夏曉露，聶洪斌，劉競輝

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

關(guān)鍵字：防波堤；扭王字塊；聲吶成像；可視化安裝

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，海岸線逐步被利用，迫使海港和人工島嶼的選址逐步邁向深水、海況復雜區(qū)域演變。作為海港和人工島嶼的外圍結(jié)構(gòu)，防波堤起到防御波浪，抵御泥沙侵襲的作用；拋石斜坡式防波堤主要由塊石和人工塊體等散體材料組成，因施工方便，便于維護，近年來得到了廣泛的應(yīng)用；扭王字塊是我國學者在20世紀80年代學習消化國外的ACCROPODE 后進行了部分修改優(yōu)化而來，經(jīng)過30 多年的運用，已逐步成為了我國最流行的人工護面塊體［1］。隨著我國建筑施工企業(yè)不斷走向國際化，扭王字塊也逐漸應(yīng)用到海外項目中，為適應(yīng)國外的要求，扭王字塊的施工標準也往往與國際接軌，對塊體的安裝質(zhì)量要求更具體化。

目前，國內(nèi)絕大部分工程項目在扭王字塊安裝工藝上仍選用的是盲裝工藝，其主要方法是利用吊機配鋼絲繩，根據(jù)GPS 或極坐標定點安裝塊體。塊體安裝完成后，在長時間的重力、波浪水流等外力的作用下塊體間的姿態(tài)不斷的重新調(diào)整、擠密，直至塊體間鉤聯(lián)緊密，最終達到整體穩(wěn)定［2］。盲裝工藝存在安裝精度低，塊體初期咬合程度低，驗收困難，工后返修幾率高，基于此設(shè)計階段往往通過加大塊體尺寸和重量減少施工造成的風險，造成成本增加。本文以某港口城填海造地項目為依托，介紹人工塊體CODA 聲吶可視化安裝工藝。

1 項目概況

某港口城填海造地項目，位于斯里蘭卡首都科倫坡西海岸，填海面積為269 萬m2，施工內(nèi)容主要為水工結(jié)構(gòu)、陸域回填及地基處理，其中水工結(jié)構(gòu)包括外防波堤，內(nèi)防波堤，潛堤，南、北攔沙堤，游艇碼頭內(nèi)、外護岸，內(nèi)河護岸，人工沙灘擋墻等（見圖1）。

圖1 項目總平面布置Fig.1 General Layout of the Project

外防波堤為主要防護結(jié)構(gòu)，長度為3 245 m，堤頂高程為+4.0 m，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，護面塊體采用單層扭王字塊，坡度為3∶4，塊體重量為17 t，塊體數(shù)量達24 500 件，防波堤典型斷面如圖2所示。

設(shè)計說明書中對于扭王字塊安裝的規(guī)范要求如下：①扭王字塊要定點隨機安放，塊體間需咬合良好，保證墊層塊石不從扭王字塊縫隙內(nèi)被淘刷出去；②底部第一排扭王字塊的安裝質(zhì)量需保證，安裝偏差要求不超過1∕12 倍的扭王字塊高度［3］；③相鄰扭王字塊間安裝后的姿態(tài)應(yīng)不一致；④扭王字塊需三點著地，不允許出現(xiàn)鼻部垂直斜坡面的安裝情況；⑤斜坡上扭王字塊安裝密度為95%～105%之間；頂部水平段扭王字塊安裝密度不小于100%；

采用聲吶可視化系統(tǒng)安裝扭王字塊的位置位于防波堤內(nèi)外側(cè)水下部位，其安裝水深范圍為-12～-1 m，安裝坡度為1∶1.33。施工作業(yè)所在地海域海況差，有效作業(yè)時間短，水下安裝深度大，堤頂通道寬度窄等不利因素給項目施工帶來挑戰(zhàn)。

圖2 防波堤標準斷面Fig.2 Standard Section of Breakwater

2 CODA聲吶可視化安裝系統(tǒng)原理

聲吶可視化安裝系統(tǒng)有以挖掘機和吊機為載具的2個版本，兩者各有優(yōu)缺點，挖掘機版本優(yōu)點是定位精準、同時可以搭載機械轉(zhuǎn)盤或者機械手，便于調(diào)整塊體的姿勢，但是吊距相對較近，大型塊體需要配備大型挖掘機；吊機版本主要優(yōu)勢是吊距較遠，但定位精準度相對較差以及塊體姿態(tài)調(diào)節(jié)相對較為困難（見圖3）。

圖3 吊機配備聲吶可視化系統(tǒng)示意圖Fig.3 Crane Equipped with Sonar Visualization System

挖掘機版本主要是通過給挖掘機配備Echoscope 3D 聲吶可視化安裝系統(tǒng)，在挖掘機臂的前段安裝剛性支架，支架上布設(shè)水下攝像頭和聲吶裝置，聲吶掃測數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳輸至操作室的電腦實時顯示塊體水下圖像，指導操作手安裝扭王字塊；剛性挖掘機臂消除傳統(tǒng)吊機安裝扭王字塊因鋼絲繩在水流、波浪力情況下擺動導致定位不精準的問題，系統(tǒng)的定位精度在5cm 以內(nèi)；同時，配備的機械轉(zhuǎn)盤，可以水平360°調(diào)整塊體姿勢，達到塊體的理想勾連咬合效果（見圖4）。

圖4 挖掘機配備聲吶可視化系統(tǒng)示意圖Fig.4 Excavator Equipped with Sonar Visualization System

3 CODA聲吶可視化安裝系統(tǒng)組成

CODA聲吶可視化安裝系統(tǒng)包括Trimble-GNSS導航定位系統(tǒng)、Coda Echoscope 3D圖像聲吶、施工監(jiān)測軟件、3D時間鎖定供電單元、水下智能開關(guān)等［4］（見圖5）。

圖5 可視化安裝系統(tǒng)構(gòu)成Fig.5 Visual Installation System Composition

3.1 Trimble-GNSS導航定位系統(tǒng)

Trimble-GNSS 導航定位系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星接收器接收的GNSS 信號和機載電臺接收的來自基準站的位置差分信號，使用載波相位動態(tài)實時差分法（RTK）解算出厘米級精度的定位坐標。同時系統(tǒng)通過傳感器感知挖機機身、主臂、動臂、斗桿的轉(zhuǎn)動角度，解算當前挖掘機的挖斗或扭王塊吊裝點的位置信息［5］（見圖6）并輸出給CMS（Construction Monitoring System）施工監(jiān)測軟件，為扭王字塊安裝提供定位導航數(shù)據(jù)。

3.2 CODA-Echoscope 3D圖像聲吶

圖6 導航定位系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Navigation and Positioning System

Echoscope 圖像聲吶是1 臺有著多種領(lǐng)先專利技術(shù)的高分辨率實時三維聲吶（見圖7），通過聲學發(fā)射接收裝置產(chǎn)生超過16 000 個聲學信號（12次∕s的刷新頻率）實時顯示3D 圖像［6］。聲吶最大探測深度達120 m。當探測水下成像時，即使目標和Echoscope 圖像聲吶同時相對運動，仍然可以產(chǎn)生清晰和精準的3D 圖像，并呈現(xiàn)出實時三維水下環(huán)境［7，8］。Echoscope圖像聲吶還具有圖像拼接功能，能夠?qū)⒉煌瑫r間幀的圖像合并成完整的3D 圖像，利用更多幀合成3D 圖像，即使在混濁的海水環(huán)境下也能實時成像。

圖7 CODA圖像聲吶Fig.7 CODA Image Sonar

3.3 CMS施工監(jiān)測軟件

CMS 施工監(jiān)測軟件是可視化安裝系統(tǒng)的控制中樞，接入Trimble-GNSS定位數(shù)據(jù)可導航安裝扭王塊到達設(shè)計位置，利用軟件顯示、設(shè)置和控制聲吶圖像，并根據(jù)聲吶圖像監(jiān)控水下塊體的位置和姿態(tài)，利用軟件內(nèi)置安裝塊體模型匹配、追蹤聲吶圖像，通過模型模擬扭王字塊實際安裝位置和姿態(tài)，并顯示已安裝塊體的實際姿態(tài)，實時監(jiān)測扭王字塊的安裝過程［9］（見圖8）。

3.4 3D時間鎖定供電單元

時間鎖定供電源用作可視化安裝系統(tǒng)與外系統(tǒng)的時間同步，使Echoscope 聲吶精確的同步到一個外部時間源，并以1 ms的同步精度，實現(xiàn)聲吶圖像、定位信息及傳感器數(shù)據(jù)實時同步，以滿足位置和圖像信息的準確度和實時性。

3.5 3D智能開關(guān)

由于聲吶探頭運行發(fā)熱，需要在水下環(huán)境運行，長時間在空氣中工作會損壞聲吶設(shè)備，3D 智能開關(guān)可實現(xiàn)聲吶探頭在水中的自動打開、出水自動關(guān)閉的功能，保護聲吶探頭自動開閉和安全運行。

圖8 可視化安裝軟件界面Fig.8 Visual Installation Software Interface

4 CODA可視化安裝系統(tǒng)功能

4.1 安裝過程可視化

可視化及3D 成像功能是CODA 可視化安裝系統(tǒng)最主要功能之一，也是最核心功能。該系統(tǒng)通過圖像聲吶和Trimble-GNSS 導航定位（見圖9）獲取具有三維坐標和可量測的實時聲吶圖像，不僅能顯示安裝塊體的位置和姿態(tài)，而且可以顯示相鄰已安裝塊體或待安裝坡面的3D 圖像，給操作人員提供一個可視的水下施工環(huán)境，便于控制安裝質(zhì)量［10］。

圖9 扭王字塊3D圖像Fig.9 Chinese-pod 3D Image

4.2 安裝塊體模型與聲吶圖像識別追蹤

圖10 安裝模型與圖像識別跟蹤Fig.10 Installation Model and Image Recognition and Tracking

將安裝扭王字塊模型導入施工監(jiān)測軟件，通過調(diào)入模型可實現(xiàn)模型與聲吶圖像識別匹配，并自動追蹤聲吶圖像到安裝位置（見圖10），當安裝塊體放置于設(shè)計位置并松脫后，塊體模型將保存在安裝系統(tǒng)中，利用模型來記錄顯示實際扭王字塊的安裝位置和姿態(tài)，實現(xiàn)安裝過程和安裝質(zhì)量效果可視化，同時實現(xiàn)塊體安裝完成后沒有聲吶圖像時也能顯示塊體的真實安裝位置和姿態(tài)。

4.3 安裝過程記錄、回放功能

可視化安裝系統(tǒng)可以記錄安裝塊體的安裝全過程，并提供塊體安裝過程回放功能，能隨時檢查每一個已安裝扭王字塊的安放過程，便于塊體安裝后質(zhì)量檢查，利于保存影像資料并用于竣工資料驗收，實現(xiàn)扭王字塊安裝和驗收一體化。

5 聲吶可視化安裝系統(tǒng)應(yīng)用

⑴本項目17 t 扭王字塊安裝時距邊最遠距離為17.9 m，距頂最深距離12.0 m，選用CAT 6020B（200 t級）挖掘機站在堤頂進行水下塊體可視化安裝（見圖11），挖掘機履帶外邊寬僅5.5 m，較適合堤頂較窄的情況。

圖11 200t挖掘機安裝扭王塊Fig.11 Chinese-pod Installation by 200t Excavator

⑵扭王字塊安裝自下而上進行，在開始安裝前，根據(jù)防波堤斷面及扭王字塊的尺寸完成安裝點位圖及坐標的編制。扭王字塊安裝時，先在平面安裝成一個起始三角形后再按照菱形依次向前安裝。安裝時應(yīng)盡量向同一個方向安裝，無法避免相向安裝時應(yīng)重點關(guān)注對接處最后幾個扭王字塊的安裝，調(diào)整扭王字塊的間距至合適位置，避免出現(xiàn)過大的縫隙。

⑶扭王字塊安裝前先采用模型和陸上典型施工對操作手和潛水員進行安裝法則的培訓。

⑷扭王字塊可視化安裝方法操作要點：

①每次采用聲吶系統(tǒng)安裝扭王字塊前，測量人員需在陸上核對聲吶系統(tǒng)的定位準確無誤。現(xiàn)場技術(shù)人員將待安裝區(qū)域扭王字塊的坐標文件導入操作系統(tǒng)中。扭王字塊通過水上或陸上運輸至安裝地點后，在起重工指揮下完成鋼絲繩的綁扣及起吊下水。操作手在扭王字塊下水后，再次核對聲吶設(shè)備、操作系統(tǒng)及安裝點位的準確性，核實無誤后，根據(jù)系統(tǒng)指示緩慢移動扭王字塊至指定安裝位置（見圖12）。

②操作手通過聲吶系統(tǒng)顯示的周邊已完成的扭王字塊的位置及姿態(tài)來確定待安裝扭王字塊的位置及姿態(tài)，過程中通過移動、旋轉(zhuǎn)機械臂（見圖13）來實現(xiàn)扭王字塊的移動及旋轉(zhuǎn)。最后，操作手通過聲吶系統(tǒng)各個角度的成像畫面確定扭王字塊安裝穩(wěn)定并與相鄰扭王字塊間相互勾連、姿態(tài)各異后，在系統(tǒng)中利用模型記錄和保存扭王字塊的安裝位置及姿態(tài)，以便隨時能檢查每一個已安裝扭王字塊的安放過程以及安裝后質(zhì)量檢查，并可用于竣工資料驗收（見圖14）。

圖12 操作室畫面Fig.12 Operation Room Screen

圖13 機械旋轉(zhuǎn)臂Fig.13 Mechanical Rotating Arm

圖14 扭王字塊安裝效果圖Fig.14 Installation Effect Diagram of the Chinese-pod

根據(jù)本項目采用規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書要求，扭王字塊安裝需同時滿足位置、方向、姿態(tài)、鉤連和密度等要求。如按照國內(nèi)傳統(tǒng)的極坐標定位方法或者二維GPS 定位方法，需要潛水員輔助參與整個安裝過程，并提供水下拍照，每塊扭王字塊安裝后還需監(jiān)理潛水員下水檢查，并且夜間不能進行塊體安裝施工，無法滿足工程質(zhì)量和進度的要求。引進目前世界上最先進的聲吶可視化安裝系統(tǒng)應(yīng)用于本項目，同時為了對比可視化安裝系統(tǒng)的優(yōu)勢，部分安裝區(qū)域采用常規(guī)潛水員配合吊機的方法安裝，經(jīng)對比可視化安裝工藝優(yōu)勢明顯，二者安裝工藝對比如表1所示。

表1 可視化安裝與潛水配合安裝對比Tab.1 Comparison between Visual Installation and Diving Installation

6 結(jié)論

CODA聲吶系統(tǒng)的運用實現(xiàn)了扭王字塊水下安裝的可視化，大幅提高了塊體間初始勾連咬合程度，減少了工后返修的幾率，提高了防波堤的整體安全穩(wěn)定性；采用聲吶可視化安裝系統(tǒng)可實現(xiàn)24 h 不間斷作業(yè)，增加了工作時間，提高了安裝效率；同時全過程無須潛水員配合檢查，改善了作業(yè)環(huán)境，減少人工成本的同時降低了安全隱患。面對越來越多大型、重點水工項目的需求，可視化施工在質(zhì)量、安全、進度等方面的應(yīng)用效益可觀、前景廣闊。希望通過對CODA 聲吶可視化安裝系統(tǒng)的介紹，為以后類似工程施工積累寶貴經(jīng)驗，對進一步研究可視化、信息化、智能化施工提供解決問題的思路。