幾種典型基床整平工藝在深水航道整治工程運(yùn)用效果的探討

羅兵

摘 要：近年來(lái)，隨著深水航道整治工程的需要，采用“拋石基床+安裝預(yù)制空心構(gòu)件”混合堤結(jié)構(gòu)型式在整治結(jié)構(gòu)物逐漸應(yīng)用，對(duì)基床拋石的整平要求不斷提高，激發(fā)水下基床整平新工藝不斷涌現(xiàn)，本文就深水基床不同的拋石工藝適用條件和質(zhì)量控制效果進(jìn)行探討，為類(lèi)似工程采用合理工藝提供借鑒。

關(guān)鍵詞：深水航道；拋石基床整平工藝；質(zhì)量效果

中圖分類(lèi)號(hào)：U615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）2-0055-03

從1998年長(zhǎng)江口深水航道治理工程一期開(kāi)工，經(jīng)歷三期到2010年12.5米深水航道全面貫通，2011年上延至江蘇太倉(cāng)，2015年長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道一期工程實(shí)現(xiàn)太倉(cāng)到南通，2016年二期工程實(shí)現(xiàn)南通到南京初通，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江下游南京以下長(zhǎng)達(dá)400多公里，10.5米航道維護(hù)水深的通航條件。為達(dá)到以上深水通航條件，沿線布置眾多航道整治工程建筑物，拋石基床整平施工工藝不斷地在實(shí)施中完善和創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的拋石基床整平，由水上整平船懸吊刮尺配潛水員人工作業(yè)的方法。整平船一般是方駁改裝，在方駁的船邊伸出兩根工字鋼或鋼軌作為刮尺支架，支架外端安裝滑輪，用重軌做成的刮尺通過(guò)滑輪懸吊在水中，在刮尺兩端系以測(cè)深繩尺，以此來(lái)控制刮尺高程。

施工時(shí)，整平船就位，按整平標(biāo)高用滑車(chē)控制刮尺下放深度，根據(jù)水位變化隨時(shí)調(diào)整，潛水員以刮尺底為準(zhǔn)，按“去高填洼”進(jìn)行整平，邊整平、邊移船，壓茬向前進(jìn)行。另外基床的細(xì)平由于精度要求高，需要在基床面設(shè)導(dǎo)軌輔助控制整平精度。

人工整平工藝，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率一般比較低，受氣象、風(fēng)浪和潮流的影響大。

在長(zhǎng)江深水航道整治工程，由于泥沙含量大，水下能見(jiàn)度極低，采用傳統(tǒng)的潛水員作業(yè)極為困難。

根據(jù)筆者多年的工作經(jīng)歷，水下基床拋石整平方面有了一定的創(chuàng)新，出現(xiàn)了如鏟斗式、自升平臺(tái)式、水下推土機(jī)等類(lèi)型的水下整平機(jī)械設(shè)備，并在深水航道整治工程實(shí)踐中得到檢驗(yàn)。本文主要就一體和分體式整平船配整平機(jī)、鏟斗式整平船整平的施工工藝，適用范圍，質(zhì)量控制效果進(jìn)行探討。

1 基床整平的質(zhì)量要求及檢測(cè)方法

依據(jù)現(xiàn)行《港口及航道護(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ300-2000）、《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 257-2008）的水下基床整平規(guī)定：整平的范圍和方法、頂面坡度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)和施工方案的要求，深水航道安裝預(yù)制空心構(gòu)件參考安裝沉箱要求控制。

其中頂面標(biāo)高按細(xì)平±50mm，整平邊線+500～0mm允許偏差控制，檢驗(yàn)方法使用經(jīng)緯儀或 GPS 定位，用水準(zhǔn)儀、水深測(cè)桿測(cè)量鋼軌內(nèi)側(cè) 1m 和中線處，基床頂寬小于 6m 時(shí)，可只測(cè)鋼軌內(nèi)側(cè) 1m 處。

2 幾種典型基床整平的工藝原理、適用范圍及質(zhì)量控制效果

2.1 改進(jìn)的整平船懸吊刮道GPS定位基床整平工藝

該工藝與傳統(tǒng)方法類(lèi)似，省去了水下基床整平標(biāo)高頂面鋪設(shè)順向整平鋼軌，改為在船舷一側(cè)懸掛刮道，運(yùn)用GPS定位控制技術(shù)，由刮道正上方的GPS接收機(jī)控制標(biāo)高，再通過(guò)手拉葫蘆調(diào)整刮道標(biāo)高。

適用條件是船機(jī)配置要求整平施工船舶有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，以減小船舶擺動(dòng)帶來(lái)的誤差，其次，船舶甲板要有較大的空間以利于儲(chǔ)備整平石料、潛水裝備等，需要1000噸級(jí)以上的船舶。適合整平石料為10～50kg的塊石，一般流速和5米以內(nèi)的水深基床整平。

基床懸吊刮道GPS定位整平工藝，平面定位精度在≤20cm，刮道標(biāo)高通過(guò)手拉葫蘆調(diào)整吊繩，吊繩的讀數(shù)通過(guò)鋼卷尺量取吊繩上的尺碼和懸臂支架頂面的GPS的距離求得，基床整平的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制在±10cm。從理論上講，柔性鋼絲繩懸吊刮道工藝整平的基床呈波浪形，可通過(guò)隨時(shí)調(diào)整刮道標(biāo)高，減小每次調(diào)整的幅度。該施工方法在長(zhǎng)江口深水航道治理工程一期工程應(yīng)用，從安裝結(jié)果看，整平質(zhì)量不次于常規(guī)工藝，滿足長(zhǎng)江口工程施工的質(zhì)量要求。

2.2 坐底式水下基床拋石整平船施工工藝

整平船為座底設(shè)計(jì)，類(lèi)似雙體船結(jié)構(gòu)，整平機(jī)設(shè)在中間的開(kāi)口內(nèi)。整平機(jī)由整平架和刮刀（料斗）組成，整平機(jī)由四角的4個(gè)50t液壓缸連接到船體并實(shí)現(xiàn)升降和調(diào)平，刮刀由設(shè)在工作甲板上的卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引行走。整平機(jī)設(shè)計(jì)整平厚度最小為0.5m，最大為2.5m。

整平船定位及監(jiān)控系統(tǒng)由GPS、吃水計(jì)和監(jiān)控軟件三部分組成。

該船要求施工水域水底坡度平緩，具有一定的承載力，最大坐底工作水深9m。

在長(zhǎng)江口深水航道治理工程一期工程南導(dǎo)堤?hào)|段應(yīng)用實(shí)踐，采用的級(jí)配亂石一次整平的工藝，經(jīng)過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，整平高程誤差一般在0～-10cm之間，滿足半圓體基床整平允許偏差±10cm的要求。

2.3 無(wú)線遙控智能型水下整平機(jī)基床整平施工工藝

工藝原理為水下整平機(jī)通過(guò)整平架的支撐腿直接坐落于拋石基床上，通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸至輔助船機(jī)中心控制室的顯示屏上，操作人員通過(guò)各指令按鈕控制整平機(jī)進(jìn)行各個(gè)動(dòng)作，使整平架可以在調(diào)整高度和水平度后通過(guò)刮鏟實(shí)現(xiàn)整平功能，可以實(shí)現(xiàn)在水下行走的功能。

水下整平機(jī)主要由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、定位監(jiān)控系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。

適用于航道整治中的導(dǎo)堤塊石重5～100kg基床整平，通過(guò)更換塔架高度最深可以適應(yīng)35m 水深的基床整平，和水流不大于3m/s，風(fēng)力7級(jí)以下的作業(yè)水域。

該工藝的定位精度是通過(guò)2臺(tái)RTK GPS定位儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整平機(jī)的水平位置，通過(guò)橫向、縱向步進(jìn)及糾偏動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整。4臺(tái)水下傾斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下整平機(jī)的水平姿態(tài)，通過(guò)單獨(dú)調(diào)整4個(gè)支腿油缸，使水下整平機(jī)始終處于水平狀態(tài)。聯(lián)合使用3臺(tái)測(cè)深儀和GPS定位系統(tǒng)檢測(cè)整平機(jī)的高程，通過(guò)聯(lián)動(dòng)調(diào)整4個(gè)支腿油缸，控制水下整平機(jī)的作業(yè)標(biāo)高。

水下整平機(jī)在水下整平作業(yè)時(shí)，刮鏟刮平基床拋石后，還可以用壓棍碾壓復(fù)平基床，使基床面整平效果更好。endprint

在長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道一期工程白茆沙II標(biāo)段拋石基床使用，高程和平面位置精度均控制在±5cm以內(nèi)，合格率達(dá)到93%，基床頂面高程波動(dòng)小，半圓體安放后頂面高程較一致。

2.4 智能控制船載挖機(jī)水下拋石基床自動(dòng)整平施工工藝

水下拋石基床自動(dòng)化整平控制系統(tǒng)原理，是通過(guò)CAN總線得到引導(dǎo)控制系統(tǒng)的挖掘機(jī)姿態(tài)信息及鏟斗尖位置與目標(biāo)位置的差值，然后通過(guò)閥芯、限流比例閥實(shí)現(xiàn)對(duì)主閥、主泵的控制，主閥節(jié)流、主泵容積調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作裝置各油缸的精確控制。

自動(dòng)整平系統(tǒng)分為自動(dòng)整平模式與手動(dòng)引導(dǎo)整平模式，可通過(guò)顯示屏的按鍵進(jìn)行模式切換。其中自動(dòng)整平模式可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)多子步工作，在一個(gè)船位內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化操作，能夠?qū)崿F(xiàn)所有技術(shù)要求。

水下拋石基床自動(dòng)化整平系統(tǒng)是由長(zhǎng)臂挖掘機(jī)、設(shè)置于動(dòng)臂和斗桿臂上的空間姿態(tài)傳感器及挖機(jī)3D引導(dǎo)系統(tǒng)等部分組成。

適用范圍主要受挖機(jī)的性能和臂長(zhǎng)決定。依據(jù)鏟斗挖掘力，配置2～4m刮刀滿足刮刀阻力要求，有效寬度系數(shù)隨石料厚度的增大而減小，每次整平的石料厚度不大于0.3m。目前挖機(jī)鏟斗尖最深到17m，一次有效整平縱深9m。

另外，整平挖機(jī)承載于駁船，適用條件也是適合駁船施工的水文氣象條件，一般流速不超過(guò)2m，風(fēng)力不超過(guò)6級(jí)，波浪較小、水面開(kāi)闊的水域。

為檢測(cè)基床平整度，在挖機(jī)小臂上設(shè)置一根測(cè)深桿，測(cè)深桿與挖機(jī)小臂平行，當(dāng)挖機(jī)小臂保持垂直狀態(tài)時(shí)測(cè)深桿即垂直，測(cè)深桿底部設(shè)置一臺(tái)測(cè)深儀，頂部高出水位部分設(shè)置一臺(tái)GPS，可通過(guò)挖機(jī)上的測(cè)深桿對(duì)拋石頂標(biāo)高及整平后的基床高程進(jìn)行檢測(cè)。

智能整平鏟斗配置RTK和測(cè)深儀，整平定位精度主要受測(cè)量?jī)x器精度、挖機(jī)鏟斗傳感器靈敏度和自動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響，挖機(jī)整平船理論整平精度綜合誤差為±3.7cm，在長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道二期工程儀征水道整治工程實(shí)踐使用，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范±5cm整平精度要求。

3 存在問(wèn)題及建議

水下基床整平，整平機(jī)械定位是重點(diǎn)和難點(diǎn)，當(dāng)前技術(shù)均是在水上完成初步定位，水下整平裝置再依據(jù)各種傳感器進(jìn)行調(diào)整，其實(shí)時(shí)精度和穩(wěn)定性受水上水下環(huán)境影響較大。目前在港珠澳大橋島隧項(xiàng)目安裝水下沉管的基床整平，采用的是世界最大拋石整平船“津平1”（船長(zhǎng)88.8米，寬46米，一次作業(yè)范圍48m×25m，四條樁腿每條長(zhǎng)90米，插拔樁腿完成工作面移動(dòng)）施工，在海底40多米深槽內(nèi)創(chuàng)造了±4 cm高程誤差，采用的整平工藝和定位方式類(lèi)似坐底式（樁腿插底）改進(jìn)版一體化整平船的技術(shù)，在水深10～50m海洋大工程建設(shè)、大規(guī)模水下整平施工具有實(shí)用性和優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)江深水航道整治工程還得適應(yīng)水文和成本特點(diǎn)，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)的研究和創(chuàng)新。

每段基床整平后預(yù)制結(jié)構(gòu)安裝前，提前測(cè)量整平地形變化，安排潛水員或回淤監(jiān)測(cè)儀器對(duì)待安裝構(gòu)件的基床進(jìn)行檢測(cè)，檢查基床的回淤和被沖刷情況，如出現(xiàn)淤積超過(guò)規(guī)范和設(shè)計(jì)允許的情況，應(yīng)對(duì)基床回淤進(jìn)行處理，重新對(duì)基床進(jìn)行檢測(cè)，在確?；矡o(wú)回淤和破壞的情況下才能進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件安裝。

4 結(jié)論

對(duì)以上四種整平工藝的對(duì)比分析，傳統(tǒng)的水下基床整平主要依靠潛水員人工完成，后來(lái)發(fā)展的整平工藝逐漸機(jī)械化，提高了生產(chǎn)率和整平精度，但均有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)依據(jù)整治工程環(huán)境和水文特性予以綜合選擇。

（1）整平機(jī)械和工作母船一體的整平工藝，如坐底式整平船和智能船載挖機(jī)，實(shí)現(xiàn)了水下整平轉(zhuǎn)變?yōu)樗献鳂I(yè)，缺點(diǎn)是船機(jī)裝備復(fù)雜，超過(guò)船機(jī)裝備尺寸的深水工作能力不足，優(yōu)點(diǎn)是整平和質(zhì)量檢測(cè)的一體化，整平監(jiān)測(cè)方式多，定位精度高，質(zhì)量控制較好。

（2）整平機(jī)為工作母船分離的整平工藝，較傳統(tǒng)的水下整平人工潛水作業(yè)實(shí)現(xiàn)了水下整平機(jī)械化，其動(dòng)力和監(jiān)控依賴于母船，缺點(diǎn)是水下定位精度難以保證，整平精度較差，優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)不同的水深，抗水流能力一般，抗水面風(fēng)浪能力較好。

（3）集成了機(jī)械、液壓、自動(dòng)控制、GPS定位、計(jì)算機(jī)信息處理和智能控制系統(tǒng)等多種技術(shù)，將是未來(lái)一體化整平船機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

水下基床整平工藝，受水文環(huán)境的制約，定位技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，目前的整平裝備和技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，在方案選擇中，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行工藝的選擇和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 基床懸吊刮道GPS定位整平工藝在長(zhǎng)江口深水航道治理工程中的應(yīng)用，張樹(shù)明，中國(guó)港灣建設(shè)，2007年10月.

[2] 中國(guó)第一艘整平船簡(jiǎn)介及其在長(zhǎng)江口航道治理工程中的應(yīng)用，吳繼福等，水運(yùn)工程，1999年10月.

[3] 無(wú)線遙控智能型水下整平機(jī)基床整平技術(shù)，毛娟龍等，港工技術(shù)與管理，2015年第6期.endprint