扭王字塊抓取器研發(fā)

張燁++胡景++余南

摘 要：扭王字塊體的安放施工的關(guān)鍵問題，在于保證塊體表面的完整性以及塊體位置的安放精度。然而，現(xiàn)有的扭王字塊施工方式，不能最大程度上保證塊體表面的完整性以及位置的安放精度，所有，存在極大的改進(jìn)和提高空間。本文在調(diào)查國內(nèi)外扭王字塊安裝方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐，研發(fā)扭王字塊抓取器，適應(yīng)長江航道整治工程技術(shù)特點(diǎn)，提高施工質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：扭王字塊安放 長江航道整治工程 挖掘機(jī)抓取器

扭王字塊，材料為混凝土，通過定型模板一次性澆筑完成。

由三個(gè)桿件組成，兩端桿件平行，中間的桿件正交于兩端桿件，是常用的預(yù)制混凝土異形塊體的一種。因制作工藝簡單、施工方便，同時(shí)具有穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強(qiáng)、消能效果好、自重大的特點(diǎn)，能增加建筑物的耐久性，一般應(yīng)用在防波堤、圍堰等水工工程中，在受波浪影響較大的港口和水流流速較大（超過3m/s）的河段，應(yīng)用最為廣泛。

扭王字塊外形結(jié)構(gòu)示意圖

1981年，法國工程師索格雷（Sogreah）發(fā)明了新型防波堤護(hù)面塊體，扭王字塊（Accropode），此后，廣泛應(yīng)用于港口、海岸工程之中。2008年，長江上游敘瀘段航道建設(shè)二期工程的銅鼓灘疏浚工程，采用扭王字塊加固銅鼓灘丁順壩壩頭。扭王字塊首次應(yīng)用于長江流域的航道整治工程。 2012年，沙市河段航道整治一期工程，在三八灘灘頭迎流頂沖部位使用扭王字塊。扭王字塊首次應(yīng)用于長江中游航道。2014年，鸚鵡洲大橋2#橋墩局部沖刷防護(hù)工程，在橋墩附近的順壩尾、魚骨壩采用扭王字塊筑壩。

在國外的港口海岸工程中，依據(jù)扭王字塊體尺寸不同，采用的工程機(jī)械有所差別。小型到中型塊體，采用叉式起重器安放；叉式起重器，是一種汽車起重器械，能對沙石、預(yù)制構(gòu)件，進(jìn)行挖掘、裝卸、抓運(yùn)。大型塊體，采用吊車懸吊或駁船起重機(jī)安放。優(yōu)點(diǎn)是起重量大，可以吊重行走。具有較強(qiáng)的吊裝能力。缺點(diǎn)是拆裝麻煩，起重臂不能自由伸縮，局限性太強(qiáng)。駁船起重機(jī)多用于深水海域或大型港口建設(shè)。

目前，在國內(nèi)的航道整治過程中，一般采取吊車、起重船和運(yùn)輸船的方式安放。首先，平板車運(yùn)輸扭王字塊體至運(yùn)輸船。然后，根據(jù)扭王字塊在坡面上的安裝點(diǎn)坐標(biāo)，在堤上定出扭王字塊的安裝方向線，兩點(diǎn)間拉測量繩，預(yù)先在測量繩上標(biāo)出扭王字塊安裝點(diǎn)距，并做好醒目的標(biāo)記。起重船移動，將吊繩移到測量繩上安裝點(diǎn)的標(biāo)記位置，吊機(jī)吊取塊體，再將吊機(jī)儀表讀數(shù)與預(yù)先設(shè)計(jì)的控制數(shù)值表對照，左右旋轉(zhuǎn)、調(diào)整吊臂，當(dāng)兩者較吻合后，脫鉤下放，安放塊體。移機(jī)進(jìn)行下一個(gè)機(jī)位的塊體安裝。

工程概況

自上個(gè)世紀(jì)五十年代武漢長江大橋建成以后，武橋水道開始礙航，九十年代以來形勢更為嚴(yán)峻。為了解決武橋水道的礙航問題，確定實(shí)施在潛州上實(shí)施長順壩結(jié)合魚骨壩的整治工程方案。作用是保持潛州的完整，使左側(cè)和右側(cè)的水流集中，改善枯水期漢陽邊灘的水流動力條件，加大漢陽邊灘退水期及枯水期的沖刷力度，有效擴(kuò)大航道彎曲半徑，達(dá)到改善通航條件的目的。

武漢鸚鵡洲長江大橋位于長江中游武橋水道內(nèi)，全長5km， 2#橋墩位于河段左右汊分界的潛洲上。在2#橋墩局部沖刷防護(hù)工程中，施工區(qū)域位于橋墩附近，水流急，流速大，沖刷強(qiáng)烈。

因扭王字塊抗沖性好，用于水流較急，沖刷較大的部位，故采用其作為壩體護(hù)面、護(hù)腳的防沖結(jié)構(gòu)。

5#魚骨壩和順壩，均采用拋石與扭王字塊混合壩體結(jié)構(gòu)。壩體采用拋石填芯，在壩頭和壩的兩側(cè)面采用抗沖能力強(qiáng)的扭王字塊體護(hù)面。扭王字塊采用C30砼，重約636kg。

安放的質(zhì)量要求是安放密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)JTS257-2008《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，塊體在坡面上可斜向放置，并使一半桿件與壩坡接觸。安放的數(shù)量不低于設(shè)計(jì)要求，允許偏差應(yīng)該控制在 5%以內(nèi)。根據(jù)施工規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求，本工程扭王字塊安放密度為4塊/m2。

實(shí)驗(yàn)與研究

1、工程船舶

從施工工序來看，安放扭王字塊緊隨水上拋石之后。水上拋石，采用定位船測量定位，運(yùn)輸船裝載塊石，挖掘機(jī)安放塊石。施工工藝流程為，拋前水下地形測量、施工區(qū)域劃分、測量、放樣、定位船定位、裝石船定位、安放塊石、定位船移位、裝石船定位、安放塊石。水上拋石與安放扭王字塊相似，都需要定位船測量、運(yùn)輸船裝載扭王字塊體。因而，沿用水上拋石的定位船和運(yùn)輸船是可行的，能加快施工進(jìn)度，節(jié)省調(diào)遣船舶的時(shí)間。

船舶示意圖如下：

2、安放裝置

在工程前期準(zhǔn)備時(shí)，開展實(shí)驗(yàn)與研究，改裝挖掘機(jī)原有的頭部裝置。

挖掘機(jī)，是利用鏟斗挖掘物料，裝入運(yùn)輸車輛或卸至堆料場的土方機(jī)械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及經(jīng)過預(yù)松后的土壤和巖石。近幾年挖掘機(jī)的發(fā)展相對較快，成為工程建設(shè)中最主要的機(jī)械之一。

下圖為挖掘機(jī)頭部的鏟斗裝置：

3、實(shí)驗(yàn)過程

本工程使用的屬于液壓正鏟挖掘機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括，動力裝置，工作裝置，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，操縱機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)施。研究過程中，反復(fù)試驗(yàn)，不斷改進(jìn)抓取器的零部件，使挖掘機(jī)由簡單的鏟斗工作裝置，改變?yōu)樽ト　卜?、拋投的綜合控制工作裝置，使其適合扭王字塊作業(yè)。。

實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)整抓取器的齒長和軸承開合度，做出9組試驗(yàn)品，進(jìn)行3組對比。

根據(jù)扭王字塊桿件1000mm的長度，設(shè)計(jì)不同的齒長。將第1、2、3組的齒長分別設(shè)計(jì)成1000mm、900mm和800mm，試驗(yàn)不同齒長抓取器抓取、安放扭王字塊體的實(shí)際效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明800mm齒長的抓取器，不僅能牢固抓取，相比之下，還能節(jié)省制作材料，因此，是最佳選擇。

根據(jù)塊體桿件中心正交的外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的開合角度。將第4、5、6組的開合角度分別設(shè)計(jì)成90°、120°、150°，試驗(yàn)不同的開合角對抓取器軸承靈活度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，90°開合角太小，雖然能抓取塊體，但是在安放塊體時(shí)，容易刮損塊體表面，導(dǎo)致桿件破損殘缺。150°開合角過大，一張一合時(shí)，加速了抓取器軸承零件的磨損，增加了機(jī)械損耗和施工成本。開合角為120°的抓取器，相比之下，是最優(yōu)選擇，不但能靈活地抓取、安放塊體，而且能減少不必要的機(jī)械損耗，延長零部件的使用壽命。

根據(jù)扭王字塊體的混凝土材質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的齒前端。將第7、8、9組的齒前段，分別設(shè)計(jì)成直齒、彎齒和鉤齒。試驗(yàn)不同的齒前端在抓取、安放扭王字塊體過程中的作用和影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直齒前端的抓取器不能有效抓住扭王字塊體，在安放過程中，極易滑脫，砸損塊體。鉤齒前端的抓取器在抓取扭王字塊體時(shí)，造成塊體表面的殘缺、破損，不能達(dá)到水運(yùn)工程施工的質(zhì)量要求。相比之下，彎齒前端的抓取器，不僅能牢牢地有效抓住扭王字塊體，防止滑脫，而且能避免給塊體帶來不必要的損傷，提高了施工效率，保證施工質(zhì)量，因此是最佳選擇。

綜合9組樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對比分析，最終選擇齒長800mm、開合度120°、彎齒前端的扭王字塊體抓取器。既充分適應(yīng)了扭王字塊體的尺寸、外形和材質(zhì)特性，又加快了施工效率，提高了施工質(zhì)量。

齒長0.8m、抓容量1塊的小型抓取器，使挖掘機(jī)一機(jī)多能，配備了抓取器工作裝置以后，既能抓取、安放扭王字塊體，又能拋投扭王字塊體，能滿足滿足不同施工部位的工程需要。取代了體型龐大的吊機(jī)，縮小了施工機(jī)械在運(yùn)輸船上的占地面積，提高了扭王字塊體的運(yùn)輸效率。

下圖為扭王字塊體抓取器的實(shí)際效果圖

4、實(shí)際施工

采取運(yùn)輸船裝運(yùn)扭王字塊體，GPS儀器測量、定位，挖掘機(jī)抓取器安放。

安放前先測定水深、流速、流向。遵循先上游后下游、先深水后淺水的順序進(jìn)行。通過對水深、流速的測量，合理的安排整體安放扭王字塊的施工進(jìn)度。

定位船順?biāo)鞑贾?，扭王字塊體堆放在運(yùn)輸船上，挖掘機(jī)停放在運(yùn)輸船上。通過收、放錨纜靈活控制定位船上、下、左、右移動。

安放前，準(zhǔn)備詳細(xì)的塊體坐標(biāo)位置圖，并根據(jù)安放區(qū)域?qū)嶋H地形情況，繪制安放網(wǎng)格圖。按設(shè)計(jì)范圍分別設(shè)置成近似20m×25m的施工網(wǎng)格，將扭王字塊體的施工區(qū)域用CAD成圖，并計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的工程量。先計(jì)算出每個(gè)扭王塊體所占面積和尺度，繪制出扭王塊體在斷面結(jié)構(gòu)中的布置圖，并計(jì)算出各扭王塊體“質(zhì)心”位置，依據(jù)堤軸線和斷面位置計(jì)算出各扭王塊體平面定位點(diǎn)。施工時(shí)每個(gè)網(wǎng)格用GPS定位，定位船在網(wǎng)格內(nèi)移動，依次安放。

在壩體的水下斷面，采用抓取、拋投操作，利用挖掘機(jī)抓取器和GPS測量指引相結(jié)合，定點(diǎn)隨機(jī)拋投扭王字塊，達(dá)到合適密度。在壩體露出水面的部分，采用抓取、安放操作，最下面一排塊體坡腳位置利用GPS定位，其它坡面上，從下向上依次安裝，頂部安裝時(shí)盡量利用露出的時(shí)間，保證頂面每個(gè)斷面扭王字塊密度合理。在安放過程中，保證扭王字塊體的均勻受力，輕抓輕放，避免碰壞構(gòu)件棱角。采用動態(tài)GPS進(jìn)行安放時(shí)的定位，保證安裝密度應(yīng)滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

扭王字塊體的安放施工的關(guān)鍵問題，在于保證塊體表面的完整性以及塊體位置的安放精度。然而，現(xiàn)有的扭王字塊施工方式，不能最大程度上保證塊體表面的完整性以及位置的安放精度，所有，存在極大的改進(jìn)和提高空間。在調(diào)查國內(nèi)外扭王字塊安裝方式的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、反復(fù)試驗(yàn)和對比研究后，研發(fā)了扭王字塊抓取器。沿用拋石筑壩后的船舶設(shè)備，采用GPS定位，來保證水下安放密度。在挖掘機(jī)基礎(chǔ)上，改裝工作裝置，研發(fā)齒長800mm、開合度120°、彎齒前端的抓取器。

結(jié)合工程實(shí)踐，改進(jìn)后的扭王字塊體安放方式，適應(yīng)了鸚鵡洲大橋2#橋墩局部沖刷防護(hù)工程的技術(shù)特點(diǎn)，加快了施工速度，提高施工質(zhì)量，保證了施工過程中扭王字塊體的完好性，為長江航道整治工程中的扭王字塊體安放施工提供借鑒，為今后進(jìn)一步完善扭王字塊體施工工藝起到了參考意義。

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（作者單位：長江武漢航道局）