北斗打樁系統(tǒng)在旋挖樁機(jī)上的安裝和應(yīng)用

郭軍海 熊 濤 彭 杰 賀春梅 洪啟田

(1.武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430050； 2.武漢華創(chuàng)北斗技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著北斗三號衛(wèi)星的逐漸完善，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)取得了較為明顯的發(fā)展。北斗打樁系統(tǒng)是GNSS定位領(lǐng)域應(yīng)用于樁基施工設(shè)備定位的一大重要創(chuàng)新，該系統(tǒng)由GNSS定位設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、移動顯示終端及樁端上安裝的打樁軟件系統(tǒng)組成。目前，在樁基施工領(lǐng)域靜壓管樁機(jī)、錘擊管樁機(jī)、三軸攪拌等施工設(shè)備上，已經(jīng)成功安裝北斗打樁系統(tǒng)，但在國內(nèi)主流樁基施工設(shè)備——旋挖鉆機(jī)上，尚未實現(xiàn)安裝。解決北斗打樁系統(tǒng)在旋挖樁機(jī)的定位安裝問題，實現(xiàn)該系統(tǒng)在旋挖鉆機(jī)上的實際應(yīng)用，具有重要的工程價值和意義。

1 旋挖設(shè)備安裝北斗云打樁系統(tǒng)的可行性分析

采取室內(nèi)查閱相關(guān)資料及設(shè)備模型圖片、室外在實際施工現(xiàn)場對旋挖鉆機(jī)、靜壓管樁機(jī)、三軸攪拌樁設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行對比分析，對北斗打樁系統(tǒng)在旋挖設(shè)備上安裝的可行性進(jìn)行了分析。

對三軸設(shè)備、靜壓管樁機(jī)、旋挖鉆機(jī)(如圖1所示)進(jìn)行對比分析，主要區(qū)別如下：1)正常工作時，機(jī)身震動幅度不同。靜壓管樁及三軸施工設(shè)備動力系統(tǒng)采用外電或發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，機(jī)身震動小，噪聲低；旋挖設(shè)備動力系統(tǒng)來自內(nèi)置柴油機(jī)，鉆機(jī)工作時機(jī)身震動較大。2)放樣過程中，在機(jī)身上尋找與鉆孔中心(設(shè)計樁中心)位置關(guān)系相對穩(wěn)定的固定點難易程度不同。在靜壓管樁及三軸施工設(shè)備上，北斗打樁系統(tǒng)的雙天線接收機(jī)均安裝在機(jī)身平臺上，雙天線位置確定后，其與鉆孔中心的位置將形成穩(wěn)定的三角模型關(guān)系，通過測量確定模型的幾何參數(shù)，并輸入到操作終端上，利用預(yù)先編制好的測量程序，即可完成鉆孔中心的定位；而旋挖鉆機(jī)鉆桿附著在鉆機(jī)大臂上，鉆機(jī)大臂與機(jī)身通過動態(tài)變幅機(jī)構(gòu)上的兩個油缸連接，鉆機(jī)在進(jìn)行成孔時，油缸可以根據(jù)鉆機(jī)和樁位的實際位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致鉆桿中心相對于機(jī)身的位置無法固定。為了實現(xiàn)在旋挖鉆機(jī)上安裝北斗云定位打樁系統(tǒng)，通過對設(shè)備特點的對比分析，發(fā)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)鉆桿是附著在鉆機(jī)大臂上，通過導(dǎo)向架、滑軌及動力頭實現(xiàn)打樁功能；鉆桿及鉆頭中心只相對于大臂是穩(wěn)定不變的，只有將GNSS雙接收機(jī)通過一種固定裝置安裝在大臂上，才可實現(xiàn)北斗定打樁系統(tǒng)在旋挖機(jī)上的安裝。

2 安裝方案的確定

通過設(shè)備特點的分析，提出將雙天線直接安裝于大臂上、通過輔助定位裝置安裝于大臂后頂端、中端和底端四種安裝方案，并最終從安裝部位、安裝難度、運行穩(wěn)定性、定位精度等方面進(jìn)行了評估，最終確定的最佳方案是將接收天線安裝于大臂后頂端(見圖2,圖3)。

3 安裝步驟

3.1 基準(zhǔn)站設(shè)置

基準(zhǔn)站設(shè)置安裝步驟比較簡單，涉及設(shè)備包括基準(zhǔn)站接收機(jī)、電臺天線、基準(zhǔn)站GNSS天線。

3.2 托架安裝

在鉆機(jī)大臂后頂端轉(zhuǎn)向接頭下部位置，將托架采用焊接方式固定在大臂上。托架由1塊水平托板(600 mm×120 mm×8 mm)、4塊三角形綴板(200 mm×120 mm×8 mm)、1塊焊接立板(600 mm×200 mm×8 mm)焊接組成，支撐托架通過立板上6個φ30焊接孔與鉆機(jī)大臂焊接。

3.3 定位架安裝

如圖4所示，測量接收天線定位架由3根矩形方管焊接拼制而成。矩形管頂面上端部中心位置鉆設(shè)測量天線螺桿固定孔、螺桿出入孔、天線出入孔；矩形管側(cè)面鉆設(shè)鋼絲繩出入孔，天線出入孔。通過螺桿將測量接收天線定位架與支撐托架連接，兩側(cè)的三角形綴板上鉆有鋼絲繩出入孔，該孔與在矩形管側(cè)面正面鋼絲繩出入孔配套使用，保證固定桿發(fā)生意外情況時不會直接跌落地下傷人，而是被鋼絲繩活性連接，懸掛在支撐托架上，形成保護(hù)。

3.4 樁基模型測量

在鉆機(jī)鉆桿垂直度調(diào)整完畢后，采用全站儀開始樁基模型測量，求得模型參數(shù)，求得定位架上兩個主、副天線螺桿固定孔和樁機(jī)鉆桿中心的幾何位置關(guān)系。

3.5 移動站雙天線安裝

樁基模型測量完畢后，卸下棱鏡，換上雙天線，分別用兩根線纜連接雙天線和室內(nèi)接收機(jī)，完成移動站設(shè)置，具體見圖5。

3.6 顯示終端電源的供給

通過聯(lián)系旋挖設(shè)備廠家，將設(shè)備操作室的收音機(jī)電源與UPS不間斷電源連接，通過該電源向雙天線接收機(jī)持續(xù)提供12 V電壓供電。

3.7 利用終端進(jìn)行測量定位

通過顯示器終端與移動站接收機(jī)連接，利用北斗打樁系統(tǒng)軟件導(dǎo)航鉆機(jī)完成樁位放樣。

4 具體實施項目

4.1 項目情況簡介

武漢某樁基工程項目樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁數(shù)1 890根樁，工期90 d，共計投入11臺旋挖鉆機(jī)，單機(jī)工作效率2根/d，總工期90 d。該項目工期緊，施工投入設(shè)備多，樁基測量放樣采用全站儀進(jìn)行測量放樣，投入2個測量班組，每組2人。通過對在該項目上施工的1臺旋挖鉆機(jī)(設(shè)備型號徐工XR-280)進(jìn)行設(shè)備分析，成功安裝了北斗打樁系統(tǒng)。

4.2 效果檢查

系統(tǒng)安裝后，通過對操作手進(jìn)行簡單培訓(xùn)，由操作手利用顯示終端進(jìn)行樁位放樣，共計放樣樁位約100根，通過與全站儀測量結(jié)果對比，系統(tǒng)測量精度滿足施工要求，完成了北斗打樁系統(tǒng)在旋挖鉆機(jī)上安裝使用的目標(biāo)。測量人員對該系統(tǒng)護(hù)筒定位的耗時進(jìn)行了統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用該系統(tǒng)進(jìn)行護(hù)筒定位的平均時間為0.9 h/根，而采用全站儀進(jìn)行護(hù)筒定位的平均時間為2 h/根(含二次復(fù)核)，每根樁節(jié)約近1.1 h，大大縮小了單樁的測量放樣和二次復(fù)核時間，提高了測量放樣的效率。

由圖6樁位放樣結(jié)果可看出，D92樁放樣精度為向左0.01 m，向后0.004 m，放樣精度符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過具體項目的實踐，雖在旋挖設(shè)備上安裝北斗打樁系統(tǒng)，實現(xiàn)了直接在旋挖設(shè)備上“自動放線”功能，具有一定的可操作性，但系統(tǒng)仍存在下述待解決和注意事項：

1)該系統(tǒng)僅解決了樁位平面放樣，但高程受設(shè)備自身特點的限制，仍然無法直接測量，后續(xù)仍有較大的研究空間。2)旋挖設(shè)備利用北斗打樁系統(tǒng)放樣時，大臂必需保持垂直狀態(tài)才能完成，一旦傾斜，則系統(tǒng)只能導(dǎo)航大概方位。但鉆機(jī)在垂直狀態(tài)行走時，安全隱患較大。3)隨著旋挖鉆機(jī)使用年限增加，設(shè)備老化，各配件間隙加大，在樁基模型參數(shù)測量時，須確定鉆機(jī)自身垂直度是否滿足安裝北斗打樁系統(tǒng)的要求。4)目前北斗打樁系統(tǒng)接收的信號并非只有北斗信號，系統(tǒng)可同時接收GPS和GLONAS信號。