幾種典型基床整平工藝在深水航道整治工程運用效果的探討

羅兵

摘 要：近年來，隨著深水航道整治工程的需要，采用“拋石基床+安裝預制空心構(gòu)件”混合堤結(jié)構(gòu)型式在整治結(jié)構(gòu)物逐漸應用，對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)量控制效果進行探討，為類似工程采用合理工藝提供借鑒。

關鍵詞：深水航道；拋石基床整平工藝；質(zhì)量效果

中圖分類號：U615 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）2-0055-03

從1998年長江口深水航道治理工程一期開工，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，2015年長江南京以下12.5米深水航道一期工程實現(xiàn)太倉到南通，2016年二期工程實現(xiàn)南通到南京初通，實現(xiàn)長江下游南京以下長達400多公里，10.5米航道維護水深的通航條件。為達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滑輪懸吊在水中，在刮尺兩端系以測深繩尺，以此來控制刮尺高程。

施工時，整平船就位，按整平標高用滑車控制刮尺下放深度，根據(jù)水位變化隨時調(diào)整，潛水員以刮尺底為準，按“去高填洼”進行整平，邊整平、邊移船，壓茬向前進行。另外基床的細平由于精度要求高，需要在基床面設導軌輔助控制整平精度。

人工整平工藝，勞動強度大，作業(yè)效率一般比較低，受氣象、風浪和潮流的影響大。

在長江深水航道整治工程，由于泥沙含量大，水下能見度極低，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、自升平臺式、水下推土機等類型的水下整平機械設備，并在深水航道整治工程實踐中得到檢驗。本文主要就一體和分體式整平船配整平機、鏟斗式整平船整平的施工工藝，適用范圍，質(zhì)量控制效果進行探討。

1 基床整平的質(zhì)量要求及檢測方法

依據(jù)現(xiàn)行《港口及航道護岸工程設計與施工規(guī)范》（JTJ300-2000）、《水運工程質(zhì)量檢驗標準》（JTS 257-2008）的水下基床整平規(guī)定：整平的范圍和方法、頂面坡度應滿足設計和施工方案的要求，深水航道安裝預制空心構(gòu)件參考安裝沉箱要求控制。

其中頂面標高按細平±50mm，整平邊線+500～0mm允許偏差控制，檢驗方法使用經(jīng)緯儀或 GPS 定位，用水準儀、水深測桿測量鋼軌內(nèi)側(cè) 1m 和中線處，基床頂寬小于 6m 時，可只測鋼軌內(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)方法類似，省去了水下基床整平標高頂面鋪設順向整平鋼軌，改為在船舷一側(cè)懸掛刮道，運用GPS定位控制技術，由刮道正上方的GPS接收機控制標高，再通過手拉葫蘆調(diào)整刮道標高。

適用條件是船機配置要求整平施工船舶有較強的抗風浪能力，以減小船舶擺動帶來的誤差，其次，船舶甲板要有較大的空間以利于儲備整平石料、潛水裝備等，需要1000噸級以上的船舶。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，刮道標高通過手拉葫蘆調(diào)整吊繩，吊繩的讀數(shù)通過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)量標準控制在±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，可通過隨時調(diào)整刮道標高，減小每次調(diào)整的幅度。該施工方法在長江口深水航道治理工程一期工程應用，從安裝結(jié)果看，整平質(zhì)量不次于常規(guī)工藝，滿足長江口工程施工的質(zhì)量要求。

2.2 坐底式水下基床拋石整平船施工工藝

整平船為座底設計，類似雙體船結(jié)構(gòu)，整平機設在中間的開口內(nèi)。整平機由整平架和刮刀（料斗）組成，整平機由四角的4個50t液壓缸連接到船體并實現(xiàn)升降和調(diào)平，刮刀由設在工作甲板上的卷揚機牽引行走。整平機設計整平厚度最小為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。

在長江口深水航道治理工程一期工程南導堤東段應用實踐，采用的級配亂石一次整平的工藝，經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，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 無線遙控智能型水下整平機基床整平施工工藝

工藝原理為水下整平機通過整平架的支撐腿直接坐落于拋石基床上，通過無線信號傳輸至輔助船機中心控制室的顯示屏上，操作人員通過各指令按鈕控制整平機進行各個動作，使整平架可以在調(diào)整高度和水平度后通過刮鏟實現(xiàn)整平功能，可以實現(xiàn)在水下行走的功能。

水下整平機主要由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(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堤塊石重5～100kg基床整平，通過更換塔架高度最深可以適應35m 水深的基床整平，和水流不大于3m/s，風力7級以下的作業(yè)水域。

該工藝的定位精度是通過2臺RTK GPS定位儀實時監(jiān)測整平機的水平位置，通過橫向、縱向步進及糾偏動作進行調(diào)整。4臺水下傾斜儀實時監(jiān)測水下整平機的水平姿態(tài)，通過單獨調(diào)整4個支腿油缸，使水下整平機始終處于水平狀態(tài)。聯(lián)合使用3臺測深儀和GPS定位系統(tǒng)檢測整平機的高程，通過聯(lián)動調(diào)整4個支腿油缸，控制水下整平機的作業(yè)標高。

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

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

2.4 智能控制船載挖機水下拋石基床自動整平施工工藝

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

自動整平系統(tǒng)分為自動整平模式與手動引導整平模式，可通過顯示屏的按鍵進行模式切換。其中自動整平模式可以實現(xiàn)連續(xù)多子步工作，在一個船位內(nèi)可以實現(xiàn)完全的自動化操作，能夠?qū)崿F(xiàn)所有技術要求。

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

適用范圍主要受挖機的性能和臂長決定。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。目前挖機鏟斗尖最深到17m，一次有效整平縱深9m。

另外，整平挖機承載于駁船，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2m，風力不超過6級，波浪較小、水面開闊的水域。

為檢測基床平整度，在挖機小臂上設置一根測深桿，測深桿與挖機小臂平行，當挖機小臂保持垂直狀態(tài)時測深桿即垂直，測深桿底部設置一臺測深儀，頂部高出水位部分設置一臺GPS，可通過挖機上的測深桿對拋石頂標高及整平后的基床高程進行檢測。

智能整平鏟斗配置RTK和測深儀，整平定位精度主要受測量儀器精度、挖機鏟斗傳感器靈敏度和自動控制系統(tǒng)響應時間的影響，挖機整平船理論整平精度綜合誤差為±3.7cm，在長江南京以下12.5米深水航道二期工程儀征水道整治工程實踐使用，滿足設計和規(guī)范±5cm整平精度要求。

3 存在問題及建議

水下基床整平，整平機械定位是重點和難點，當前技術均是在水上完成初步定位，水下整平裝置再依據(jù)各種傳感器進行調(diào)整，其實時精度和穩(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88.8米，寬46米，一次作業(yè)范圍48m×25m，四條樁腿每條長90米，插拔樁腿完成工作面移動）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似坐底式（樁腿插底）改進版一體化整平船的技術，在水深10～50m海洋大工程建設、大規(guī)模水下整平施工具有實用性和優(yōu)勢，在長江深水航道整治工程還得適應水文和成本特點，應繼續(xù)進行技術的研究和創(chuàng)新。

每段基床整平后預制結(jié)構(gòu)安裝前，提前測量整平地形變化，安排潛水員或回淤監(jiān)測儀器對待安裝構(gòu)件的基床進行檢測，檢查基床的回淤和被沖刷情況，如出現(xiàn)淤積超過規(guī)范和設計允許的情況，應對基床回淤進行處理，重新對基床進行檢測，在確保基床無回淤和破壞的情況下才能進行預制構(gòu)件安裝。

4 結(jié)論

對以上四種整平工藝的對比分析，傳統(tǒng)的水下基床整平主要依靠潛水員人工完成，后來發(fā)展的整平工藝逐漸機械化，提高了生產(chǎn)率和整平精度，但均有不同的優(yōu)缺點，應依據(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，實現(xiàn)了水下整平轉(zhuǎn)變?yōu)樗献鳂I(yè)，缺點是船機裝備復雜，超過船機裝備尺寸的深水工作能力不足，優(yōu)點是整平和質(zhì)量檢測的一體化，整平監(jiān)測方式多，定位精度高，質(zhì)量控制較好。

（2）整平機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)實現(xiàn)了水下整平機械化，其動力和監(jiān)控依賴于母船，缺點是水下定位精度難以保證，整平精度較差，優(yōu)點是能適應不同的水深，抗水流能力一般，抗水面風浪能力較好。

（3）集成了機械、液壓、自動控制、GPS定位、計算機信息處理和智能控制系統(tǒng)等多種技術，將是未來一體化整平船機的發(fā)展趨勢。

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

參考文獻：

[1] 基床懸吊刮道GPS定位整平工藝在長江口深水航道治理工程中的應用，張樹明，中國港灣建設，2007年10月.

[2] 中國第一艘整平船簡介及其在長江口航道治理工程中的應用，吳繼福等，水運工程，1999年10月.

[3] 無線遙控智能型水下整平機基床整平技術，毛娟龍等，港工技術與管理，2015年第6期.endprint