程测量学[M].北京：测绘出版社，1995.

U443.22

A

1007-7359(2016)03-0165-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.060

张健（1985-），男，安徽合肥人，毕业于合肥工业大学，学士，助理工程师。