徕卡120米测距仪(徕卡GPS在海上打桩船施工测量中的应用)

一、前言

2009年7月11日，三航局投资新建的"三航桩18"打桩船正式投入使用。

该船总长71.7米，型宽27米，型深5.2米，桩架高95米， 是目前国内最高的打桩船。最大沉桩桩径可达3米，最大吊重2×120吨，适用于大型跨海桥梁和深水港口大直径打桩施工使用。三航桩18船采用了徕卡GNSS1230+作为打桩系统定位硬件。

二、打桩定位系统介绍

以前打桩船主要用于插打一般工程基础的水泥桩及钢管桩，其定位精度要求较低。而采用大型打桩船插打如此大直径、超长度、大重量的钢桩，这在国内亦少有先例。打桩船以前常用的定位方法，是在三个不同方向上架设经纬仪进行拨角放线、交会测量，定位速度慢，距离较远时定位精度低，需要的测量人员多，且只能白天作业。东海风电项目风电主墩由于插打的桩多，工期紧，加之岸上控制点距主墩较远（14km），若采用常规方法进行定位，在质量及工期上均不能满足要求。在此情形下，采用了"GPS - RTK打桩船导航定位系统"。

"GPS - RTK打桩船导航定位系统"的核心依据是GPS 技术。GPS - RTK技术具有全天候、实时动态、测量精度高、作业距离远等常规测量方法无法比拟的优越性。可全天24 小时作业，不受黑夜、雨天、雾天、大风等气候环境的影响;具有实时动态测量的优点，可实时得到测量结果; 测量精度高，平面可达±(10mm + 1RMS) ;作业距离远，基准站与流动站的距离可达10km 以上。

2．1 　基本原理

导航系统的工作原理是:由三台GPS - RTK流动站作为已知点，通过后方交会方法实时计算未知的钢桩实际中心点的坐标。具体工作过程是:在打桩船的船首、船尾三个不同位置安装三台GPS -RTK流动站，使其与桩位中心形成固定的几何关系(见图3) 。三台流动站分别实时测量船体不同部位的平面位置和高程，这些姿态信息传送到操作舱里的电脑上，通过软件处理，得到钢桩中心的实际坐标，由此推算出钢桩的实际位置距离设计位置的距离及方向，并以图形显示在船舶驾驶员面前的电脑屏幕上，船舶驾驶员实时掌握船体位置与桩体设计位置的关系，按照电脑的引导移动船体，单独完成船体的移动及定位。

图3 系统原理图

2.2 工作流程及设备

1) GPS - RTK基准站1 套。架设在岸边已知控制点上，GPS 接收机用于接收GPS 卫星信号，无线电传输电台用于传送数据给流动站。

2) GPS - RTK流动站3 套。安装在船体甲板上，GPS 接收机各自接收GPS卫星信号，内置无线电接收电台接收基准站传送来的数据。

3) 测斜仪1 台。安装在船体甲板中部，监测船体前后、左右平衡，测量船体倾斜度。

4) Leica OEM激光测距仪（提供RS422串口）2 台。安装在桩架左、右两侧，测量抱桩器左右间距，保证桩体处于桩架中轴线位置。

5) 监听麦克风1 台。安装在操作舱外部，监听打桩锤声音，电脑自动记录锤击数。

6) 工控计算机1 台，显示器4台。安装在操作舱内，采用专用导航软件，接收、传输、处理及记录GPS 数据、测斜仪数据、激光测距仪数据、记录锤击数等。两台显示器用于测量人员监测各项设备运行情况并显示各类参数，包括各GPS 流动站工作状态，桩位设计坐标，桩位实时动态坐标;另2台显示器显示船体及桩位图形给两侧船体操作员，向目标位置导航，引导操作员移动船位。

7) 现场视频监视器1 套。监视摄像头安装在船头龙口位置，连接操作舱内监视器，用于监测现场桩体运动情况。

2.3 专用导航软件的功能

软件采用中交三航局自主开发的GPS远程打桩定位系统软件，其主要功能是采集三台GPS实时的WGS-84坐标，并经软件坐标转换，显示三台GPS的实时洋山独立坐标；根据测距仪得到实时的桩中心与测距仪相对距离，检核计算装架倾斜角度，最后根据船体姿态，和相对关系计算出桩中心位置。为了方便操作人员移动船体，软件显示船体向前，向右移动距离以及扭角差值，并以图形直观显示。另外，此软件还附有监测船体倾斜仪、记录锤击数、显示两台激光测距仪结果等作用。

2.4 系统对设备的要求

☆ 严密的控制测量，静态精度要求高

☆ 水上作业的安全性，仪器防水性、密封性要好

☆ 与其它测量设备联合作业，数据稳定性可靠性要求高

☆ 水上连续高速测量，初始化要快，更新率要高

☆ 带状水域测量，作业距离要远

☆ 作业区域类型多，作业方式灵活

☆ 离开陆地作业，工作进程要有保障

☆ 船上安装仪器，电缆等附件要求高

☆ 测量船途径桥梁等特殊情况时，多种仪器联合解决问题的能力要强

1) Leica GPS按照军标制造，密封性极强，甚至可以水上漂浮，海上测量湿度极大，密封不好仪器使用周期大大缩短，导致成本增加。

2) 船上测量具有船体不稳定的特点，海上风浪比较大，船体形态位置时刻在变化，要求GPS的实时性更高，Leica GPS达到了0.03S的数据延迟，提供真正的实时定位。

3) Leica GPS提供了99.99%的数据可靠性，对打桩来说，及其重要。要知道一根钢桩造价就达到数十万，万一数据出错导致一根桩出现问题，损失可达上百万。

4) Leica GPS提供了30KM电台作业距离，还可以通过中继站提高一倍；70KM GPRS作业距离，对远距离作业带来了极大的方便。普通仪器根本无法进行保证精度的长距离的作业。

5) Leica GPS分体机提供了多达三个的数据接口，数据链使用一个，GGA输出使用一个，还能为船上提供一个端口输出导航数据。

三、系统安装

3、1 测量三台GPS天线位置与桩架上桩位中心间的几何关系

在三台GPS接收机安装完成后，需要测量它们与桩架上桩位中心的相对关系。只有事先已知这些相对关系，才能根据三台GPS 的测量结果实时计算出船体上桩位中心的实时坐标。这项工作采用Leica TS02 Power-2全站仪测量它们之间的距离及角度。另外，也需测量它们之间的高差，以便监视船体的平衡，并随时得知正在插打桩体的高程。为了使测量数据真实可靠，我们选择船在乳山船厂建设过程中进行测量，以保持船体稳定、平衡。

3、2 设定坐标系间的转换参数

项目首先根据已知控制点，进行静态测量，求得各控制点WGS - 84 坐标 。并于洋山独立坐标解算出两坐标系统的三维转换关系，为布尔沙模型七参数，输入软件的工程参数。这些参数事先由项目部测量人员在前期工作中测量计算完成，如果没有也可以通过具有两套坐标的三个以上已知点计算获得。

3、3 测量、设置打桩船有关参数

船体坐标以桩中心到船尾方向为X轴方向，过桩中心的轴线为X轴，以右手法则，经过任意一台GPS垂直X轴方向为Y轴，高程以测距仪激光发出点为高程起点建立船体坐标系。

船型参数测设主要包括，测量时倾斜仪记录船体的姿态，以及三台GPS的船体坐标、测距仪的船体坐标、桩架旋转轴高度和在X坐标，以及桩中心X坐标

测量完成后将参数输入船型参数和设备参数，并修改倾斜仪记录数值，使软件桌面显示GPS测量船体倾斜和倾斜仪测量船体倾斜值一致。

四、打桩船导航定位的作业过程

东海风电项目位于上海洋山港，举世闻名的东海跨海大桥边，流速非常急，且流速、流向随每日两次潮水涨落改变，过往大型船舶造成的涌浪不停，这些均影响打桩船定位时的稳定性。在此情形下，为了保证钢桩插打时的平面位置及垂直度达到要求，结合施工区域水情，制订了一套有针对性的钢桩定位及插打方案。

4、1 由GPS 导航定位系统进行定位， 用全站仪进行垂直度校准

平面位置偏差及垂直度是钢桩插打质量的关键指标。打桩船起吊钢桩时，钢桩由水平位置逐渐倾斜转变为竖直状态，顶部进入桩帽内固定，下部由抱桩器固定。然后由GPS - RTK系统导航，缓慢移船到桩位设计位置，当导航系统显示桩体平面位置达到设计精度要求后，稳定船体，收紧全部锚绳。为了保证钢桩的垂直度，采用两台全站仪从不同方向对其进行观测校准，并采取调整桩架前后倾斜度、左右船舱注入平衡水及调整抱桩器左右间距的方法使垂直度满足要求。

4、2 下桩入水到河床面，第二次调整平面位置及垂直度

在平面位置及垂直度均满足规定要求后，下桩入水。这时考虑水流冲击对桩体的作用力，注意收紧水流冲击侧锚绳，并适当给予一定的预偏量。在桩底接近海底时，再次观测护筒平面位置及垂直度。两项指标均满足要求，快速下桩入泥，桩体靠自重压力进入海底。

4、3 监测垂直度，记录锤击数及贯入度

待桩体依靠自重停止下沉后，开启打桩锤，并随时监测垂直度，防止垂直度超标。洋山海底地质条件差异较大，锤击数一般在5000 次以上，最多达8000 次。

4、4 监测钢桩高程，达到设计高程后及时停止

在桩体接近设计标高时，应随时观测桩体贯入度，保证钢桩顶面高程达到±2cm。

五、钢桩的插打质量检测及统计分析

为了检验插打的定位质量，采用RTK对其施工的钢桩进行了检测。平面位置检测方法是在钢桩的顶面任意选取三点，测量其坐标，然后在AutoCAD 上采用三点画圆方法求得其中心坐标;垂直度的检测采用超声波测孔仪进行。结果表明桩位的平面偏差及垂直度均满足设计要求。

Leica GPS系统在"三航桩18"上表现出了卓越的性能，在海面条件下、船上桩架林立、控制室外各种无线电设备干扰的情况下，leica GPS依然搜星快速，跟踪卫星信号稳定，接收基站差分信号稳定，从没出现数据链断链的情况，为打桩船定位提供了稳定可靠的硬件支持！