信標(biāo)機(jī)高精度定位技術(shù)在水上拋石施工中的應(yīng)用

秦雯 于一博 中交一航局第三工程有限公司

1.技術(shù)應(yīng)用背景

大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程三標(biāo)段水上拋石施工，由五爪山上料碼頭裝填拋石船，采用自航開(kāi)底方駁經(jīng)海上運(yùn)輸至清淤換填區(qū)，本次施工船舶海上運(yùn)距14km，拋填方量高達(dá)1800萬(wàn)m3。拋填水域長(zhǎng)度3890m，寬度43 5m，拋填底標(biāo)高-16m～-20m，拋填石料厚度10m～14m，拋填水深17m～21m；拋石區(qū)周邊為拋石擠淤形成圍堰，拋石區(qū)內(nèi)受風(fēng)浪影響較小。

原工藝采用開(kāi)體駁進(jìn)行石料運(yùn)輸，進(jìn)入拋填區(qū)后采用定位方駁定位拋石。考慮到本次施工工程體量巨大，高峰期開(kāi)體駁舶多達(dá)24艘，且施工區(qū)域面積大，采用定位方駁輔助定位拋石，施工效率較低，造成施工船舶在拋石區(qū)積壓等候；若增加定位方駁數(shù)量，可提高施工效率，但導(dǎo)致施工成本大幅增加。為使拋石施工效率最大化，且降低施工成本，對(duì)開(kāi)體駁施工定位工藝進(jìn)行改進(jìn)，將信標(biāo)機(jī)軟件定位技術(shù)應(yīng)用于本次拋石施工中。

2.工藝比選

2.1 施工技術(shù)參數(shù)確定

2.1.1 拋填長(zhǎng)度、寬度計(jì)算

本次施工擬采用500-1200m3開(kāi)體駁進(jìn)行施工，根據(jù)船舶尺寸參數(shù)，對(duì)拋填寬度、深度進(jìn)行計(jì)算。船舶參數(shù)如表1。

本次施工拋填區(qū)域在已經(jīng)形成圍堰范圍內(nèi)，水拋考慮在無(wú)水流、風(fēng)向等影響的理想狀態(tài)下進(jìn)行，開(kāi)體駁艙門(mén)打開(kāi)后，石料在水下的擴(kuò)散角度暫按15°控制，拋填水深平均深度按17m考慮，計(jì)算各型號(hào)船舶拋填網(wǎng)格長(zhǎng)度和寬度。

①500m3開(kāi)體駁：

長(zhǎng)度方向：30+17×2tg15°=39m

寬度方向：1.4+17×2tg15°=10.5m

②1000m3開(kāi)體駁：

長(zhǎng)度方向：33+17×2tg15°=42m

寬度方向：2.5+17×2tg15°=11.6m

③1200m3開(kāi)體駁：

長(zhǎng)度方向：40+17×2tg15°=49m

寬度方向：3+17×2tg15°=12m

經(jīng)試算，500m3開(kāi)體駁拋填長(zhǎng)度39m，拋填寬度10.5m，800m3開(kāi)體駁拋填長(zhǎng)度42m，拋填寬度11.6m，1000m3開(kāi)體駁拋填長(zhǎng)度49m，拋填寬度12m。

2.1.2 搭接寬度

為避免實(shí)際形成棱臺(tái)尺寸小于計(jì)算拋石形成棱臺(tái)尺寸，造成相鄰拋石網(wǎng)格間存在間隙，導(dǎo)致底部淤泥夾雜于石料內(nèi)，影響施工質(zhì)量，拋石作業(yè)時(shí)相鄰拋石網(wǎng)格需進(jìn)行搭接拋填，考慮搭接寬度過(guò)大將影響拋填標(biāo)高及平整度，擬定相鄰網(wǎng)格搭接寬度為0.5m。實(shí)際拋填網(wǎng)格劃分為500m3開(kāi)體駁拋填長(zhǎng)度38.5m，拋填寬度10m，1000m3開(kāi)體駁拋填長(zhǎng)度41.5m，拋填寬度11m，1200m3開(kāi)體駁拋填長(zhǎng)度48.5m，拋填寬度11.5m。

2.1.3 分層厚度計(jì)算

根據(jù)上述各型號(hào)船舶拋填網(wǎng)格劃分結(jié)果，所有船舶均按滿(mǎn)載計(jì)算，假設(shè)石料入水后形成棱臺(tái)，計(jì)算各船型拋石厚度如下。

表1 船舶參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

①500m3開(kāi)體駁：?jiǎn)未螔伿穸龋?00/(39×10.5)=1.2m

②1000m3開(kāi)體駁：?jiǎn)未螔伿穸龋?000/(42×11.6)=2m

③1200m3開(kāi)體駁：?jiǎn)未螔伿穸龋?200/(49×12)=2m

第一層拋填完成后，對(duì)拋填區(qū)域水深進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)水深數(shù)據(jù)對(duì)二層拋石網(wǎng)格重新進(jìn)行劃分。

上述參數(shù)確定完成后，船舶運(yùn)輸至拋填區(qū)域，依靠定位措施精確定位后進(jìn)行拋填作業(yè)。

2.2 定位方駁定位工藝

考慮本工程施工船型，需采用1000t定位方駁做定位船進(jìn)行施工。使用安裝在定位船的GPS導(dǎo)航先進(jìn)行粗定位，引導(dǎo)定位方駁通過(guò)拋錨、絞放錨纜的方式將方駁定位至欲拋填網(wǎng)格內(nèi)，根據(jù)開(kāi)體駁料艙縱向軸線(xiàn)至開(kāi)體駁船舷的距離確定定位船船舷位置。

定位方駁采用四錨定位方式，下交叉錨，錨拋好后，測(cè)量人員使用手持GPS進(jìn)行精確定位，校核定位船位置是否準(zhǔn)確。開(kāi)體駁靠泊后，由兩名測(cè)量員持GPS于定位船艏、艉兩點(diǎn)，校正定位船里程、偏移是否準(zhǔn)確，于定位船上在里程方向立活動(dòng)導(dǎo)標(biāo)一對(duì)，檢查料艙橫向軸線(xiàn)上標(biāo)記好的導(dǎo)標(biāo)與定位船導(dǎo)標(biāo)是否在一條直線(xiàn)上，當(dāng)導(dǎo)標(biāo)與標(biāo)記三點(diǎn)一線(xiàn)時(shí)，開(kāi)體駁里程方向正確，利用GPS檢查位置是否正確，充分考慮開(kāi)體駁與定位船間距離。若存在偏差，通過(guò)絞錨調(diào)整定位船位置。當(dāng)位置達(dá)到規(guī)定拋石位置后，開(kāi)體駁開(kāi)艙拋出石料。

依靠定位方駁形式進(jìn)行拋填作業(yè)，由于施工船型不盡相同，拋填網(wǎng)格需不斷調(diào)整劃分，定位方駁需不斷移船、定位，每次拋填后需拋石工全斷面打點(diǎn)測(cè)量，施工效率較低，且易出現(xiàn)多拋、漏拋現(xiàn)象，施工質(zhì)量效果控制效果不佳。

圖1 信標(biāo)機(jī)定位施工示意圖

2.3 信標(biāo)機(jī)定位工藝

信標(biāo)機(jī)是一種通過(guò)發(fā)射電磁信號(hào)并與雷達(dá)配合接收信號(hào)工作的電子設(shè)備。使用信標(biāo)機(jī)進(jìn)行定位時(shí)，原理為在船艙首、尾處中軸線(xiàn)上各安裝GPS信號(hào)發(fā)射器一部，駕駛艙內(nèi)屏幕顯示器上可反饋接收到的電子信號(hào)，顯示船舶實(shí)時(shí)位置，船舶按信標(biāo)機(jī)指示航行至已劃分完成的拋填網(wǎng)格內(nèi)，根據(jù)信標(biāo)機(jī)顯示船身位置微調(diào)船身，待船艙準(zhǔn)確進(jìn)入拋填網(wǎng)格后，停穩(wěn)船身，開(kāi)啟艙門(mén)進(jìn)行拋石作業(yè)。經(jīng)測(cè)算，船舶采用信標(biāo)機(jī)技術(shù)完成一次拋石作業(yè)用時(shí)5min，且可多艘開(kāi)體駁同時(shí)進(jìn)行定位作業(yè)，船舶無(wú)需停船等待。

3.施工效果分析

項(xiàng)目選取200×200m區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)段進(jìn)行典型施工，拋填完成后，對(duì)拋填區(qū)域水深進(jìn)行了多波束水深測(cè)量，并繪制斷面圖，并與拋填前水深斷面進(jìn)行對(duì)比分析，本次拋填施工標(biāo)高控制效果較好，部分區(qū)域拋填標(biāo)高位于-14.5m～-13.5m，拋填區(qū)域四周形成邊坡均小于1:3，滿(mǎn)足縱斷面邊坡不大于1:3的設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)試驗(yàn)段施工效果，對(duì)信標(biāo)機(jī)定位技術(shù)在水上拋石施工中的應(yīng)用進(jìn)行分析。首先可以確定施工參數(shù)推算較合理，拋填網(wǎng)格劃分準(zhǔn)確，石料入水?dāng)U散角度、分層厚度、拋填標(biāo)高較合理，可滿(mǎn)足拋填設(shè)計(jì)要求。施工采用信標(biāo)機(jī)定位方式，未出現(xiàn)超拋、漏拋、重復(fù)拋填等現(xiàn)象，且拋石均在各船舶指定拋填網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行，定位效果較好，施工效率高，定位精度可滿(mǎn)足施工要求。

對(duì)比兩種施工工藝，信標(biāo)機(jī)定位技術(shù)的應(yīng)用減少了船舶等待定位船定位、調(diào)整船身位置的時(shí)間，可多艘船舶同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，大大提升了施工效率；對(duì)比定位方駁租賃費(fèi)用，信標(biāo)機(jī)軟件成本低，且一次購(gòu)買(mǎi)后無(wú)后續(xù)費(fèi)用，減少了施工成本；信標(biāo)機(jī)技術(shù)定位方式為實(shí)時(shí)定位，定位精度高于定位方駁定位，避免了超拋、漏拋，拋填平整度不高等問(wèn)題，大幅提高了施工質(zhì)量。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程三標(biāo)段水上拋石的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了信標(biāo)機(jī)技術(shù)在水上拋石施工中的應(yīng)用可行性，且在提高施工質(zhì)量、提升施工效率的前提下，可降低施工成本投入，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可向其他類(lèi)似施工環(huán)境的工程提供數(shù)據(jù)及理論支持。