大型橋墩群樁鋼護筒三維姿態測量方法研究

張　健　（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

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大型橋墩群樁鋼護筒三維姿態測量方法研究

張健（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

大型橋梁工程中鋼護筒的精確定位極為重要，因此需要精確測定鋼護筒圓心、直徑以及傾斜度。文章提出通過斜率推算鋼護筒中心位置坐標的方法，并且結合工程實例，發現用該方法測定的鋼護筒中心位置坐標偏差都在0.05m內，滿足工程實際需求，驗證了該方法的正確性和可靠性。

鋼護筒；斜率；圓心；直徑；傾斜度

1　概述

在橋梁工程建設中，水中橋墩承臺一般采用鋼吊箱施工工藝[1-3]。即采用鋼吊箱作為施工環境的臨時圍水結構物，同時作為承臺混凝土澆筑時的側面模板。鋼吊箱下放時底板需要預留橋墩群樁鋼護筒位置并開孔，精確測量橋墩群樁鋼護筒三維姿態，是定位開孔的關鍵。當開孔尺寸過小時，鋼吊箱就無法順利下放到指定位置。反之開孔尺寸過大時，鋼吊箱與鋼護筒之間空隙較大，影響混凝土底板澆筑。因此需要精確進行鋼護筒圓心定位、直徑測量、傾斜度測量[4]；通過鋼護筒三維姿態計算開孔位置；最后進行群樁鋼護筒坐標與鋼吊箱坐標轉換，并進行開孔放樣。本文提出通過斜率推算鋼護筒中心位置坐標，進而計算截面的直徑，為后續施工做準備。

2　鋼護筒三維姿態的測定

大型橋梁工程基礎部分施工主要是灌注樁的施工，而灌注樁則是在鋼護筒中進行的，因此，鋼護筒的精確定位就顯得極為重要。鋼護筒的定位由導向架的精密放樣來控制，導向架的放樣采用極坐標法。對打入江中鋼護筒的中心位置要及時檢測，以保證施工精度。測量出鋼護筒的圓心坐標以及傾斜度，計算得到鋼護筒在鋼吊箱底板上最大投影包絡輪廓，從而可以在鋼吊箱底板上確定開孔位置。

2.1圓心坐標測定

在大型橋梁基礎部分施工中，經常要對就位后的鋼護筒的中心位置進行檢測。而這些構筑物中心位置的坐標一般均由設計單位給出，為保證工程質量，對施工后的鋼護筒中心位置要及時進行檢測，與設計坐標進行比較，其偏差應滿足規范或設計要求。鋼護筒打設后的中心位置無法直接進行測量，一般采用測量圓周上三點坐標計算圓心坐標的間接方法進行中心位置的確定。隨著GPS-RTK及高精度全站儀在大型工程中的普遍使用，采用GPS-RTK或高精度全站儀[5]測量鋼護筒邊緣上的三點坐標進行中心位置坐標的計算，精度高，速度快。

不在同一直線上的三點可以唯一確定一個圓，如圖1，測量圓形構筑物上的任意三點坐標，設為（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3）圓心的坐標為（XO，YO）。弦12的中心坐標為（X4，Y4），弦23的中心坐標為（X5，Y5），由圓的弦的性質可知：弦12與弦23垂直平分線的交點即為圓心。

圖1　鋼護筒截面圖

由圖1可知：

設弦12的斜率k12，弦12的垂直平分線斜率為k4O，弦23的斜率k23，弦23的垂直平分線的斜率為k5O，由1、2、3點的坐標可以求出弦12和弦23的斜率：

利用兩條線垂直，它們的斜率乘積為-1的性質可知：

同時，可以由4、5點以及圓心O的坐標求出弦12的垂直平分線斜率k4O和弦23的垂直平分線斜率k5O。

整理（3）、（4）式以矩陣形式表示，得出（5）式。

進一步整理（5）式，得到（6）式。

公式（6）即為通過已知三點坐標，利用弦的斜率求解鋼護筒中心位置坐標的計算公式。

2.2直徑測定

本文2.1中已經得到測定鋼護筒圓心坐標的方法，得到的圓心的坐標為（XO，YO）。設O1的距離為lO1，設O2的距離為lO2，設O3的距離為lO3，則：

為了使求得的直接更加接近真實值，將求得3個半徑取平均值，可得鋼護筒直徑L為：

2.3傾斜度測定

在建筑物內有供掛錘線的上下通道和專用設備等條件時，可在通道的頂部或需要觀測的高度設一支點，錨固直徑0.6～1.2mm的不銹鋼絲，鋼絲下端連接一個與錘線相適應的錘球，在通道底層地板上固定一油桶，內裝粘性小、不冰凍的液體，將錘球放在油桶內使鋼絲拉緊、穩定成為垂線。觀測時，由底部觀測墩上安置的量測設備（如坐標儀、光學垂線儀、電感式垂線儀），按一定周期測出各測點的水平位移量。由于鋼護筒下面部分深埋在水底中無法觀測，通常是測量水面以上部分。在橋梁工程測量鋼護筒的傾斜度時，觀測鋼護筒的頂高，頂平距以及底高、底平距。設鋼護筒頂高為a，頂平距為La，底高為b，底平距為Lb。傾斜度為e。則有：

由式（11）可以方便快速的測量出鋼護筒的傾斜度。

3　實例分析

某個大型橋墩群樁底板安裝時需穿過42根φ2.8m和中部2根φ1.2m的鋼護筒（如圖2）。為了能夠讓鋼吊箱順利就位，需要對鋼吊箱底部開孔。開的孔大固然能夠讓鋼吊箱順利就位，但是在后續向鋼吊箱澆灌混凝土過程中，因為鋼護筒和鋼吊箱之間的縫隙，導致浪費大量的混凝土，而且需要大量人力去填補縫隙。當開的孔過小時，就會影響鋼吊箱平穩下沉、無法到達指定位置，從而影響后續工程施工的展開。

圖2　大型橋墩群樁鋼護筒

在大型橋梁基礎部分施工中，經常要對就位后的鋼護筒的中心位置進行檢測。而這些構筑物中心位置的坐標一般均由設計單位給出，為保證工程質量，對施工后的鋼護筒中心位置要及時進行檢測，與設計坐標進行比較，其偏差應滿足規范或設計要求。取10根鋼護筒做實驗，采用本文方法測定鋼護筒的中心位置，并與設計單位給出的鋼護筒中心位置的坐標比較，如表1。

實測值計算的坐標與設計坐標的差值（單位：m）　表1

實際工程中，要求坐標偏差要小于0.05m，由表1可知，用本文方法測定的鋼護筒的中心位置坐標都是在限差范圍內。

4　總結

精確測量橋墩群樁鋼護筒三維姿態極為重要。本文通過斜率推導出計算鋼護筒中心位置坐標的計算公式，并結合工程實例，計算出鋼護筒的中心位置坐標與設計單位給出的鋼護筒中心位置的坐標進行對比，發現X、Y方向偏差都小于0.05m，滿足實際工程的需求。證明了本文方法的正確性和可靠性。

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U443.22

A

1007-7359(2016)03-0165-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.060

張健（1985-），男，安徽合肥人，畢業于合肥工業大學，學士，助理工程師。