关键词：钢管复合桩、“T形定位法”、高精度。
1工程概况
鱼山大桥主体工程连接舟山本岛及岱山岛，是舟山国际绿色石化基地对外连接的唯一陆上交通干道。项目起点桩号K0+000，终点桩号K8+815，全长8815m。项目线路海域属岱衢洋，岛礁杂乱分布，暗流涌动，环境条件比较复杂。海洋潮汐属非正规半日潮，潮流以往复流为特征，潮差达到2～3米，海面高程一般在-1.5～1.5m之间。最大风速35m/s，极大风速大于40m/s，平均年大于6级的大风天气达到60天。海床面呈峡谷状，两边高中间低，海床面高程一般在-2～-20m，海底主要以基岩和泥质海岸为主。
2钢管复合桩设计
(1)本项目12#～111#墩、113#～114#墩采用钢管复合桩，共有钢管复合桩152根，最大桩径5.0m。整个桩身分为两部分：有钢管段和无钢管段，有钢管段的桩径、长度根据地质条件、结构受力、沉桩能力、施工期承载等综合确定。
(2)钢管复合桩桩径及钢管壁厚如下表所示，钢管厚度不得小于表格中的厚度。钢管复合桩外侧的钢管与混凝土共同参与受力，为了确保钢管和混凝土之间能够较好的协同受力，在钢管壁焊接凸起的剪力板，确保混凝土与钢管之间协同受力。
(3)钢管（桩基）顶面设计标高+2.0m，考虑到潮水的影响，施工时钢管打设高度控制在+5.0m。由于外侧的钢管与混凝土共同参与受力，所以对桩基的平面定位精度要求更加严格。图纸中规定对于单桩基础，钻孔桩桩顶中心位置偏差不得大于3cm；对于群桩基础，钻孔桩桩顶中心位置偏差不得大于5cm。孔径不得小于设计桩径，倾斜度不得大于1/200。
3传统定位方法
由于鱼山大桥项目图纸对桩基中心偏差的精度要求比较高，结合施工现场海床高程的实际情况，本项目选择了3种桩基钢管定位方法，分别为导向架定位法、打桩船钢套筒定位法以及切角交会法，针对不同的海床深度分别采用于不同的方法进行施工。
3.1导向架定位法
鱼山大桥项目岱山侧1～26#桩基位于浅覆盖层区域，水深较浅不能满足打桩船的作业要求，钢管平面定位采用双层导向架进行平面及垂直度的控制。首先在桩基四周使用钢管桩搭设施工平台，平台顶面高出最大潮汐水位线。然后在平台顶部安设双层导向架，用全站仪对导向架的限位标记进行测量，计算调整值，用于控制桩基钢管的平面位置。在确保全站仪架设控制点精度的情况下，该方法平面定位精度可以得到有效的保证，但是该方法需提前使用钢管桩搭设导向架安装平台，施工功效低，并且增加了施工成本投入，只适用于浅水区使用。
3.2打桩船定位法
(1)鱼山大桥项目选用“雄程1号”打桩船，船长78米，型宽36米，型深6.2米，架高达128米，总载重6267吨，是世界上第一艘无限港区的128米打桩船。该船最大能施打直径5米、单桩重量450吨的钢管桩。
(2)“雄程1号”打桩船上配备有一套徕卡的全球导航卫星系统（GNSS），通过在岸上架设基准站，利用船体甲板上呈三角形安设的3台GNSS接收机，接收基准站传输来的信号，对钢管的实际中心点坐标位置进行计算和定位。三台GNSS接收机实时获取的三维坐标，传输至控制室内的打桩船平面控制系统，计算船体当前的姿态，推算出钢管的实际位置距与设计位置的偏差值，并以在屏幕上以几何图形实时显示，指导驾驶员控制船体移动钢管到设计位置。
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(3)“雄程1号”所使用的Leica GNSS接收机系统精度10+1ppm，理论上满足本项目图纸中对桩基中心偏差的要求，但是受施工区域环境的影响，无辅助设施情况下打桩船的精度最多只能达到8cm的平面定位精度。为了提升桩基的平面定位精度，达到图纸中对桩基中心偏位精度的要求，打桩船使用钢套桩作为辅助手段，钢管打设前先利用打桩船的GNSS系统打设钢套桩，然后在钢套桩内打设钢管。钢套筒直径5.5m，顶部设置有四个导向限位装置，类似于导向架的平面限位装置 。然后测量钢套桩顶部的四个限位装置前端的坐标，通过计算求出端点到钢管外缘的距离，钢管下沉至钢套筒内一定的长度后，通过调整四个限位装置的距离来控制钢管的平面位置。使用该方法平面定位精度与导向架控制精度基本一致，但是该方法存在的问题是每打设一根钢管，都需要打设和拔出一次钢套桩，在环境不影响的情况下，每次需要增加6～8小时。
3.3仪器辅助定位法
为了提升桩基钢管的打设效率，同时保证钢管的平面定位精度，深水区采用打桩船常用的方法，在钢管三个不同的方向上架设经纬仪进行拨角切边、交会测量。经过试验发现由于项目位于无遮挡海域，受风力、潮汐作用钢管左右有20cm范围的摆动，使用切边控制精度满足不了桩基平面3cm的定位要求。
4.“T型定位法”原理
(1)在早期进行水中桩基定位时，受条件的限制，经常使用经纬仪切角的方法进行桩基的平面位置控制，该方法如下图所示：
当仪器分别在B、C点进行设站，采用偏角视线法进行钢管的平面控制时，由于C点往往距离桩基距离非常近，仪器操作人员观测到的情况不全面、不直观，导致发出的指令误差偏大，钢管平面定位完成后经分析，在上图中左右方向的偏差要远远大于前后的偏差，如下表：
(2)通过对偏角法中影响精度的因素进行总结和分析，考虑打桩船在外部环境的影响下稳定后，钢管左右摆幅可控制在±20cm，直径5m的钢管摆动对距离的影响最大误差为8mm，满足平面精度控制要求。定位时使用偏角法对钢管进行初步定位，再用测距的方法精确控制钢管平面位置。
(3)本项目平面控制点布设在周围的岛屿上，岛屿距离栈桥比较远，无法直接使用全站仪进行监控点加密，监控点加密使用Leica GNSS接收机使用内置的3D CQ程序精确获取坐标。加密点布设完成后，使用Leica TS60全站仪对加密的控制点全数进行复核，确保复核后的平面坐标中误差可以控制在±5mm范围内，垂直中误差可以控制在10mm范围内，满足加密控制点的使用要求。
(4)在进行钢管桩平面定位时，A、B点架设具有免棱镜功能的高精度全站仪，C点架设经纬仪，并在地面安置激光测距仪。打桩船将钢管复合桩运输到位后，首先利用B点和C点架设的仪器采用切边法对钢管复合桩进行初步定位，将其平面偏差调整至±20cm左右。然后利用A、B点的全站仪和C点地面安设的激光测距仪通过距离控制对钢管复合桩进行平面的精确定位。在定位的过程中需要实时观测钢管复合桩的垂直度，随着钢管复合桩入水深度的增加，船体承受的重量变小、浮力增大，导致钢管复合桩向船体方向倾斜，钢管复合桩打设前需提前预留好偏移量，并及时调整打桩船的姿态，预防船体将钢管带偏。
(5)采用“T形定位法”造成平面位置定位偏差主要由加密控制点误差、外部环境造成照准点位置误差以及钢管加工及运输过程的误差构成。经统计加密控制点的误差一般控制在5mm，照准点位置造成的误差一般控制在8mm，钢管加工及运输造成的变形误差经统计可控制在10mm，根据误差传播公式计算，理论误差满足钢管平面定位精度的要求，在施工过程中通过对钢管平面定位精度的检测，验证了钢管平面定位精度全部满足设计精度的要求。
结论
海上桩基平面精度控制，受条件限制各种常规测量方法存在一定的局限性， “T型定位法”通过采用分级控制模式，以高精度测距仪器采用非接触式测量手段，以距离控制为主、传统的角度切边控制为辅相结合的控制方法，对桩基的平面定位进行全方位的控制。提高了平面定位的稳定性和准确性，降底了定位过程中的误差，可以保证钢管复合桩定位精度满足要求。
参考文献：
[1]张正禄，工程测量学，高等学校测绘工程专业核心课程规划教材，武汉大学出版社，2013.
[2]程效军、鲍峰、顾效烈，工程测量学，普通高等教育本科国家级规划教材，同济大学出版社，2016.
论文作者:姚正豹
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷第20期
论文发表时间:2020/1/16
标签：钢管论文; 桩基论文; 平面论文; 精度论文; 误差论文; 偏差论文; 位置论文; 《建筑实践》2019年38卷第20期论文;