宋建東,邵 帥
(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東廣州 510230)
尼日利亞某深水港項(xiàng)目位于尼日利亞拉各斯自貿(mào)區(qū),是西非最新的在建現(xiàn)代化集裝箱樞紐港,也是“一帶一路”的標(biāo)志性項(xiàng)目。建設(shè)內(nèi)容包括2個(gè)專業(yè)集裝箱泊位和1個(gè)拖輪泊位,碼頭設(shè)計(jì)水深-16.5 m,進(jìn)港航道長(zhǎng)9 km,防波堤和護(hù)岸總長(zhǎng)約2.7 km。
本項(xiàng)目防波堤結(jié)構(gòu)為拋石斜坡堤,最大水深約11 m,護(hù)面塊體距離坡頂最遠(yuǎn)距離約20 m,超過(guò)一半斷面位于水下,典型設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。防波堤對(duì)碼頭和疏浚施工都有著關(guān)鍵性的作用,對(duì)整個(gè)項(xiàng)目工期控制和質(zhì)量控制也意義重大。防波堤護(hù)面結(jié)構(gòu)采用了新型專利護(hù)面混凝土塊體Xbloc[1],包括2 m3、3 m3和5 m3三種規(guī)格,總計(jì)約2.7萬(wàn)塊。墊層塊石按照里程分為D50=650 kg和D50=2 t兩種規(guī)格。
圖1 防波堤典型斷面示意(海測(cè))
塊體專利商荷蘭DMC公司對(duì)Xbloc安裝及墊層理坡的施工質(zhì)量提出了很高的要求[2-3]。首層(最下層)塊體為同姿態(tài)規(guī)則安放,上部插入式安放。墊層最小厚度:
式中:
Dn50為墊層塊石中值粒徑;
Hs為設(shè)計(jì)有效波高;
ht為護(hù)底以上高程;
h為護(hù)底水深;
Nod為塊體相關(guān)系數(shù),一般取0.5;為混凝土相對(duì)密度。
根據(jù)高程不同,墊層坡面的驗(yàn)收要求(設(shè)計(jì)斷面與實(shí)際斷面的高程偏差)如表1。
表1 墊層理坡偏差要求(驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))
防波堤理坡施工一直是港口工程的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]。傳統(tǒng)的理坡位挖掘機(jī)借助全站儀或者RTK進(jìn)行粗略理坡。這樣的方式受能見(jiàn)度等環(huán)境因素影響大,遠(yuǎn)端作業(yè)還存在一定危險(xiǎn)性,精度不可控因素較多,人力和儀器成本較高。尤其對(duì)于水下盲區(qū),完全依靠機(jī)手的經(jīng)驗(yàn)和手感,質(zhì)量存在著相當(dāng)大的不確定性。
本項(xiàng)目地處大西洋開(kāi)場(chǎng)海域,受到長(zhǎng)周期波的顯著影響,首次應(yīng)用的Xbloc塊體的高精度安裝標(biāo)注,對(duì)內(nèi)側(cè)墊層塊石,以至于堤心石的理坡質(zhì)量都提出了很高的要求,如何保障理坡質(zhì)量,成了整個(gè)防波堤施工質(zhì)量的關(guān)鍵。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為解決該技術(shù)疑難,保證施工質(zhì)量,引入最新北斗挖機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng),以此為依托,以應(yīng)用為中心,通過(guò)研究消化智能理坡系統(tǒng)的工作原理和具體的實(shí)現(xiàn)方式、誤差來(lái)源及精度控制方式,分析進(jìn)一步提高精度的可能性。在實(shí)踐中調(diào)整配置,優(yōu)化系統(tǒng)安裝方式和位置,尋求精度和經(jīng)濟(jì)型的合理組合,為后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用指引方向。
總的引導(dǎo)系統(tǒng)由定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站、定位信號(hào)接收機(jī)、傳感器、控制面板和挖掘機(jī)組成。具體到挖掘機(jī)上,由安裝在機(jī)身、大臂、小臂和鏟斗等多個(gè)位置的傾角傳感器、GNSS天線(及差分天線)和可視化終端組成。其中傾角傳感器精度為0.05°(單軸)和0.1°(雙軸),雙接口IP67防護(hù)等級(jí),適合港口工程使用。高精度全頻段GNSS測(cè)量型天線支持北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)[6],兼容L-Band,滿足高精高動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量要求。可視化終端搭載Android系統(tǒng),集終端信息顯示、數(shù)據(jù)通信樞紐功能于一體,提供工作指引的直觀與靈活性。強(qiáng)固型防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、豐富的擴(kuò)展接口,適于各種惡劣場(chǎng)地環(huán)境下的工程設(shè)備使用。
圖2 智能引導(dǎo)系統(tǒng)組成
使用其他定位技術(shù)的類似引導(dǎo)系統(tǒng)在海外項(xiàng)目已有應(yīng)用[7],但此次采用北斗挖掘機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng),是綜合了微電子技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、GNSS厘米級(jí)高精度定位等于一體的系統(tǒng)集成解決方案[8]。系統(tǒng)依靠機(jī)尾兩側(cè)的GNSS天線和差分天線,通過(guò)和基站的通信獲取挖掘機(jī)的實(shí)時(shí)三維位置,結(jié)合讀取安裝在挖掘機(jī)關(guān)鍵作業(yè)位置上的各種角度傳感器數(shù)值及主要樞軸尺寸,計(jì)算出鏟斗斗齒實(shí)時(shí)、精確的三維位置信息,系統(tǒng)通過(guò)比較三維設(shè)計(jì)基準(zhǔn)模型與當(dāng)前鏟斗所處位置,以模擬圖形、數(shù)值等多種方式,指示鏟斗與目標(biāo)工作面的相對(duì)位置,顯示在在駕駛室的平板終端,引導(dǎo)操作手精確施工。水下整坡由原始的多次成型提高到一次成型。
在計(jì)算鏟斗坐標(biāo)和高程時(shí),會(huì)涉及到世界坐標(biāo)系(WGS84)與設(shè)備自定義坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其中自定義坐標(biāo)系是以車體與動(dòng)臂的鉸接中心為原點(diǎn),動(dòng)臂軸心和斗桿鉸接軸心的連線為X軸,垂向?yàn)閅軸,然后由機(jī)臂和鏟斗的尺寸和傾斜角度計(jì)算鏟斗坐標(biāo)和高程。
安裝單軸傾角傳感器時(shí),需先標(biāo)定各個(gè)傳感器安裝的平行線,單軸傾角傳感器的安裝位置如圖3,平行安裝在AB、LD、CE三條線投影在機(jī)臂的平行線上。
圖3 傳感器安放位置
挖掘機(jī)模型建立,由定位、定向天線獲取的GPS位置信息,通過(guò)測(cè)量完挖掘機(jī)機(jī)身的各個(gè)點(diǎn)位參數(shù)后,就能通過(guò)幾何關(guān)系進(jìn)行挖掘機(jī)模型的建模,而挖掘機(jī)機(jī)身的參數(shù)測(cè)量分為兩個(gè)部分,即:RTK點(diǎn)位采集及機(jī)身點(diǎn)位距離測(cè)量。
連接基站后,RTK共采集7個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)(定向天線坐標(biāo)2個(gè)、大臂支點(diǎn)左右側(cè)坐標(biāo)各1個(gè)、鏟斗三側(cè)坐標(biāo)3個(gè)),來(lái)計(jì)算得到挖掘機(jī)機(jī)身模型的旋轉(zhuǎn)參數(shù),以此可計(jì)算得出鏟斗中間點(diǎn)位的精準(zhǔn)坐標(biāo)。
已知傾角傳感器的角度,想要將機(jī)身定位點(diǎn)的高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為最后的鏟斗坐標(biāo),就需要進(jìn)行機(jī)身各個(gè)支點(diǎn)之間距離的測(cè)量工作。
實(shí)際施工過(guò)程首先進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的輸入,通過(guò)已知的CAD施工圖紙及PC端數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)軟件,將所有施工數(shù)據(jù)進(jìn)行處理成道路設(shè)計(jì)文件,并導(dǎo)入平板進(jìn)行施工的引導(dǎo)。
理坡施工,按照先水下,后水上的順序,著重控制首層塊體區(qū)域的理坡質(zhì)量。實(shí)際采用CAT345和CAT374,最長(zhǎng)大臂約26 m。在岸上理坡時(shí),長(zhǎng)臂挖掘機(jī)履帶與岸坡平行,便于向前推進(jìn)式作業(yè)。
圖4 實(shí)際操作界面
圖5 水下長(zhǎng)臂理坡施工現(xiàn)場(chǎng)
圖6 水面以上理坡施工現(xiàn)場(chǎng)
當(dāng)挖機(jī)施工完成后,機(jī)手操作挖機(jī)在不同的邊坡橫截面進(jìn)行檢測(cè)記錄,系統(tǒng)自動(dòng)記錄顫抖軌跡,當(dāng)完成找平后,系統(tǒng)將合成不同邊坡橫截面的實(shí)際輪廓數(shù)據(jù),可直接與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示。
圖7 設(shè)計(jì)斷面與實(shí)際理坡斷面
在智能引導(dǎo)系統(tǒng)的幫助下,終端實(shí)時(shí)顯示三維設(shè)計(jì)模型,操作手可以實(shí)時(shí)參考鏟斗姿態(tài),直觀的了解挖掘狀態(tài)信息,快速施工,無(wú)需測(cè)量放樣,避免施工返工,極大地降低了對(duì)于機(jī)手操作水平的強(qiáng)烈依賴,對(duì)于疫情期間造成的人員短缺局面也起到了顯著的緩解作用。在視力不及的水下盲區(qū),鏟斗也能精確完成坡度、高程控制。圖8的實(shí)際施工誤差結(jié)果與表1的誤差要求對(duì)比顯示可以看出,該系統(tǒng)對(duì)于理坡施工質(zhì)量控制有了質(zhì)的提高。
圖8 智能引導(dǎo)系統(tǒng)理坡施工實(shí)際誤差分布
智能化系統(tǒng)使水下整坡由原始的多次成型提高到一次成型。理論上作業(yè)條件允許下可以24小時(shí)全天候施工,和傳統(tǒng)方法相比,根據(jù)2020年10月13日復(fù)工至2020年12月31日的統(tǒng)計(jì),和前期傳統(tǒng)理坡施工相比,每臺(tái)班理坡面積提高約20 %~30 %,三次驗(yàn)收全部合格。如果考慮精度控制,以驗(yàn)收合格作為有效工效的衡量標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際理坡工效提高可達(dá)50 %。
對(duì)于其他修坡精度要求很高的項(xiàng)目,還可能存在潛水員水下鋪設(shè)導(dǎo)軌進(jìn)行理坡的情況,此工藝煩瑣其要求較高,需要機(jī)械設(shè)備配合,還需要測(cè)量人員控制導(dǎo)軌高程。受到浮力、海浪等的較大影響,潛水人員在水下理坡行動(dòng)不便,當(dāng)位于深水區(qū)時(shí),受水壓力的影響潛水人員作業(yè)時(shí)間不能太長(zhǎng),影響工程進(jìn)度。與此相比,挖機(jī)理坡系統(tǒng)只需要1名操作手,投入大大降低,此種工況下應(yīng)用智能理坡系統(tǒng)的工效優(yōu)勢(shì)就更加明顯。
有效減少測(cè)量人員和輔助施工人員數(shù)量,傳統(tǒng)理坡需要測(cè)量人員和輔助施工人員,精度要求嚴(yán)格的水下理坡甚至潛水員使用輔助導(dǎo)軌完成。使用智能化引導(dǎo)系統(tǒng),顯著減少了施工人員和特種作業(yè),有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn),從而也減少了人員和設(shè)備臺(tái)班支出,提高經(jīng)濟(jì)效益。
挖掘機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)狀況及信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)回傳,方便現(xiàn)場(chǎng)管理。施工結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)生成報(bào)表,改變了傳統(tǒng)驗(yàn)收方式的不變且提高了驗(yàn)收效率。另外,經(jīng)過(guò)一定的二次開(kāi)發(fā),施工數(shù)據(jù)可為BIM平臺(tái)、第三方平臺(tái)提供多方位數(shù)據(jù)支持。
北斗挖掘機(jī)智能引導(dǎo)系統(tǒng)采用GNSS高精度坐標(biāo)實(shí)時(shí)定位,改變和擴(kuò)展了傳統(tǒng)挖機(jī)的使用方式,使挖掘機(jī)不僅是挖掘的工具,也是放樣、測(cè)量的標(biāo)尺。本文介紹了該系統(tǒng)的基本原理,安裝調(diào)試和施工要點(diǎn),通過(guò)施工效果的檢驗(yàn)以及和傳統(tǒng)施工方式的對(duì)比,展現(xiàn)了在尼日利亞萊基港項(xiàng)目深水外海防波堤理坡施工中的成功應(yīng)用,顯著提高了理坡質(zhì)量和工效,為后續(xù)的塊體安裝打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后續(xù)可進(jìn)一步開(kāi)展智能理坡系統(tǒng)的出圖模式、精度標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)一步提高,直接進(jìn)行最終驗(yàn)收等問(wèn)題的探討??傮w而言,全新的施工方式使得施工更容易、更高效。集中體現(xiàn)了高科技智能化設(shè)備在克服傳統(tǒng)港航施工難點(diǎn)中的巨大作用,為國(guó)內(nèi)類似工程提供了應(yīng)用參考。