張海成，陳龍海

（中交四航局第二工程有限公司 廣州 510230）

0 引言

目前，在進(jìn)行深水基床整平作業(yè)時(shí)，使用整平船和深水整平機(jī)共同進(jìn)行作業(yè)。在進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，需要對整平船和整平機(jī)進(jìn)行測量定位，傳統(tǒng)的測量定位方法是采用水上人工觀測和潛水員水下人工作業(yè)相結(jié)合進(jìn)行整平船和整平機(jī)的測量定位調(diào)整，但是由于受風(fēng)浪因素影響大，作業(yè)天數(shù)減少，安全生產(chǎn)受到威脅；同時(shí)，由于人工水下作業(yè)，受到水深壓力的限制，人工作業(yè)困難，潛水整平有效作業(yè)時(shí)間短，作業(yè)效率低，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能有效進(jìn)行精確測量定位，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在此形勢下，機(jī)械化施工替代人力施工已是大勢所趨［1］。

1 工程概況

香港某海堤碼頭及防波堤項(xiàng)目工程，具體施工內(nèi)容為沉箱海堤、沉箱碼頭、方塊海堤以及沉箱防波堤，其中所有區(qū)段的拋石基床均采用Grade200石料，基床頂標(biāo)高范圍為-11.0～6.5 m，基床兩側(cè)坡比范圍為1∶1.25～1∶2，基床海側(cè)坡面結(jié)構(gòu)采用土工布、塊石墊層、扭王字塊護(hù)面。項(xiàng)目海域三面無遮擋，在每年的下半年期間極易經(jīng)受強(qiáng)烈的西南風(fēng)和臺風(fēng)的侵襲，風(fēng)浪條件惡劣。項(xiàng)目安全環(huán)保要求高，關(guān)于施工區(qū)域潛水作業(yè)、水質(zhì)保護(hù)和附近居民的噪音保護(hù)管理執(zhí)行非常嚴(yán)格，加之為DCM 基礎(chǔ)，基床整平作業(yè)窗口縮短和潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大。

2 水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)的組成及原理

水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)由3個(gè)獨(dú)立的測量系統(tǒng)組成：船體雙GPS 定位系統(tǒng)、整平架測量系統(tǒng)、滾輪標(biāo)高測量系統(tǒng)。船體雙GPS 定位系統(tǒng)主要作用為工作母船拋錨定位提供精確位置坐標(biāo)；整平架測量系統(tǒng)主要作用為整平架提供定位、調(diào)平信息；滾筒標(biāo)高測量系統(tǒng)主要是對平后標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并收集工作標(biāo)高數(shù)據(jù)，為施工控制和驗(yàn)收提供依據(jù)［2］。

整平架測量系統(tǒng)主要由安裝在整平機(jī)矩形封閉框架4 個(gè)角上的測量塔組成，每個(gè)測量塔上頂部安裝有GPS，是整個(gè)測量系統(tǒng)的關(guān)鍵主體（見圖1）。在測量塔頂部布置1 根3 m 固定套管（內(nèi)徑200 mm，壁厚20 mm）和15 m 滑動(dòng)桿（外徑197 mm，壁厚20 mm）。在整平架移出船舷邊，通過伸縮機(jī)構(gòu)將滑桿提升12 m，使得測量滑桿頂部的GPS 處于箱梁上部，避免箱梁對GPS 的遮蔽和干擾。測量滑桿通過1 t 小型電動(dòng)葫蘆（2倍卷繞）提升，伸縮桿停止時(shí)，由設(shè)在測量塔固定外套管頂部的抱閘式剎車自動(dòng)抱緊裝置將伸縮桿抱緊，防止伸縮桿下滑及由于內(nèi)外套管間隙引起的晃動(dòng)。測量滑桿提升系統(tǒng)設(shè)置限位裝置，當(dāng)測量滑桿提升到上限位時(shí)，小型電動(dòng)葫蘆自動(dòng)停止剎車，抱緊裝置鎖緊測量滑桿（見圖2）。在布料管后側(cè)安裝一套滾輪系統(tǒng)，并在頂部安裝5 號GPS（見圖3）。布料管縱橫移時(shí)，滾輪隨著布料管行走，并在滾動(dòng)的時(shí)候隨著整平后的碎石面高低作上下浮動(dòng)，頂部5 號GPS 跟隨滾輪一起浮動(dòng)，實(shí)時(shí)測量和記錄工后碎石層頂標(biāo)高和位置數(shù)據(jù)，并在測量系統(tǒng)軟件中以不同顏色展示不同標(biāo)高；此外，可在整平結(jié)束后導(dǎo)出成果數(shù)據(jù)作為基床整平驗(yàn)收的依據(jù)。

圖1 整平測量塔Fig.1 Measuring Tower

圖2 測量塔構(gòu)造Fig.2 Structural of Measurement Tower（mm）

圖3 滾輪標(biāo)高測量系統(tǒng)及工作示意圖Fig.3 Roller Elevation Measurement System and Working Diagram

司機(jī)室放置GPS 1、GPS 2、GPS 3、GPS 4、GPS 5主機(jī)，通過臺式計(jì)算機(jī)微處理單元將整平機(jī)三維姿態(tài)顯示在定位軟件界面，并在駕駛室內(nèi)分屏顯示；駕駛室內(nèi)放置GPS 6、GPS 7 主機(jī)，通過計(jì)算機(jī)微處理單元將工作母船三維姿態(tài)顯示在定位軟件界面（見圖4）。應(yīng)用項(xiàng)目自主研發(fā)的“應(yīng)廣三維可視化定位系統(tǒng)”專業(yè)軟件在計(jì)算機(jī)上可實(shí)現(xiàn)對整平機(jī)施工位置定位，實(shí)時(shí)收集整平機(jī)的三維位置數(shù)據(jù)。此外，還安裝了姿態(tài)儀，通過軟件分析，可在計(jì)算機(jī)上直觀看到整平機(jī)的姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)水下整平機(jī)測量精確定位［3］。

圖4 測量系統(tǒng)平面布置Fig.4 Measurement System Layout Plan

3 水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 水下整平機(jī)測量定位

本項(xiàng)目采用大型平板駁作為工作母船，改裝行架天車以滿足整平機(jī)的起吊上下水及定位，天車吊裝一臺整機(jī)重量約為83 t 的水下高精度液壓整平機(jī)和喂料，整平機(jī)入水后，操作起重機(jī)使整平機(jī)緩慢下沉，整平定位分為粗定位和精定位。在整平機(jī)緩慢下沉到整平機(jī)指定位置的過程為粗定位，在粗定位時(shí)，根據(jù)待整平基床的位置、駁船的位置、起重機(jī)的跨距［4］，將GPS 定位信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過“應(yīng)廣三維可視化定位系統(tǒng)”界面可直觀地指導(dǎo)駁船和天車粗定位，使用掛在整平機(jī)鋼絲繩上的尼龍繩進(jìn)行輔助控制，使整平機(jī)平穩(wěn)落在需要整平的基床上［4］。整平機(jī)著地后，根據(jù)定位系統(tǒng)顯示的位置信息初步判斷整平機(jī)的位置與待整平的位置是否一致，如果不一致，需將整平機(jī)輕微吊起進(jìn)行調(diào)整，直至滿足要求，完成整平機(jī)粗定位。粗定位完成后，對整平機(jī)進(jìn)行精定位，根據(jù)預(yù)先導(dǎo)入定位系統(tǒng)的基床整平設(shè)計(jì)底圖（CAD 格式文件），顯示出整平架的設(shè)計(jì)位置與實(shí)際位置的差值和調(diào)整方向，指導(dǎo)操作手精確調(diào)整機(jī)位（見圖5）。

圖5 整平架可視化定位界面Fig.5 Main Interface of Measurement and Positioning System

測量過程控制主要通過船舶定位系統(tǒng)與整平架定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，船舶定位過程中，工程人員通過可視化軟件界面可實(shí)時(shí)觀察船舶在施工水域的實(shí)際位置［5］。

3.2 水下整平測量數(shù)據(jù)采集

基床拋石夯實(shí)完成后，整平前使用多波束測深儀掃海采集基床高程數(shù)據(jù)確定需要整平的基床厚度，并將待整平的基床位置高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入“應(yīng)廣三維可視化定位系統(tǒng)”，從而得到夯實(shí)后基床塊石面的實(shí)測地形，系統(tǒng)以不同顏色表示不同的高程范圍（見圖6）。

圖6 整平前實(shí)測地形Fig.6 Topographic before Leveling the Foundation Bed

獲取實(shí)測地形后，根據(jù)不同顏色的方格（高程范圍），制定該施工位置的具體整平方案：如果發(fā)現(xiàn)塊石面高程有超限的方格，超低則進(jìn)行補(bǔ)料，超高則先不喂料，降低布料管對該方格進(jìn)行粗刮平。粗刮平后開始布料管喂料，對地形略低的方格，布料管刮平速度則放慢一些，地形略高的方格布料管刮平速度則快一些。

基床整平后通過布料管側(cè)方的滾輪高程測量系統(tǒng)進(jìn)行整平后高程數(shù)據(jù)采集，滾輪滾過整平后的基床時(shí)，滾輪會隨著地形上下浮動(dòng)，浮動(dòng)將帶動(dòng)頂部的GPS 同時(shí)上下浮動(dòng)，通過GPS 測量基床實(shí)時(shí)的高程，并經(jīng)數(shù)據(jù)線輸送至司機(jī)室計(jì)算機(jī)中“應(yīng)廣三維可視化系統(tǒng)”中，通過軟件的可視化處理，形成整平后的地形圖。一個(gè)整平位置完成后，可從軟件中調(diào)出整平前后的基床面高程對比圖，不同顏色代表不同高程范圍，直觀顯示該位置整平后是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可導(dǎo)出具體的高程數(shù)據(jù)作為驗(yàn)收依據(jù)（見圖7）。

圖7 整平前后高程對比Fig.7 Comparison of Elevation before and after Leveling

3.3 傳統(tǒng)測量方法與水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比

以傳統(tǒng)測量方法做基準(zhǔn)復(fù)核，水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究，通過試驗(yàn)應(yīng)用獲得大量的測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)采取2020 年10 月4 日試驗(yàn)區(qū)域4 區(qū)里程CH0+140-155 基床頂面（試驗(yàn)現(xiàn)場風(fēng)速3～5 m/s，浪高小于0.5 m，海況較好）的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：早上08：30 整平試驗(yàn)開始，于10：47 完成試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，歷時(shí)137 min；10：47～11：22，歷時(shí)35 min，布料管空走試機(jī)、GPS 測量系統(tǒng)調(diào)試及拉繩測距檢查。試機(jī)結(jié)果顯示整平機(jī)橫向整平長度w=13.97 m，縱向整平長度L=16.55 m，整平面積S=wL=231 m2；傳統(tǒng)測量方法采用工程人員在甲板上扶尺及潛水員水下輔助立標(biāo)桿方式進(jìn)行，測量員在岸上架設(shè)全站儀觀測（見圖8），獲取基床面相應(yīng)于水下整平機(jī)定位系統(tǒng)測點(diǎn)位置的高程（見表1）［6］。

表1 傳統(tǒng)測量方法與水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)采集高程數(shù)據(jù)匯總Tab.1 Summary of Elevation Data Collected by Traditional Measurement Methods and Underwater Leveling Machine Measurement Positioning System

圖8 傳統(tǒng)人工測量方法Fig.8 Traditional Manual Measurement Methods

試驗(yàn)效果：本次實(shí)際整平面積約為216 m2，試驗(yàn)整平功效為14.48 m2/h（正常施工可達(dá)510 m2/d），采用多波束測深儀測得基床表面高程平整度整體滿足技術(shù)要求限差±25 mm，但存在部分凹陷部位，局部位置高差達(dá)50 mm 左右，試驗(yàn)基床頂面高程平整度較好；與傳統(tǒng)測量方法采集的高程數(shù)據(jù)對比，差值普遍在20 mm以內(nèi)，最大高差為23 mm，滿足設(shè)計(jì)限差技術(shù)要求，說明水下整平機(jī)測量定位系統(tǒng)采集的高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。試驗(yàn)總用時(shí)14 h 3 min，整平定位全過程系統(tǒng)運(yùn)行正常，相比傳統(tǒng)手持GPS 進(jìn)行定位的方法，船舶測量定位系統(tǒng)效率比其高出3 倍以上，且全程機(jī)械化、可視化指導(dǎo)施工，視覺更直觀，操作更靈活［7］。

4 整平對比分析

對比分析傳統(tǒng)潛水整平工藝如表2所示。

表2 對比分析Tab.2 Comparative Analysis

整平機(jī)測量定位系統(tǒng)對比傳統(tǒng)潛水整平具有以下優(yōu)點(diǎn)：

4.1 安全生產(chǎn)

離岸深水重力式水工結(jié)構(gòu)施工，由于受風(fēng)浪因素影響較大，作業(yè)天數(shù)減少，安全生產(chǎn)受到威脅。隨著作業(yè)水深加大，潛水作業(yè)所需減壓時(shí)間增長，潛水員若減壓不充分，將會嚴(yán)重?fù)p害健康，甚至帶來生命威脅，水深越大，這種危險(xiǎn)因素越大，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)［8］。

整平機(jī)測量定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的控制，所有的操作和控制均在母船控制室，不需要潛水員水下作業(yè)配合，并且整平船抗風(fēng)浪、水流的能力很強(qiáng)，因此，采用整平機(jī)測量定位系統(tǒng)進(jìn)行整平工作安全性很高，且降低人員投入成本［9］。

4.2 環(huán)境保護(hù)

整平機(jī)測量定位系統(tǒng)可清晰了解拋石基床地形情況，多刮少填，精準(zhǔn)定位布料管將石料下放至基床面，減少了水面拋石帶來的泥污等現(xiàn)象，施工時(shí)不易發(fā)生污染海域環(huán)境情況，對施工水域周圍的生態(tài)環(huán)境影響小。

4.3 施工效率高

由于深水整平船具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，每個(gè)月水上可作業(yè)天數(shù)大為提高。而且水下基床整平測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可視化指導(dǎo)施工，使得施工目標(biāo)更清晰、減少無用功，每天完成工程量比人工潛水整平效率提高較多，很大程度降低勞動(dòng)強(qiáng)度和不安全因素的影響，并節(jié)約成本［10］。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海港工程建設(shè)開始逐步向深水水域發(fā)展，而深水海港工程的施工多處于外海無掩護(hù)水域，自然條件惡劣，可施工窗口期短，傳統(tǒng)的人工測量配合潛水員水下作業(yè)方式已無法滿足施工要求，并且潛水作業(yè)人工成本急劇增長，在此形勢下，機(jī)械化施工替代人力施工已是大勢所趨。水下液壓式整平機(jī)測量系統(tǒng)的發(fā)明和應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)人工整平的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、高效、安全的目標(biāo)。整平機(jī)測量系統(tǒng)整合施工機(jī)械及測量設(shè)備為一體，實(shí)現(xiàn)可視化、智能化及信息化施工，測量系統(tǒng)建造和維護(hù)成本較低、施工效率高、最高單日可定位指導(dǎo)施工整平面積達(dá)510 m2，整平質(zhì)量效果較好，整平誤差可控制在±5 cm內(nèi)，不受作業(yè)水深影響，在精度效率、成本、環(huán)保、安全性上優(yōu)勢顯著，可為類似深水碼頭基床整平施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。