《海工工程GPS远距离打桩定位工法》首先以GPS作为基本定位仪器对打桩船进行定位。在此基础上。配合辅助测量设备对施打

桩的桩位进行精确定位，以提高系统的定位精度。它具有如下几个主要功能和特点。

1.能实现离岸（或离GPS参考台）20千米左右的工作距离，常年有效工作距离在10千米以上。

2.实现定位过程中数据的自动化处理。即打桩定位过程中的桩中心平面位置的定位、桩顶标高的控制及贯入度的计算等一系列实时定位信息的处理均由工法自行完成。

3.定位过程将原来的由岸上测量人员来指挥驾船人员进行移船操作，改为由移船操作人员直接根据计算机屏幕的显示或提示自行完成移船定位操作。减少定位过程的中间环节。提高移船定位操作的直观性和便利性。

计算机屏幕能同时以图像及数字的形式反映出施打桩的设计位置及该桩的主要设计参数（包括设计的桩中心坐标、桩顶标高、平面扭角、倾斜度等），以及停锤标准（包括标高控制标准和贯入度控制标准）和当前施打桩的实时位置及主要实时参数（如桩中心坐标偏差、桩顶标高偏差、平面扭角偏差、实时倾斜度、实时贯人度等），便于操作人员进行对照比较，调整船位，准确定位。

4.具有较高的定位精度。根据理论估算，平面定位精度可达5厘米以内，满足规范对相应条件下打桩定位允许偏位的要求。

5.打桩结束后，计算机将能提供一份标准格式的打桩记录表。

6.按该工法操作，可以不受雨、雾、夜晚及视线遮挡等因素的影响，可全天候工作。

采用传统的经纬仪或全站仪进行沉桩定位的方法仅适用于1～2千米测距范围内，对于远海打桩工程，传统的搭设测量平台无论是在定位精度还是在定位的时效性上都存在着问题。随着海洋工程的不断发展，大量的远海打桩工程不断出现，这就要求开发研制适用于远海工程施工的打桩定位系统，以适应工程建设发展的需要。

全球卫星定位系统（GPS）在2005年前有了很大的发展。截至2005年，GPS的实时相位差分技术（RTK）已使远至10~20千米的测量定位精度达到厘米级，数据采集率和获得测量成果的实时性都很高。因此，利用GPS技术，辅助以其他测量手段和计算机技术，开发适用于远海工程施工，且具有一定自动化程度的精密的"海工工程GPS远距离打桩定位系统"已成为可能。

为满足现代工程建设需要，并根据远海工程施工的特点，中交三航局有限公司2002年研制成功了"海工工程GPS远距离打桩定位系统"。中交第三航务工程局在东海大桥、杭州湾跨海大桥、洋山国际航运中心等建设工程中应用"海工工程GPS远距离打桩定位系统"的基础上，不断总结，形成了《海工工程GPS远距离打桩定位工法》。

海工工程GPS远距离打桩定位工法适用范围

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》适用于所有水工工程和桥梁工程的沉桩定位，尤其是海工工程远距离打桩定位。

海工工程GPS远距离打桩定位工法工艺原理

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》的工艺原理叙述如下：

一、设备及精度

采用GPS RTK、无棱镜测距仪、精密测倾仪等先进技术与设备，结合专门开发的打桩定位计算机软件。实现了实时、主动的船身和桩身位置的精确计算。突破了传统的经纬仪或全站仪定位方法必须要求通视的限制，使水上精密打桩定位的离岸距离达到20千米以上。大大提高了施工效率，最大限度地减轻了劳动强度。

1.GPS系统及应用

经过20多年的发展，截至2005年，GPS及RTK定位技术被作为一项非常重要的技术手段和方法，已经在测绘、工程施工等各种测量领域中占据重要地位，并替代了大部分的常规测量。

GPS采用差分技术提高定位精度。通过差分技术，可以有效地消除卫星信号的各种误差，使相对定位精度达到2~3厘米。GPS RTK定位技术是采用数传电台，将参考站的卫星数据实时传送到流动站，可以实现实时高精度定位。

2.无棱镜测距

随着激光测距技术的发展，截至2005年，无棱镜测距技术也有了迅速的发展，测距精度可以达到1~3毫米。

3.精密测倾仪

精密测倾仪是一种高精度的倾斜传感器，一般可以测定诸如船身或桩架等对象的纵横倾斜，其精度可达到0.05°。

二、船体位置与姿态确定

打桩定位的结果是要测定桩身的位置、方位和倾斜度，由于不能将GPS天线直接安装在桩身上，因此为实现对桩身的定位和定向一般在打桩船上安装两台或三台GPS RTK接收机（流动站）、一台测倾仪以确定船体的位置和姿态，以确定船体的位置与姿态。当同时安装三台GPS和一台船体测倾仪时，由三台GPS RTK数据计算的船体倾斜可以与测倾仪测定的船体倾斜数据进行比较和检核。

如图1中所示，坐标系统O-XYZ对应的是三维船体坐标系统，假设船体的纵倾和横倾分别为α和β，首先绕X轴顺时针旋转β角，得到坐标系XY"Z'，该坐标系绕Y"轴逆时针旋转α得到过三维船固坐标系原点且位于水平面的坐标系统O-X"Y"Z"，称该坐标系统为瞬时船体水平坐标系统，该坐标系统的平面坐标与工程坐标系统存在平移、旋转的关系。

三维坐标系统之间的旋转矩阵分别为：

旋转角为从各个旋转轴的正向看，逆时针旋转角为正，顺时针为负。

由三维船固坐标系统O-XYZ转换到瞬时船体水平坐标系统O-XYZ的转换矩阵为：R=R_X（-β）·R_Y（α）。

工程坐标系统xoy与瞬时船体水平坐标系统XOY之间的关系式为：

三、船体坐标系与GPS坐标系实时转换

由于打桩船上设备位置和桩中位置是根据船体坐标系进行计算的。而RTK GPS的坐标一般为WGS84或工程坐标系坐标，需要进行实时转换。

船体坐标系统与工程坐标系统都是平面直角坐标系统，将（X_B，Y_B）转换为（X_P，Y_p）的计算公式：

公式中的2个平移参数（△X_p，△Y_p）和1个旋转参数（α_BP）需要根据GPS实时定位结果计算。

通过这一计算过程，可以建立起GPS与船体之间的坐标转换关系。从而可以实时地将通过测距仪测定的桩身在船体坐标系中的位置转换到GPS或进一步转换到工程坐标系中。

海工工程GPS远距离打桩定位工法施工工艺

• 工艺流程

采用《海工工程GPS远距离打桩定位工法》进行打桩定位时，一般需要经过三个阶段。第一阶段为建立坐标系统转换关系，第二阶段为打桩系统参数设置，第三阶段为实时打桩定位。

• 操作要点

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》的操作要点如下：

一、建立坐标系统转换关系（图2）

这一阶段的主要工作是，根据设计的坐标系统，建立GPS首级控制网，并根据已知的控制点坐标计算GPS坐标系统与施工坐标系统之间的转换关系。

在建立坐标系统之间的转换关系时，对特大型桥梁等大型施工项目，一般应采用参数转换模型，对较小规模的施工工程还可以采用平面转换模型。应当注意的是，不管采用何种模型，已知控点的精度和分布对最终的定位精度有很大的影响，应尽可能使已知点分布均匀，所有已知点覆盖的面积应大于施工区域总面积的1/2以上。

转换关系建立后，应对坐标系统转换关系进行必要的检核。具体方法是，对第一根或开始几根桩在施打时同时采用常规测量和 GPS打桩定位两种方法，两者相互检查。如果两种定位方法结果的差异在误差允许范围以内，则说明坐标系统转换正确，否则应查明原因，直到检核一致后才可以采用单独的GPS定位方法进行打桩。通过这一检核，还可以检查GPS打桩系统的其他参数的正确性。

二、打桩系统参数设置

打桩系统参数包括坐标转换参数、船形参数、设备参数和桩参数。其中坐标转换参数由上述中计算得到，可以是参数转换或平面转换参数。船形参数和设备参数在系统安装时测定，对同一条打桩船来说.这两项参数一般情况下不会改变。因此，除非系统设备的安装位置有所变化，否则这两项参数不需要重新测定和设置。

三、实时打桩定位

实时打桩定位包括6个步骤，选择当前桩号、定位、坡比、开始打桩、暂停打桩、结束打桩。

1.选择当前桩号

对话框中，定为系统要求选择当前施打桩的桩号、输入当前桩的实际坡比和当前施打桩的打桩模式。系统在完成选择当前施打桩号后，在计算机的平面定位显示屏幕（系统辅助屏幕）上将标出当前桩号位置，同时，将自动进入"移船"工作状态。此时必须至少有两台GPS处于正常工作状态，而两台测距仪暂停工作。无论当前桩的打桩模式是"精密定位"模式还是"标准定位"模式，都是以标准桩中位置计算实时桩中坐标。

2.定位

在当前施打桩基本就位进行精密定位时，在系统子菜单中选择"定位"功能项。此时，系统将检查当前桩的打桩模式。若打桩模式为"精密定位"模式则系统将打开水平测距仪，并开始精密定位。否则，系统按"标准定位"模式进行定位，此时，水平测距仪处于关闭状态（图3）。

3.坡比

由于多种原因，在的定位和施打过程中，桩的倾斜坡比可能会发生变化。此时，若不对这一变化加以改正，则可能会影响到定位精度。子菜单项中的"坡比"项就是用于修改实际桩坡比的。桩的实际坡比在打桩过程中可根据需要随时修改。

如果系统在桩架上安装了测倾仪，一般不需要人工改变坡比。

4.开始打桩

当打桩开始时，操作者应及时用鼠标点击此子菜单项中的"开始打桩"控件，以便系统开始记录并处理有关的打桩数据（图4）。

在当前桩的打桩模式为"精密定位"模式时，此时GPS、水平测距仪、测倾仪及锤击计数器都处于工作状态，在主计算机屏幕和辅助计算机屏幕上将分别实时显示各类状态数据和控制数据。

在当前桩的打桩模式为"标准定位"模式时，两台水平测距仪不工作，桩中坐标根据标准桩中位置计算。在主计算机屏幕和辅助计算机屏幕上实时显示的内容与"精密定位"模式相同，但水平测距仪数据设为"0"。

一旦开始打桩，打桩过程的有关数据将被实时地记录下来，并作即时处理。

当打桩的实时贯入度接近或小于最小允许贯入度，或桩顶实时标高接近设计标高值时，系统给出提示。但在操作者选择"结束打桩"前系统仍处于打桩状态，并继续纪录打桩数据。

因"暂停打桩"或意外中断后，系统重新恢复"开始打桩"状态，打桩数据将添加在前次记录文件中，以确保打桩记录的完整性。

5.暂停打桩

由于在沉桩施工中出现异常情况，如打桩船出现故障等导致沉桩施工暂停。系统的各传感器继续工作。实时贯入度将停止计算，打桩数据也停止纪录。其他计算和显示内容与"开始打桩"期间相同。用鼠标再次单击"开始打桩"可恢复打桩状态。

6.结束打桩

在当前桩施打完成后，需要选择"结束打桩"功能项。此时系统关闭水平测距仪，但GPS仍然处于工作状态，主计算机和辅助计算机屏幕显示内容锁定不变。

结束打桩后，应及时生成打桩记录表。

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》主要有如表1所示各项设备和软件组成。

GPS设备应根据计量法要求定期进行检定，测距仪应在初次使用时进行检定，并在每个工程开始时，采用钢卷尺等测量工具进行比对。

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》的操作流程，关键工序的质量要求和注意事项，必须遵照执行的国家、地方（行业）标准、规范名称有：

1.《水运工程测量规范》JTJ 203—2001；

2.《港口工程桩基规范》JTJ 254—98；

3.《公路勘测规范》JTJ 061—99；

4.《公路路线勘测规程》JTJ 061--99；

5.《工程测量规范》GB 50026—93；

6.《国家一、二等水准测量规范》GB 12897—91；

7.《公路全球定位系统（GPS）测量规范》JTJ/T 066—98；

8.《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T 18314—2001；

9.《公路工程技术标准》JTJ 001—97；

10.《公路桥涵施工技术规程》JTJ 041—2000；

11.《三航局海工工程GPS远距离打桩定位系统操作手册》。

与采用传统定位方法一样，《海工工程GPS远距离打桩定位工法》在施工过程中，采取的安全措施如下：

1.6级风以上不得进行沉桩施工，以确保打桩船和桩基及人员的安全。

2.沉桩过程中，桩架下不得站人，以防沉桩过程中桩架上落下物伤人。

3.沉桩前，认真研究沉桩区域地质资料，在含有软弱夹层可能发生溜桩的区域，要求开始进行空锤轻击，等桩尖穿过软弱夹层后，再进行正常锤击，以确保打桩船和桩基及人员的安全。

4.在吊桩移船时，当打桩船接近已有结构物或已沉桩基时，要求船慢速移动，以防碰撞，以确保打桩船和结构物的安全。

5.在架设GPS接收机天线时，要求架设避雷针，以免雷电击穿GPS设备，确保设备安全。

6.电焊要远离GPS接收机天线，以电焊的强电流击穿GPS设备，确保设备安全。

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》采用的设备如摄像机、免棱镜测距仪、GPS接收机、无线电电台、倾斜仪等的电源电压均为12伏，属于安全电压，对环境不产生不良影响。另外，GPS无线电电台发出的功率仅4瓦，对环境也不会产生污染。

以东海大桥工程为例对《海工工程GPS远距离打桩定位工法》进行效益分析。

一、经济效益

传统的打桩定位方法一般要求在距打桩现场1千米以内的范围内布置有一定数量的稳定测量控制点。对于像东海大桥这样主桥长约28千米的工程，若采用传统的打桩定位方法进行桩基工程定位则至少需要在海上建造12座稳定的测量平台。据经营部门测算，在类似东海大桥海域建造一座测量平台的造价约为64万元，12座的造价约为768万元，船舶调遣及工程结束后测量平台的拆除费用约为116万元，若按5条打桩船同时打桩计，还需投入全站仪等常规仪器费用约为100万元。故为完成类似东海大桥桩基工程的施工定位工作，若按传统测量方法进行定位，则需增加投入近1000万元。而在一条打桩船上安装一套"海工工程GPS远距离打桩定位系统"的投入约为80万元，一套工法的使用期望寿命为10年，安装有该工法的打桩船在完成东海大桥桩基工程以后，还可以投入到杭州湾跨海大桥等远海工程中使用。若将一条打桩船安装该工法的一次性投入分摊在东海大桥工程中，则投入5条打桩船的费用约为200万元，比使用传统方法在一个东海大桥工程中即可节省费用近800万元。另外，工法不受雨、雾、夜晚及视线遮挡等因素的影响，可全天候工作，加快了桩基工程施工的进度。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

二、社会效益

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》使远离岸线的打桩定位成为可能，是对传统定位方法的重大发展。随着经济建设形式的高速发展，大量远离岸线的海工工程的不断出现，该工法得到了更加广泛地应用。如杭州湾跨海大桥等也采用了该工法，节省近千万元。该工法不仅适用于远离岸线的海工工程，还适用于所有水工工程和桥梁工程的沉桩定位，能保证打桩船全天候施工，不受雨、雾、夜晚及视线遮挡等因素的影响，加快了桩基工程施工的进度，降低了测量工的劳动强度，故于2003年在中交第三航务工程局的十三条打桩船上推广了该工法。与此同时，行业内部各兄弟单位也陆续采用了该工法进行沉桩定位。

《海工工程GPS远距离打桩定位工法》的应用实例如下：

• 实例1：东海大桥工程

东海大桥北起于上海南汇区芦潮港，跨越杭州湾北部海域南至浙江嵊泗县小洋山，是洋山深水港连接上海市及长三角的主要通道；东海大桥桥线总长约为31千米，沉桩5697根、大小承台626只。全部采用该工法进行桩基施工。三航局承建东海大桥工程Ⅵ标段，全长15千米、沉桩3355根（均为斜桩）、大小承台372只，该工程项目工作量大、工期紧、工程质量要求高，施工条件差。桩基偏位：直桩≤25厘米、斜桩≤30厘米，高程控制在0～10厘米。整个跨海段非通航孔与通航孔边墩中参与评定桩基工程总量为3355根，最终桩位合格率达到95.4%。

• 实例2：杭州湾跨海大桥

杭州湾跨海大桥北起杭州湾北岸嘉兴市郑家逮，向南跨越杭州湾，止于宁波市慈溪市水路湾，全长36千米。工程起点桩号为K49＋000，终点桩号为K85＋000。大桥全程设南、北两座航道桥，其中主航道桥（北航道桥）设计通航能力为5000吨级。杭州湾跨海大桥按双向六车道高速公路标准建设，大桥设计时速100千米/小时。

中交第三航务工程局承建杭州湾跨海大桥工程的第Ⅵ合同段，第Ⅵ合同段施工区域位于南航道桥两侧，包括中引桥水中低墩区和南引桥水中低墩区两部分组成，全长4550米，共67个墩号、134个承台，总桩数为1348根。其中中引桥水中低墩区里程号为K59＋837～K63 267，长3430米，墩号为C84～C133，共50个墩号，100个承台；南引桥水中低墩区里程号为K65＋385～K66＋505，长1120米，墩号为E01~E17，共17个墩号，34个承台。桩基设计值：中引桥钢管桩桩径ф1500毫米，桩长79～88米，桩顶标高为＋1.70米，单个承台9根桩，100个承台计900根桩；南引桥钢管桩桩径ф1600毫米，桩长85～87米，桩顶标高为＋1.60米，单个承台桩数不等，分别为16根和10根桩组成，计418根桩。桩最大倾斜度6:1，最大平面扭角50°，全部为斜桩。杭州湾跨海大桥Ⅵ合同工程工期从2003年11月15日开工，2006年5月15日完工。沉桩区域距北岸9.9～16.6千米，距南岸更远，无法采用常规定位方法进行沉桩定位，中交第三航务工程局采用该工法进行沉桩定位，其竣工偏位统计见表2。

• 实例3：上海国际航运中心洋山深水港区中港区水工码头工程

洋山深水港区小洋山中港区前期工程位于杭州湾口东北部，上海芦潮港东南的崎岖列岛海区小洋山岛南侧岸线，顺接已建洋山港一期码头的东部，于小洋山镬盖塘岛与小岩礁岛之间。工程所在地东南距大洋山岛约4千米，东北距嵊泗县城菜园镇约40千米，西北距上海吴淞口约110千米、距上海芦潮港约32千米，北距长江口灯船约72千米，距宁波北仑港约90千米，向东经黄泽洋直通外海，与国际远洋航线相距约104千米。洋山深水港区小洋山中港区水工码头总长2600米，其中小洋山中港区前期工程水工码头1350米，建设规模为四个第五（六）代集装箱船专用泊位。码头总宽66米，由码头和接岸结构两大部分组成，其中码头宽42.5米，接岸结构宽23.5米。码头前沿线至前沿轨道距离为4米，集装箱装卸桥轨距为35米，后沿轨道至码头后沿距离为3.5米。

中交第三航务工程局承建中港区码头工程Ⅰ标码头、Ⅰ标承台、Ⅰ标承台、Ⅳ标承台工程，总计水上沉桩2011根。中交第三航务工程局采用该工法进行沉桩定位，其竣工偏位统计见表3。

通过"海工工程GPS远距离打桩定位系统"在东海大桥工程、杭州湾跨海大桥、洋山深水港工程等数十个大、中型工程沉桩中应用证明：其定位精度均能满足《水运工程测量规范》JTJ 203—2001的允许偏位值的要求。

2008年1月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《海工工程GPS远距离打桩定位工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

专用于水中打桩作业的工程船。按打桩架性能和打桩方式分类见图2。使用的多是以柴油机液压式为动力的变幅式打桩船。其工作机构有设在艏的桩架及其变幅机构。桩架上有打桩锤及其起落架、替打和抱桩器 (背板)以及供其上、下移动的龙口，桩架顶部设有多组滑轮、吊钩和两侧的升降平台、船体调平装置、锚和锚缆等。打桩锤有蒸汽锤、柴油锤、液压锤、振动锤等。柴油锤又分筒式和导杆式两种。筒式柴油锤具有打桩效率高的优点，因此使用广泛。桩架变幅机构有丝槓和油缸两种型式，桩架高度小于30米的多采用丝槓型式。船体调平装置多采用平衡水舱式。为长途拖航安全，有的打桩船还设有桩架放倒装置。打桩船一般为非自航、靠锚缆的收、放来移位。

中华人民共和国国家标准

全球定位系统(GPS)测量规范 GB/T 18314-2001

Specifications for global positioning system (GPS) surveys