宋建東,邵 帥
(中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東廣州 510230)
尼日利亞某深水港項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”的標志性項目。建設內(nèi)容包括2個專業(yè)集裝箱泊位和1個拖輪泊位,碼頭設計水深-16.5 m,進港航道長9 km,防波堤和護岸總長約2.7 km。
本項目防波堤結(jié)構(gòu)為拋石斜坡堤,最大水深約11 m,護面塊體距離坡頂最遠距離約20 m,超過一半斷面位于水下,典型設計斷面如圖1所示。防波堤對碼頭和疏浚施工都有著關(guān)鍵性的作用,對整個項目工期控制和質(zhì)量控制也意義重大。防波堤護面結(jié)構(gòu)采用了新型專利護面混凝土塊體Xbloc[1],包括2 m3、3 m3和5 m3三種規(guī)格,總計約2.7萬塊。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)
塊體專利商荷蘭DMC公司對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為設計有效波高;
ht為護底以上高程;
h為護底水深;
Nod為塊體相關(guān)系數(shù),一般取0.5;為混凝土相對密度。
根據(jù)高程不同,墊層坡面的驗收要求(設計斷面與實際斷面的高程偏差)如表1。
表1 墊層理坡偏差要求(驗收標準)
防波堤理坡施工一直是港口工程的一個重點和難點[4-5]。傳統(tǒng)的理坡位挖掘機借助全站儀或者RTK進行粗略理坡。這樣的方式受能見度等環(huán)境因素影響大,遠端作業(yè)還存在一定危險性,精度不可控因素較多,人力和儀器成本較高。尤其對于水下盲區(qū),完全依靠機手的經(jīng)驗和手感,質(zhì)量存在著相當大的不確定性。
本項目地處大西洋開場海域,受到長周期波的顯著影響,首次應用的Xbloc塊體的高精度安裝標注,對內(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,成了整個防波堤施工質(zhì)量的關(guān)鍵。
項目團隊為解決該技術(shù)疑難,保證施工質(zhì)量,引入最新北斗挖機智能引導系統(tǒng),以此為依托,以應用為中心,通過研究消化智能理坡系統(tǒng)的工作原理和具體的實現(xiàn)方式、誤差來源及精度控制方式,分析進一步提高精度的可能性。在實踐中調(diào)整配置,優(yōu)化系統(tǒng)安裝方式和位置,尋求精度和經(jīng)濟型的合理組合,為后續(xù)的大規(guī)模應用指引方向。
總的引導系統(tǒng)由定位系統(tǒng)基準站、定位信號接收機、傳感器、控制面板和挖掘機組成。具體到挖掘機上,由安裝在機身、大臂、小臂和鏟斗等多個位置的傾角傳感器、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防護等級,適合港口工程使用。高精度全頻段GNSS測量型天線支持北斗二代導航系統(tǒng)[6],兼容L-Band,滿足高精高動態(tài)的實時測量要求??梢暬K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。強固型防護結(jié)構(gòu)設計、豐富的擴展接口,適于各種惡劣場地環(huán)境下的工程設備使用。
圖2 智能引導系統(tǒng)組成
使用其他定位技術(shù)的類似引導系統(tǒng)在海外項目已有應用[7],但此次采用北斗挖掘機智能引導系統(tǒng),是綜合了微電子技術(shù)、無線通訊技術(shù)、GNSS厘米級高精度定位等于一體的系統(tǒng)集成解決方案[8]。系統(tǒng)依靠機尾兩側(cè)的GNSS天線和差分天線,通過和基站的通信獲取挖掘機的實時三維位置,結(jié)合讀取安裝在挖掘機關(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,計算出鏟斗斗齒實時、精確的三維位置信息,系統(tǒng)通過比較三維設計基準模型與當前鏟斗所處位置,以模擬圖形、數(shù)值等多種方式,指示鏟斗與目標工作面的相對位置,顯示在在駕駛室的平板終端,引導操作手精確施工。水下整坡由原始的多次成型提高到一次成型。
在計算鏟斗坐標和高程時,會涉及到世界坐標系(WGS84)與設備自定義坐標系的平面坐標轉(zhuǎn)換。其中自定義坐標系是以車體與動臂的鉸接中心為原點,動臂軸心和斗桿鉸接軸心的連線為X軸,垂向為Y軸,然后由機臂和鏟斗的尺寸和傾斜角度計算鏟斗坐標和高程。
安裝單軸傾角傳感器時,需先標定各個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三條線投影在機臂的平行線上。
圖3 傳感器安放位置
挖掘機模型建立,由定位、定向天線獲取的GPS位置信息,通過測量完挖掘機機身的各個點位參數(shù)后,就能通過幾何關(guān)系進行挖掘機模型的建模,而挖掘機機身的參數(shù)測量分為兩個部分,即:RTK點位采集及機身點位距離測量。
連接基站后,RTK共采集7個點坐標(定向天線坐標2個、大臂支點左右側(cè)坐標各1個、鏟斗三側(cè)坐標3個),來計算得到挖掘機機身模型的旋轉(zhuǎn)參數(shù),以此可計算得出鏟斗中間點位的精準坐標。
已知傾角傳感器的角度,想要將機身定位點的高精度坐標轉(zhuǎn)化為最后的鏟斗坐標,就需要進行機身各個支點之間距離的測量工作。
實際施工過程首先進行設計模型的輸入,通過已知的CAD施工圖紙及PC端數(shù)據(jù)設計軟件,將所有施工數(shù)據(jù)進行處理成道路設計文件,并導入平板進行施工的引導。
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。實際采用CAT345和CAT374,最長大臂約26 m。在岸上理坡時,長臂挖掘機履帶與岸坡平行,便于向前推進式作業(yè)。
圖4 實際操作界面
圖5 水下長臂理坡施工現(xiàn)場
圖6 水面以上理坡施工現(xiàn)場
當挖機施工完成后,機手操作挖機在不同的邊坡橫截面進行檢測記錄,系統(tǒng)自動記錄顫抖軌跡,當完成找平后,系統(tǒng)將合成不同邊坡橫截面的實際輪廓數(shù)據(jù),可直接與設計斷面進行對比,如圖7所示。
圖7 設計斷面與實際理坡斷面
在智能引導系統(tǒng)的幫助下,終端實時顯示三維設計模型,操作手可以實時參考鏟斗姿態(tài),直觀的了解挖掘狀態(tài)信息,快速施工,無需測量放樣,避免施工返工,極大地降低了對于機手操作水平的強烈依賴,對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的實際施工誤差結(jié)果與表1的誤差要求對比顯示可以看出,該系統(tǒng)對于理坡施工質(zhì)量控制有了質(zhì)的提高。
圖8 智能引導系統(tǒng)理坡施工實際誤差分布
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小時全天候施工,和傳統(tǒng)方法相比,根據(jù)2020年10月13日復工至2020年12月31日的統(tǒng)計,和前期傳統(tǒng)理坡施工相比,每臺班理坡面積提高約20 %~30 %,三次驗收全部合格。如果考慮精度控制,以驗收合格作為有效工效的衡量標準,實際理坡工效提高可達50 %。
對于其他修坡精度要求很高的項目,還可能存在潛水員水下鋪設導軌進行理坡的情況,此工藝煩瑣其要求較高,需要機械設備配合,還需要測量人員控制導軌高程。受到浮力、海浪等的較大影響,潛水人員在水下理坡行動不便,當位于深水區(qū)時,受水壓力的影響潛水人員作業(yè)時間不能太長,影響工程進度。與此相比,挖機理坡系統(tǒng)只需要1名操作手,投入大大降低,此種工況下應用智能理坡系統(tǒng)的工效優(yōu)勢就更加明顯。
有效減少測量人員和輔助施工人員數(shù)量,傳統(tǒng)理坡需要測量人員和輔助施工人員,精度要求嚴格的水下理坡甚至潛水員使用輔助導軌完成。使用智能化引導系統(tǒng),顯著減少了施工人員和特種作業(yè),有效降低了勞動強度和安全風險,從而也減少了人員和設備臺班支出,提高經(jīng)濟效益。
挖掘機實時作業(yè)狀況及信息通過無線網(wǎng)絡可實現(xiàn)實時回傳,方便現(xiàn)場管理。施工結(jié)束后系統(tǒng)自動生成報表,改變了傳統(tǒng)驗收方式的不變且提高了驗收效率。另外,經(jīng)過一定的二次開發(fā),施工數(shù)據(jù)可為BIM平臺、第三方平臺提供多方位數(shù)據(jù)支持。
北斗挖掘機智能引導系統(tǒng)采用GNSS高精度坐標實時定位,改變和擴展了傳統(tǒng)挖機的使用方式,使挖掘機不僅是挖掘的工具,也是放樣、測量的標尺。本文介紹了該系統(tǒng)的基本原理,安裝調(diào)試和施工要點,通過施工效果的檢驗以及和傳統(tǒng)施工方式的對比,展現(xiàn)了在尼日利亞萊基港項目深水外海防波堤理坡施工中的成功應用,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實的基礎。后續(xù)可進一步開展智能理坡系統(tǒng)的出圖模式、精度標準及進一步提高,直接進行最終驗收等問題的探討??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)了高科技智能化設備在克服傳統(tǒng)港航施工難點中的巨大作用,為國內(nèi)類似工程提供了應用參考。