《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》是中交第三航務工程局有限公司完成的建築類施工工法，完成人是曹根祥、尹海卿、馬松平、夏顯文、施沖，適用於所有水工工程和橋樑工程的沉樁定位，尤其是海工工程遠距離打樁定位。
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》主要的工法特點是具有較高的定位精度；可以不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，可全天候工作。
2008年1月31日，《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。
基本介紹
- 中文名：海工工程GPS遠距離打樁定位工法
- 工法編號： YJGF047-2006
- 完成單位：中交第三航務工程局有限公司
- 主要完成人：曹根祥、尹海卿、馬松平、夏顯文、施沖
- 套用實例：東海大橋工程
- 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
採用傳統的經緯儀或全站儀進行沉樁定位的方法僅適用於1～2千米測距範圍內，對於遠海打樁工程，傳統的搭設測量平台無論是在定位精度還是在定位的時效性上都存在著問題。隨著海洋工程的不斷發展，大量的遠海打樁工程不斷出現，這就要求開發研製適用於遠海工程施工的打樁定位系統，以適應工程建設發展的需要。
全球衛星定位系統（GPS）在2005年前有了很大的發展。截至2005年，GPS的實時相位差分技術（RTK）已使遠至10~20千米的測量定位精度達到厘米級，數據採集率和獲得測量成果的實時性都很高。因此，利用GPS技術，輔助以其他測量手段和計算機技術，開發適用於遠海工程施工，且具有一定自動化程度的精密的"海工工程GPS遠距離打樁定位系統"已成為可能。
為滿足現代工程建設需要，並根據遠海工程施工的特點，中交三航局有限公司2002年研製成功了"海工工程GPS遠距離打樁定位系統"。中交第三航務工程局在東海大橋、杭州灣跨海大橋、洋山國際航運中心等建設工程中套用"海工工程GPS遠距離打樁定位系統"的基礎上，不斷總結，形成了《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》。
工法特點
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》首先以GPS作為基本定位儀器對打樁船進行定位。在此基礎上。配合輔助測量設備對施打
樁的樁位進行精確定位，以提高系統的定位精度。它具有如下幾個主要功能和特點。
1.能實現離岸（或離GPS參考台）20千米左右的工作距離，常年有效工作距離在10千米以上。
2.實現定位過程中數據的自動化處理。即打樁定位過程中的樁中心平面位置的定位、樁頂標高的控制及貫入度的計算等一系列實時定位信息的處理均由工法自行完成。
3.定位過程將原來的由岸上測量人員來指揮駕船人員進行移船操作，改為由移船操作人員直接根據計算機螢幕的顯示或提示自行完成移船定位操作。減少定位過程的中間環節。提高移船定位操作的直觀性和便利性。
計算機螢幕能同時以圖像及數字的形式反映出施打樁的設計位置及該樁的主要設計參數（包括設計的樁中心坐標、樁頂標高、平面扭角、傾斜度等），以及停錘標準（包括標高控制標準和貫入度控制標準）和當前施打樁的實時位置及主要實時參數（如樁中心坐標偏差、樁頂標高偏差、平面扭角偏差、實時傾斜度、實時貫人度等），便於操作人員進行對照比較，調整船位，準確定位。
4.具有較高的定位精度。根據理論估算，平面定位精度可達5厘米以內，滿足規範對相應條件下打樁定位允許偏位的要求。
5.打樁結束後，計算機將能提供一份標準格式的打樁記錄表。
6.按該工法操作，可以不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，可全天候工作。
操作原理
適用範圍
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》適用於所有水工工程和橋樑工程的沉樁定位，尤其是海工工程遠距離打樁定位。
工藝原理
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的工藝原理敘述如下：
一、設備及精度
採用GPS RTK、無稜鏡測距儀、精密測傾儀等先進技術與設備，結合專門開發的打樁定位計算機軟體。實現了實時、主動的船身和樁身位置的精確計算。突破了傳統的經緯儀或全站儀定位方法必須要求通視的限制，使水上精密打樁定位的離岸距離達到20千米以上。大大提高了施工效率，最大限度地減輕了勞動強度。
1.GPS系統及套用
經過20多年的發展，截至2005年，GPS及RTK定位技術被作為一項非常重要的技術手段和方法，已經在測繪、工程施工等各種測量領域中占據重要地位，並替代了大部分的常規測量。
GPS採用差分技術提高定位精度。通過差分技術，可以有效地消除衛星信號的各種誤差，使相對定位精度達到2~3厘米。GPS RTK定位技術是採用數傳電台，將參考站的衛星數據實時傳送到流動站，可以實現實時高精度定位。
2.無稜鏡測距
隨著雷射測距技術的發展，截至2005年，無稜鏡測距技術也有了迅速的發展，測距精度可以達到1~3毫米。
3.精密測傾儀
精密測傾儀是一種高精度的傾斜感測器，一般可以測定諸如船身或樁架等對象的縱橫傾斜，其精度可達到0.05°。
二、船體位置與姿態確定
打樁定位的結果是要測定樁身的位置、方位和傾斜度，由於不能將GPS天線直接安裝在樁身上，因此為實現對樁身的定位和定向一般在打樁船上安裝兩台或三台GPS RTK接收機（流動站）、一台測傾儀以確定船體的位置和姿態，以確定船體的位置與姿態。當同時安裝三台GPS和一台船體測傾儀時，由三台GPS RTK數據計算的船體傾斜可以與測傾儀測定的船體傾斜數據進行比較和檢核。
如圖1中所示，坐標系統O-XYZ對應的是三維船體坐標系統，假設船體的縱傾和橫傾分別為α和β，首先繞X軸順時針旋轉β角，得到坐標系XY"Z'，該坐標系繞Y"軸逆時針旋轉α得到過三維船固坐標系原點且位於水平面的坐標系統O-X"Y"Z"，稱該坐標系統為瞬時船體水平坐標系統，該坐標系統的平面坐標與工程坐標系統存在平移、旋轉的關係。
圖1 船體的縱傾和橫傾示意圖
三維坐標系統之間的旋轉矩陣分別為：
旋轉角為從各個旋轉軸的正向看，逆時針旋轉角為正，順時針為負。
由三維船固坐標系統O-XYZ轉換到瞬時船體水平坐標系統O-XYZ的轉換矩陣為：R=RX（-β）·RY（α）。
工程坐標系統xoy與瞬時船體水平坐標系統XOY之間的關係式為：
，其中α為X軸逆時針旋轉到x軸的角度。
三、船體坐標系與GPS坐標系實時轉換
由於打樁船上設備位置和樁中位置是根據船體坐標系進行計算的。而RTK GPS的坐標一般為WGS84或工程坐標系坐標，需要進行實時轉換。
船體坐標系統與工程坐標系統都是平面直角坐標系統，將（XB，YB）轉換為（XP，Yp）的計算公式：
，其中：
。
公式中的2個平移參數（△Xp，△Yp）和1個旋轉參數（αBP）需要根據GPS實時定位結果計算。
通過這一計算過程，可以建立起GPS與船體之間的坐標轉換關係。從而可以實時地將通過測距儀測定的樁身在船體坐標系中的位置轉換到GPS或進一步轉換到工程坐標系中。
施工工藝
- 工藝流程
採用《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》進行打樁定位時，一般需要經過三個階段。第一階段為建立坐標系統轉換關係，第二階段為打樁系統參數設定，第三階段為實時打樁定位。
- 操作要點
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的操作要點如下：
一、建立坐標系統轉換關係（圖2）
圖2 坐標系統轉換關係示意圖
這一階段的主要工作是，根據設計的坐標系統，建立GPS首級控制網，並根據已知的控制點坐標計算GPS坐標系統與施工坐標系統之間的轉換關係。
在建立坐標系統之間的轉換關係時，對特大型橋樑等大型施工項目，一般應採用參數轉換模型，對較小規模的施工工程還可以採用平面轉換模型。應當注意的是，不管採用何種模型，已知控點的精度和分布對最終的定位精度有很大的影響，應儘可能使已知點分布均勻，所有已知點覆蓋的面積應大於施工區域總面積的1/2以上。
轉換關係建立後，應對坐標系統轉換關係進行必要的檢核。具體方法是，對第一根或開始幾根樁在施打時同時採用常規測量和 GPS打樁定位兩種方法，兩者相互檢查。如果兩種定位方法結果的差異在誤差允許範圍以內，則說明坐標系統轉換正確，否則應查明原因，直到檢核一致後才可以採用單獨的GPS定位方法進行打樁。通過這一檢核，還可以檢查GPS打樁系統的其他參數的正確性。
二、打樁系統參數設定
打樁系統參數包括坐標轉換參數、船形參數、設備參數和樁參數。其中坐標轉換參數由上述中計算得到，可以是參數轉換或平面轉換參數。船形參數和設備參數在系統安裝時測定，對同一條打樁船來說.這兩項參數一般情況下不會改變。因此，除非系統設備的安裝位置有所變化，否則這兩項參數不需要重新測定和設定。
三、實時打樁定位
實時打樁定位包括6個步驟，選擇當前樁號、定位、坡比、開始打樁、暫停打樁、結束打樁。
1.選擇當前樁號
對話框中，定為系統要求選擇當前施打樁的樁號、輸入當前樁的實際坡比和當前施打樁的打樁模式。系統在完成選擇當前施打樁號後，在計算機的平面定位顯示螢幕（系統輔助螢幕）上將標出當前樁號位置，同時，將自動進入"移船"工作狀態。此時必須至少有兩台GPS處於正常工作狀態，而兩台測距儀暫停工作。無論當前樁的打樁模式是"精密定位"模式還是"標準定位"模式，都是以標準樁中位置計算實時樁中坐標。
2.定位
在當前施打樁基本就位進行精密定位時，在系統子選單中選擇"定位"功能項。此時，系統將檢查當前樁的打樁模式。若打樁模式為"精密定位"模式則系統將打開水平測距儀，並開始精密定位。否則，系統按"標準定位"模式進行定位，此時，水平測距儀處於關閉狀態（圖3）。
圖3 定位流程圖
3.坡比
由於多種原因，在的定位和施打過程中，樁的傾斜坡比可能會發生變化。此時，若不對這一變化加以改正，則可能會影響到定位精度。子選單項中的"坡比"項就是用於修改實際樁坡比的。樁的實際坡比在打樁過程中可根據需要隨時修改。
如果系統在樁架上安裝了測傾儀，一般不需要人工改變坡比。
4.開始打樁
當打樁開始時，操作者應及時用滑鼠點擊此子選單項中的"開始打樁"控制項，以便系統開始記錄並處理有關的打樁數據（圖4）。
圖4 開始打樁流程圖
在當前樁的打樁模式為"精密定位"模式時，此時GPS、水平測距儀、測傾儀及錘擊計數器都處於工作狀態，在主計算機螢幕和輔助計算機螢幕上將分別實時顯示各類狀態數據和控制數據。
在當前樁的打樁模式為"標準定位"模式時，兩台水平測距儀不工作，樁中坐標根據標準樁中位置計算。在主計算機螢幕和輔助計算機螢幕上實時顯示的內容與"精密定位"模式相同，但水平測距儀數據設為"0"。
一旦開始打樁，打樁過程的有關數據將被實時地記錄下來，並作即時處理。
當打樁的實時貫入度接近或小於最小允許貫入度，或樁頂實時標高接近設計標高值時，系統給出提示。但在操作者選擇"結束打樁"前系統仍處於打樁狀態，並繼續紀錄打樁數據。
因"暫停打樁"或意外中斷後，系統重新恢復"開始打樁"狀態，打樁數據將添加在前次記錄檔案中，以確保打樁記錄的完整性。
5.暫停打樁
由於在沉樁施工中出現異常情況，如打樁船出現故障等導致沉樁施工暫停。系統的各感測器繼續工作。實時貫入度將停止計算，打樁數據也停止紀錄。其他計算和顯示內容與"開始打樁"期間相同。用滑鼠再次單擊"開始打樁"可恢復打樁狀態。
6.結束打樁
在當前樁施打完成後，需要選擇"結束打樁"功能項。此時系統關閉水平測距儀，但GPS仍然處於工作狀態，主計算機和輔助計算機螢幕顯示內容鎖定不變。
結束打樁後，應及時生成打樁記錄表。
材料設備
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》主要有如表1所示各項設備和軟體組成。
GPS設備應根據計量法要求定期進行檢定，測距儀應在初次使用時進行檢定，並在每個工程開始時，採用鋼捲尺等測量工具進行比對。
序號 | 貨物名稱 | 規格或技術指標 | 數量 |
1 | GPS參考站 | RTK參考站 | 1 |
2 | GPS流動站 | RTK流動站 | 3 |
3 | 計算機 | 適合運行Windows XP | 1 |
4 | 顯示器 | 15英寸 | 2 |
5 | 多串口卡（光電） | 8口 | 1 |
6 | 雙頭顯示卡（電腦） | PCI | 1 |
7 | 穩壓電源 | 100瓦 | 2 |
8 | UPS（山特1000W） | 斷電後工作20分鐘 | 1 |
9 | 攝像機（含雲台、控制器） | 普通CCD | 1 |
10 | 測距儀 | 無稜鏡 | 2 |
11 | A52模組 | RS232與RS422互轉 | 4 |
12 | 分屏器 | 1轉4 | 1 |
13 | 接線箱 | ╱ | 1 |
14 | 6芯電纜線 | ╱ | 400米 |
15 | 零星材料 | ╱ | 1 |
16 | 測傾儀 | 0.05"（RSM） | 1或2 |
17 | 錘擊計數器 | ╱ | 1 |
18 | 軟體系統 | ╱ | 1 |
質量控制
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的操作流程，關鍵工序的質量要求和注意事項，必須遵照執行的國家、地方（行業）標準、規範名稱有：
1.《水運工程測量規範》JTJ 203—2001；
2.《港口工程樁基規範》JTJ 254—98；
3.《公路勘測規範》JTJ 061—99；
4.《公路路線勘測規程》JTJ 061--99；
5.《工程測量規範》GB 50026—93；
6.《國家一、二等水準測量規範》GB 12897—91；
7.《公路全球定位系統（GPS）測量規範》JTJ/T 066—98；
8.《全球定位系統（GPS）測量規範》GB/T 18314—2001；
9.《公路工程技術標準》JTJ 001—97；
10.《公路橋涵施工技術規程》JTJ 041—2000；
11.《三航局海工工程GPS遠距離打樁定位系統操作手冊》。
安全措施
與採用傳統定位方法一樣，《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》在施工過程中，採取的安全措施如下：
1.6級風以上不得進行沉樁施工，以確保打樁船和樁基及人員的安全。
2.沉樁過程中，樁架下不得站人，以防沉樁過程中樁架上落下物傷人。
3.沉樁前，認真研究沉樁區域地質資料，在含有軟弱夾層可能發生溜樁的區域，要求開始進行空錘輕擊，等樁尖穿過軟弱夾層後，再進行正常錘擊，以確保打樁船和樁基及人員的安全。
4.在吊樁移船時，當打樁船接近已有結構物或已沉樁基時，要求船慢速移動，以防碰撞，以確保打樁船和結構物的安全。
5.在架設GPS接收機天線時，要求架設避雷針，以免雷電擊穿GPS設備，確保設備安全。
6.電焊要遠離GPS接收機天線，以電焊的強電流擊穿GPS設備，確保設備安全。
環保措施
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》採用的設備如攝像機、免稜鏡測距儀、GPS接收機、無線電電台、傾斜儀等的電源電壓均為12伏，屬於安全電壓，對環境不產生不良影響。另外，GPS無線電電台發出的功率僅4瓦，對環境也不會產生污染。
效益分析
以東海大橋工程為例對《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》進行效益分析。
一、經濟效益
傳統的打樁定位方法一般要求在距打樁現場1千米以內的範圍內布置有一定數量的穩定測量控制點。對於像東海大橋這樣主橋長約28千米的工程，若採用傳統的打樁定位方法進行樁基工程定位則至少需要在海上建造12座穩定的測量平台。據經營部門測算，在類似東海大橋海域建造一座測量平台的造價約為64萬元，12座的造價約為768萬元，船舶調遣及工程結束後測量平台的拆除費用約為116萬元，若按5條打樁船同時打樁計，還需投入全站儀等常規儀器費用約為100萬元。故為完成類似東海大橋樁基工程的施工定位工作，若按傳統測量方法進行定位，則需增加投入近1000萬元。而在一條打樁船上安裝一套"海工工程GPS遠距離打樁定位系統"的投入約為80萬元，一套工法的使用期望壽命為10年，安裝有該工法的打樁船在完成東海大橋樁基工程以後，還可以投入到杭州灣跨海大橋等遠海工程中使用。若將一條打樁船安裝該工法的一次性投入分攤在東海大橋工程中，則投入5條打樁船的費用約為200萬元，比使用傳統方法在一個東海大橋工程中即可節省費用近800萬元。另外，工法不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，可全天候工作，加快了樁基工程施工的進度。
註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
二、社會效益
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》使遠離岸線的打樁定位成為可能，是對傳統定位方法的重大發展。隨著經濟建設形式的高速發展，大量遠離岸線的海工工程的不斷出現，該工法得到了更加廣泛地套用。如杭州灣跨海大橋等也採用了該工法，節省近千萬元。該工法不僅適用於遠離岸線的海工工程，還適用於所有水工工程和橋樑工程的沉樁定位，能保證打樁船全天候施工，不受雨、霧、夜晚及視線遮擋等因素的影響，加快了樁基工程施工的進度，降低了測量工的勞動強度，故於2003年在中交第三航務工程局的十三條打樁船上推廣了該工法。與此同時，行業內部各兄弟單位也陸續採用了該工法進行沉樁定位。
套用實例
《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》的套用實例如下：
- 實例1：東海大橋工程
東海大橋北起於上海南匯區蘆潮港，跨越杭州灣北部海域南至浙江嵊泗縣小洋山，是洋山深水港連線上海市及長三角的主要通道；東海大橋橋線總長約為31千米，沉樁5697根、大小承台626隻。全部採用該工法進行樁基施工。三航局承建東海大橋工程Ⅵ標段，全長15千米、沉樁3355根（均為斜樁）、大小承台372隻，該工程項目工作量大、工期緊、工程質量要求高，施工條件差。樁基偏位：直樁≤25厘米、斜樁≤30厘米，高程控制在0～10厘米。整個跨海段非通航孔與通航孔邊墩中參與評定樁基工程總量為3355根，最終樁位合格率達到95.4%。
- 實例2：杭州灣跨海大橋
杭州灣跨海大橋北起杭州灣北岸嘉興市鄭家逮，向南跨越杭州灣，止於寧波市慈谿市水路灣，全長36千米。工程起點樁號為K49＋000，終點樁號為K85＋000。大橋全程設南、北兩座航道橋，其中主航道橋（北航道橋）設計通航能力為5000噸級。杭州灣跨海大橋按雙向六車道高速公路標準建設，大橋設計時速100千米/小時。
中交第三航務工程局承建杭州灣跨海大橋工程的第Ⅵ契約段，第Ⅵ契約段施工區域位於南航道橋兩側，包括中引橋水中低墩區和南引橋水中低墩區兩部分組成，全長4550米，共67個墩號、134個承台，總樁數為1348根。其中中引橋水中低墩區里程號為K59＋837～K63+267，長3430米，墩號為C84～C133，共50個墩號，100個承台；南引橋水中低墩區里程號為K65＋385～K66＋505，長1120米，墩號為E01~E17，共17個墩號，34個承台。樁基設計值：中引橋鋼管樁樁徑ф1500毫米，樁長79～88米，樁頂標高為＋1.70米，單個承台9根樁，100個承台計900根樁；南引橋鋼管樁樁徑ф1600毫米，樁長85～87米，樁頂標高為＋1.60米，單個承台樁數不等，分別為16根和10根樁組成，計418根樁。樁最大傾斜度6:1，最大平面扭角50°，全部為斜樁。杭州灣跨海大橋Ⅵ契約工程工期從2003年11月15日開工，2006年5月15日完工。沉樁區域距北岸9.9～16.6千米，距南岸更遠，無法採用常規定位方法進行沉樁定位，中交第三航務工程局採用該工法進行沉樁定位，其竣工偏位統計見表2。
序號 | 竣工偏位範圍 | 根 | 比例 | 備註 |
1 | a≤15 | 808 | 59.9% | 允許偏位為40厘米 |
2 | 15<a≤25 | 464 | 34.4% | |
3 | 25<a≤40 | 76 | 6.7% | |
4 | a>40 | 0 | 0 |
- 實例3：上海國際航運中心洋山深水港區中港區水工碼頭工程
洋山深水港區小洋山中港區前期工程位於杭州灣口東北部，上海蘆潮港東南的崎嶇列島海區小洋山島南側岸線，順接已建洋山港一期碼頭的東部，於小洋山鑊蓋塘島與小岩礁島之間。工程所在地東南距大洋山島約4千米，東北距嵊泗縣城菜園鎮約40千米，西北距上海吳淞口約110千米、距上海蘆潮港約32千米，北距長江口燈船約72千米，距寧波北侖港約90千米，向東經黃澤洋直通外海，與國際遠洋航線相距約104千米。洋山深水港區小洋山中港區水工碼頭總長2600米，其中小洋山中港區前期工程水工碼頭1350米，建設規模為四個第五（六）代貨櫃船專用泊位。碼頭總寬66米，由碼頭和接岸結構兩大部分組成，其中碼頭寬42.5米，接岸結構寬23.5米。碼頭前沿線至前沿軌道距離為4米，貨櫃裝卸橋軌距為35米，後沿軌道至碼頭後沿距離為3.5米。
中交第三航務工程局承建中港區碼頭工程Ⅰ標碼頭、Ⅰ標承台、Ⅰ標承台、Ⅳ標承台工程，總計水上沉樁2011根。中交第三航務工程局採用該工法進行沉樁定位，其竣工偏位統計見表3。
序號 | 部位 | 總數 | 0~10厘米 | 10~20厘米 | 20~30厘米 | |||
1 | I標碼頭 | 425 | 14 | 3.29% | 404 | 95.06% | 7 | 1.65% |
2 | I標承台 | 402 | 26 | 6.47% | 336 | 83.58% | 40 | 9.95% |
3 | IV標碼頭 | 550 | 42 | 7.64% | 501 | 91.09% | 7 | 1.27% |
4 | IV標承台 | 634 | 17 | 2.68% | 614 | 96.85% | 3 | 0.47% |
╱ | 總計 | 2011 | 99 | 4.92% | 1855 | 92.24% | 57 | 2.83% |
通過"海工工程GPS遠距離打樁定位系統"在東海大橋工程、杭州灣跨海大橋、洋山深水港工程等數十個大、中型工程沉樁中套用證明：其定位精度均能滿足《水運工程測量規範》JTJ 203—2001的允許偏位值的要求。
榮譽表彰
2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《海工工程GPS遠距離打樁定位工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。
