GPS RTK技术在深水大型沉井基础施工监测中的应用

芶 洁 朱 浩

(1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430063)



GPS RTK技术在深水大型沉井基础施工监测中的应用

芶 洁1朱 浩2

(1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430063)

泰州长江大桥中塔沉井基础结构尺寸大，桥位处水文条件复杂，给施工带来了极大的安全风险。相对比传统的人工测量方法，GPS RTK技术(全球定位系统实时差分技术)实现了全自动实时测量，通过后处理系统对实测数据进行分析，并及时反应出沉井当前真实状态，为决策者作出正确施工指令提供基础数据，保障了沉井顺利施工质量，降低了安全风险。该技术在泰州大桥中塔沉井基础施工监测中成功应用，为今后类似工程施工提供参考。

GPS RTK技术；泰州长江大桥；沉井基础；施工监测

我国大跨桥梁建设不断向深水、外海海域发展，深水基础设计与施工将面临更为严峻的挑战。目前，钻孔灌注桩基础作为一种最主要的基础形式在工程中被广泛采用。近十年，随着桥梁工程师对沉井基础的认识加深及施工技术的进步，越来越多的大跨桥梁在设计时采用深水沉井基础。

结合施工工艺，深水沉井基础施工面临的最大技术难题在于如何快速、准确地将其定位在设计允许范围之内。由于受到水流、波浪等因素影响，沉井在定位过程中始终保持平面摆动与竖向升沉运动状态。传统的人工测量是通过测量仪器(或测量机器人)进行逐点测量，若涉及到多个测点，测量周期很长，后期数据处理缓慢，不能实时反映出沉井当前的几何状态。而GPS RTK技术可实现多个测点同时采集，然后在电脑终端进行数据实时处理，这样就可保证数据的同步性，实时反映沉井的几何状态。

GPS RTK技术在很多领域的测量中已取得了快速的发展。该技术在海洋测绘方面已经取得了成功的应用[1]，海洋测量包括海洋定位、海洋大地测量和水下地形测量。在传统的公路工程测量中，常规的测量方法具有很大的局限性，而该技术的出现对公路勘测手段和作业方式产生了革命性的变革，极大提高了勘测精度和勘测效率[2]。洋山深水港工程东海大桥桩基施工中也应用了这一技术[3]。王红等介绍了该技术可以在桥梁监控中的应用[4]。虽然该技术在工程中得到了广泛应用，但是在基础施工中的应用相对较少。

1 工程概况

泰州长江大桥为三塔悬索桥，中间钢塔采用钢壳-混凝土沉井基础。沉井总高度为76m，其中钢壳沉井高38m，钢筋-混凝土沉井高38m，设计底标高-70m，承台顶标高6m。沉井标准节段平面尺寸为44m×58m，四角倒圆半径8m。沉井在平面上布置16个12.8m×12.8m方形井孔，沉井混凝土封底11m。沉井结构图如图1所示。

大桥位于长江双向感潮河段，每日两次涨落潮，落潮流速大于涨潮流速，最大流速达到了2.61m/s。桥位处施工水深约15m。沉井下沉到设计标高，需要穿越粉细砂层、细砂层、中砂层，最后刃脚持力层位于砾砂层。

图1 沉井结构图

沉井基础施工工艺流程大致为：38m钢壳沉井加工制作，同时在桥位处进行定位锚墩施工→利用拖轮将沉井浮运至墩位处进行初定位→利用定位锚墩进行沉井精确定位→向夹壁仓内注水使沉井快速下沉→浇筑夹壁隔仓混凝土→取土吸泥下沉至一定深度→重复接高混凝土与取土吸泥下沉步骤，直至沉井接高至76m和刃脚标高下沉至-70m。

2 主要监测内容

沉井下沉过程中几何姿态主要监测内容包括平面偏位、垂直度、扭转角和下沉量等。在实际测量过程中，可在沉井顶面布置4个测量控制点(见图2)，然后根据GPS测量4个测点的绝对坐标，分别计算出平面偏位、垂直度等相关信息。图2中以1001→1003测点定义为X轴正向；采用左手法则，以1002→1004测点定义为Y轴正向。

图2 测量控制点平面布置图

2.1 沉井平面偏位

沉井顶面中心O点的平面坐标由测点1001、1002、1003和1004点计算得出。相关的计算方法如下：

O点在X轴向的坐标由1001点和1003点X向坐标的平均值来表达。

O点在Y轴向的坐标由1002点和1004点Y向坐标的平均值来表达。

2.2 沉井垂直度

沉井垂直计算如示意图3所示。计算前提假设条件为：(1)忽略沉井的制造误差，认为沉井外侧面与顶面互相垂直；(2)忽略沉井自身变形的影响。由于沉井可以作为刚体来看待，其倾斜度可看成是刚体绕X轴和Y轴的转动。基于上述假设条件，沉井垂直度可由下列公式计算得出。

X向垂直度：

θ1=arccos((z1003-z1001)/((x1003-x1001)2+

(y1003-y1001)2)0.5)

Y向垂直度：

θ2=arccos((z1004-z1002)/((x1004-x1002)2+

(y1004-y1002)2)0.5)

图3 沉井垂直度计算示意图

2.3 沉井扭转角

沉井扭转角计算公式如下：

β1=arccos((y1001-y1003)/((x1003-x1001)2+

(y1003-y1001)2)0.5)

β2=arccos((y1002-y1004)/((x1002-x1004)2+

(y1002-y1004)2)0.5)

沉井扭转角：β=(β1+β2)/2

2.4 沉井下沉量

沉井下沉量用顶面中心竖向坐标来表示，其坐标值采用4个监测点竖向坐标的均值。

下沉量的偏差采用实际下沉标高与设计标高的差值，如下式。

3 现场实施

3.1 沉井下沉信息化监测系统

沉井施工过程中在沉井轴线上布设四个控制点，采用GPS RTK采集仪器(见图4)对四个点的三维坐标进行实时动态的测量，通过无线局域网将实时获取的数据(5秒/次)传送到监控室，利用后处理系统(见图5)进行数据分析处理，得出一段时间内测点的平均坐标，推算出沉井的平面偏位、垂直度、扭转角和下沉量等数据。

图4 GPS监测仪器安装

图5 沉井信息化施工监测后处理系统

3.2 测量结果分析

(1)平面偏位。图6-图7为沉井下沉过程中在两个轴线方向上平面偏位变化曲线。结果表明，沉井下沉到位时顶面中心向上游偏移11.4cm，向扬中侧(即南侧)偏移2.4cm，远远小于设计规定30cm的偏差范围；沉井底面中心向上游偏移28cm，向扬中侧偏移14cm，同样小于设计规定限值。

(2)垂直度。图8为沉井下沉过程中在两个方向上的垂直度变化曲线。结果表明，沉井下沉到位时沿上下游侧垂直度为1/630，南北侧垂直度为1/444，整体垂直度为1/363，远小于设计规定/150的允许限值。

(3)扭转角。图9为沉井下沉过程中扭转角变化曲线。结果表明，沉井下沉到位时扭转角为10.8′，小于设计规定1°的允许限值。

(4)下沉量。图10为沉井下沉过程中下沉量的变化曲线。结果表明，沉井下沉到位时底面中心的标高为-70.1m，低于设计标高-70m，满足设计规定的底面标高不高于设计标高的要求。

图6 沉井中心南北侧偏位变化曲线图(单位：cm)

图8 沉井两轴线向高差变化曲线图(单位：cm)

图9 沉井扭转角变化曲线图(单位：分)

图10 沉井下沉变化曲线图(单位：m)

4 结论

GPS RTK技术在泰州长江大桥中塔沉井基础施工监控中得到成功应用，其测量定位精度满足工程施工质量要求。相对于传统人工测量方法，它具有测量数据同步、测量周期快、数据处理及时、反馈信息准确等优点，同时该测量方法还不受自然条件(如暴雨、暴雪等)影响。随着我国桥梁建设向外海发展，GPS RTK测量技术将在基础施工中得到越来越广泛的应用。

[1]谢荣安. GPS RTK技术在海洋测绘中的应用[J].地理空间信息, 2007,5(4):16-18.

[2]赖继文.GPS测量技术及其在工程测量中的应用[J].地矿测绘,2006,22(3):11-13.

[3]周瑞祥. GPS RTK技术在东海大桥桩基施工中的应用[J].铁道勘察, 2004(1):59-61.

[4]王红，冯常胜.桥梁监控中的GPS RTK技术[J].世界桥梁,2003(3):74-76.

2016-08-02

芶 洁(1980-)，女，四川合江人，武汉交通职业学院交通工程学院副教授，主要从事桥梁工程教学与研究。朱 浩(1980-)，男，江西瑞金人，中交二航局技术中心高级工程师，主要从桥梁施工监控和健康监测研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.03.019

U445.557

A

1672-9846(2016)03-0077-04