水上沉桩定位技术的探讨

刘吉明 彭 四

中交二航局第一工程有限公司

1 概述

水上沉桩是水工建筑物的一部分，或者作为水工建筑物施工的辅助部分，已广泛应用于桥梁工程、城市轨道交通工程以及码头等工程。在国民经济发展的过程中起到了重要的意义。由于其特殊的施工环境，从而引起独特的测量控制方法，下面我们就不同的水上沉桩类型，分别研究其测量控制数据的数学计算模型及现场具体的控制方法。

2 桩的主要类型及相关的设计术语

水上沉桩，通常按照其材质、断面形状、布设方式来分类。（1）按照材质分按桩的材质一般分为预应力混泥土桩和钢管桩。

（2）按断面形状分。按桩的断面形状，有圆桩、方桩。

（3）按布设方式分。按桩的布设方式分为直桩和斜桩，其中斜桩又分为仰桩和俯桩。仰、俯桩是相对于打桩船的桩架来区分的（如图1）。

图1 桩基的平面布置图

由图1看到设计图纸一般给出如下几个设计参数：没有箭头的为直桩，带箭头的是斜桩。斜桩设计给出斜率图中是5：1，以及扭角分左扭和右扭，一般是面向图纸以设计轴线为参考左手为左扭，右手为右扭，图中扭角给的都是23°施工中必须严格控制斜桩的偏位及平面扭角，以免碰桩。

3 沉桩定位的主要方法及数学计算方法

沉桩方法一般有两种：正、侧面基线切线交会和任意基线切点交会法。正侧面切线法需要满足的一个条件是施工区域侧面能够布设一条与码头平台前沿线平行的基线，正面能够布设一条与码头平台前沿线垂直的基线（如图2）。然而实际情况是，实际地形不易设置侧面基线，需要设置专门的打桩测量平台或施工栈桥。此方法简单直观，可以根据设计图纸提供的建筑物的轴线坐标测设出相应的基线，但费时需频繁搬动仪器且施工成本高，一般不予采用。

图2 正、侧面基线布置图

另一种任意夹角施工基线的方法（如图3），在水域岸边合适位置设置控制点，用两台或者三台经纬仪对其作任意切点的前方交会。通常用两架经纬仪定位，一架经纬仪校核。这种方法设站灵活不受地形影响，但需要计算沉桩所需的大量数据，内业处理起来比较麻烦。下面我们将对不同类型的桩的计算方法进行分析讨论。

图3 任意基线布置图

3.1 圆直桩平面位置计算

假设桩的半径为R，桩的设计坐标为X、Y，控制点坐标为N、E（以控制点A为例）。

图4

根据桩中心设计坐标和控制点坐标，通过坐标反算公式，得到桩中心到控制点的方位角α以及两点间的距离S，在此基础上加上或者减去控制点与桩切线间的夹角ε，即可得到桩两边切线的方位角。由已知数据易得：

3.2 圆斜桩平面位置计算

由于斜桩在水平面上的投影是一个椭圆，所以不同的切点位置处，椭圆的半径不一样，根据严密的计算方法确定切点出的半径比较复杂，一般来说采用近似计算方法确定其半径的长度，计算结果的精度已经足够符合施工要求。

图5

同理，假设桩半径为R，斜率为n，扭角为β，桩的设计坐标为X、Y，控制点坐标为N、E（以控制点A为例），先计算椭圆的近似半径B。

易知斜桩的最短半径：

最长半径：

故：扭角的控制，如果桩船没有GPS定位技术，我们主要通过对桩船船尾明显标志物的控制来实现，一般情况下控制船尾的桅杆。我们通过码头平台轴线的方位角和桩位扭角可以得到船身轴线的方位角，再根据桩位坐标和船尾标志物之间的距离即可得出标志物的空间坐标。通过前方交会定出桩的扭角（此过程可能存在反复定位的情况，要根据沉桩经验综合考虑）。

3.3 方桩直桩平面位置计算

图6 方桩断面图

同圆桩控制方法不同的是，方桩控制两个棱角位置。假设桩的长为a，宽为b。桩设中心O点设计坐标为X、Y，控制点坐标为N、E，α为码头平台宽度方向的方位角。则O1点坐标为：

易知：

同理得：

3.4 方桩斜桩平面位置计算

同方桩直桩区别的是斜桩有了斜率和扭角，由此带来的计算模型不同有两个，一是，桩轴线方向的方位角加上或者减去扭角（与左扭还是右扭有关），二是，沿桩倾斜方向轴线的边长在平面投影面上变短。

例：假设桩斜率为1：5，桩断面尺寸为600mm×600mm则桩一半的边长由S变为S1

由上式可以知：倾斜引起边长变形对于沉桩的精度来说，可以忽略不计。因此计算两棱角坐标时，可直接采用桩的断面尺寸，其他的直接套用直桩的计算公式。

扭角的控制，同圆斜桩。

3.5 沉桩桩顶高程位置控制与计算

（1）在岸上架设水准仪配合桩身上的刻度数来控制桩顶标高，水准仪视线高要低于桩顶标高。

（2）通过架设在岸上的经纬仪或者全站仪利用三角高程来控制桩顶标高。

4 数学计算的实现方法

4.1 通过execl表格来实现

优点：界面清晰，计算快速；数据录入容易，且易于检查出数据输入是否错误；计算出的放样数据便于打印。

缺点：软件函数较少，程序若嵌套多难以实现。

4.2 通过编写VB程序实现

优点：可视化的操作界面，计算快速，一次计算的数据量大（成千上万根）；可输出原始数据，以便检查出数据输入是否错误；计算出的放样数据结果可以打印。

缺点：电脑需要安装VB 语言软件；原始数据通过记事本的形式输入速度较慢，且输出的数据结果也是记事本形式的；由于是用电脑计算不利于携带，必须提前计算好。

4.3 通过CASIO可编程的便携式计算器来实现

优点：计算器小携带方便，可以在现场快速计算。

缺点：计算速度慢，一次只能计算一根桩位的一个控制数据，且需要输入大量的已知数据；输入的数据打印不出来，需要反复的检查，以免出现由于原始数据的错误而引起计算结果的偏差。

4.4 通过CAD的画图功能来实现

优点：傻瓜式的数据输出功能，只需要按照比例画出桩及桩位，在平面图上标出控制点连接控制点与桩切线（圆桩），利用CAD标注功能表示出夹角。

缺点：画线太多，有时扑捉容易出错，也需要提前在办公室提前提取出相应数据难以解决现场突发状况。

综上所述，对于沉桩控制数据计算结果的实现方法，我们一般用方法一加方法三，或者方法二加方法三的模式实现，大量的数据在舒适的办公区计算出来，现场突发状况则用便携式计算器来实现。

5 其他定位方法

GPS 定位技术：GPS 技术的迅速发展，带来了水上沉桩测量技术的更新。在打桩船的特定位置上固定架设两台GPS,通过量测GPS 与桩船的相对位置建立坐标系统，从而对桩进行施工定位。这种技术不受天气条件的影响，可以全天候的施工，而且由于可视化的视窗，既能更迅速、更直观的定位，又能显示出具体桩位的偏位差值，目前在施工中已经得到了广泛的应用。但在斜桩定位的效果上有待验证，且它不能准确监测出桩端的标高和桩瞬时的贯入度；另外这种沉桩定位技术，在履带式起重设备结合振动锤的沉桩方法上，以及其他沉桩设备上，还没有在实战中应用过，因此目前还不能完全的取代传统的定位技术。

6 总结

以上就是我们目前水上沉桩，所遇到的各种情况的简单介绍，以及它们的计算方法，可以根据自己所处的环境条件，选择适宜的方法。除了理论计算，我们还应该善于从现场沉桩过程控制中，总结并汲取经验，灵活处理现场沉桩中所遇到的各种情况，保证施工顺利进行，使之满足工程建设的要求。