基于抓斗船的挖掘高平整度模型研究

袁子豪, 丁志兵

(1.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510000；2.鎮江市億華系統集成有限公司，江蘇 鎮江212011)

0 引言

抓斗船對不同挖掘深度及不同土質的挖掘適應性較強，與其他類型挖泥船相比，具有設備簡單、挖泥機械的磨損部件少、船舶造價較低等優點。但抓斗挖泥船對挖掘過程中的平面定位和自動定深控制水平還較低，挖掘平整度較差。目前國內抓斗船的深度檢測都是檢測吊點鋼絲繩長度，每次挖掘后，都會行成一個一個的凹形坑，這種傳統的抓斗很難滿足沉管隧道基槽的要求。

為提高現有抓斗挖泥船定位定深控制精度[1]，提高挖槽平整度，減少基建開挖廢方，縮短工期，本文以控制抓斗船的挖掘平整度為目標，根據抓斗船特性的預判及工作特性[2-3]建立了平面定位模型、潮位RTK模型、抓斗計算模型，并對抓斗船挖掘過程中產生的誤差深度分別進行修正，以提高各個過程中深度的精度。

1 項目施工背景概述

沉管隧道基槽設計復雜，開挖精度要求高，施工難度大。項目挖掘要求如下：

縱向槽底E31管節標高-25.187～-24.160 m，E32管節標高-24.160～-23.132 m；兩節管的槽底縱坡角度均為-2.980°；橫斷面設置了多級邊坡，按1∶3、1∶5、1∶7不同坡比放坡。

沉管隧道基槽水下挖泥施工分為粗挖、精挖2個施工階段。精挖層與粗挖層顯示見圖1。

圖1 精挖層與粗挖層顯示

粗挖階段是指由原泥面至離設計底標高約2 m 間泥層的開挖作業。基槽粗挖施工前要對施工區域泥面掃測，了解施工區水深等水文資料。

精挖階段是指粗挖完成后至設計底標高間泥層的開挖作業。在本工程中根據質量驗收標準，主要是指隧道結構底板以下部分的基槽邊坡線往上2 m間泥層的開挖作業。

2 高平整度(精挖)工藝設計

沉管隧道基槽粗挖施工后，結構底板以下部分邊坡成型區、槽底精挖層由具備高平整度的抓斗船精挖，以避免抓斗船超寬超深過多破壞精挖層。

高平整度抓斗船精挖作業按照分段、分層、分條原則進行施工，其施工工藝如下：

(1)分段長度與基槽粗挖相同，段與段之間搭接5 m重疊覆蓋施工。

(2)分層主要根據邊坡成型區及槽底精挖層厚分2層，每層厚度約1 m進行施工控制。施工中第1、2層相鄰斗之間在平行基槽方向與垂直基槽方案各按1/3斗重疊布斗。

(3)分條主要考慮船舶寬度，一般取15 m。條與條之間搭接寬度為3 m重疊施工。

完成工作后要根據驗評標準對基槽進行驗收。

3 高平整度模型研究

3.1 現狀分析

3.1.1 平面定位

目前某些抓斗挖泥船配置了DGPS(平面位置精度小于1 m,屬于亞米級)信號接收裝置，并將信號接收天線安裝在吊臂頂部起重葫蘆片上方，獲得該點的平面坐標，然后根據垂直投影原理確定抓斗平面位置。但DGPS受精度的影響，對于帶剖度的基槽，挖掘平面精度明顯不足。

3.1.2 潮位

潮位遙報儀分為主機端和用戶端。主機端架設在固定位置，實時測量當前位置的潮位并將潮位定時發送至各個用戶端；用戶端安裝在抓斗船駕駛室內，接收主機端的潮位信號。潮位遙報儀直接影響抓斗深度(實際抓斗挖深=抓斗檢測深度 + 潮位)，從而造成潮位誤差。該方式存在以下2點問題：

(1)潮位遙報儀必須架設在陸地或島礁上，距離抓斗施工區有一定距離，從而導致潮位滯后或提前，不能準確顯示抓斗船當前的施工潮位。

(2)潮位遙報儀由蓄電池供電。為降低潮位遙報儀耗電量，設計時采用定時發送方式(發送間隔為5 min)。

3.1.3 抓斗深度測量

系統利用光電傳感器或編碼器檢測鋼絲繩滾筒的轉角，用以計算鋼絲繩下放長度；計算機根據檢測的傳感器信號轉換為鋼絲繩深度，再根據當前接受的潮位，計算出抓斗的深度。在閉斗過程中，抓斗在下探力的作用下會下探一定深度，且抓斗閉斗過程挖掘的形狀為扇形狀(中間低，兩邊高)，達不到基槽精挖要求。

3.2 高平整度模型

為提高抓斗船的挖掘精度，達到基槽挖掘的精挖要求，根據目前抓斗船現狀，進行建模研究，從而達到高平整度挖掘效果。

3.2.1 平面定位模型

平面定位主要功能是確定落斗的位置，與工程施工圖挖槽位置有機地結合起來。為提高平面定位精度，模型設計中將采用高精度的RTK代替DGPS。RTK基站采用中海達iRTK5高精度的1+3模式(陸地架設1個基站，船舶安裝3臺移動站)。

船舶的GPS安裝位置示意圖見圖2。GPS1安裝于抓斗吊機頂部，GPS2安裝于吊機旋轉中心，GPS3安裝于船舶駕駛臺頂部。GPS1直接定位出抓斗挖掘位置，GPS1、GPS2計算出抓機擺臂旋轉角度及旋轉中心坐標；GPS2、GPS3計算出船舶的位置及船舶角度。根據RTK的特性，定位精度可達到5 cm，足以滿足基槽定位的精度。

圖2 船舶的GPS安裝位置示意圖

3.2.2 潮位RTK模型

潮位主要表示當前水位距離高程的偏差(挖掘泥層的深度均以該高程為基準點)，抓斗深度零位校準為水面，根據潮位計算出抓斗與泥層的深度差。

由于潮位遙報儀達不到精度要求，因而引入潮位RTK模型。潮位RTK模型包含的設備包括：安裝于船舶駕駛臺頂部的GPS3、船舶兩舷的吃水傳感器、船舶中心的橫斜儀。GPS3主要用于測量GPS3處船體位置的高程；船舶兩舷的吃水傳感器對稱安裝，用于測量船舶吃水；傾斜儀用于測量船舶的橫傾角度、縱傾角度。

在施工過程中，由于抓斗位置及GPS3安裝位置受船舶橫傾角度、縱傾角度的影響，導致兩處的實際高程有偏差。為計算出抓斗位置實際高程值，系統算法如下:

(1)抓斗深度零位對應的高程計算。

式中：H為施工過程中抓斗位置高程；Ht為GPS3測量的GPS高程；Hg為GPS3安裝位置至船底的距離；α為船舶的橫傾角度；β為船舶的縱傾角度；h1、h2為左舷、右舷的船舶吃水；HΔ為抓斗深度過程中深度偏差補償。

(2)抓斗施工過程中的深度偏差補償計算。

HΔ=L(1-cosγ)sinαsinβ

式中：γ為吊臂仰角；L為抓斗吊臂投影長度。

3.2.3 抓斗計算模型

抓斗計算模型主要是建立抓斗開度與齒頭深度偏差表，對抓斗不同開度下的深度進行修正。抓斗不同開度深度變化見圖3。抓斗齒的深度在不同的開度下，深度變化是較大的。不同開度下抓斗齒的深度(以8 m3抓斗為例) 測量的數據見表1。

圖3 抓斗在開度0和100%下的深度變化

表1 不同開度下抓斗齒的深度表

從表1可以看出，抓斗開度對抓斗的深度影響較大，最大偏差深度達到0.523 m，無法滿足基槽精確挖掘要求。為此，系統引入了挖掘平整度模型，其挖掘平整度數據見表2。不使用模型時，平整度偏差為0.823 m；使用平整度模型后，偏差縮小至0.190 m。由此可見，挖掘平整度模型大大提升了抓斗位置的水平精度、深度精度。

表2 模型平整度分析結果 單位：m

4 結論

(1)采用平面定位模型的計算與分析，提高了抓斗定位水平位置精度。

(2)潮位RTK模型大大提高了潮位更新的及時性，根本解決了潮位對抓斗深度的影響。

(3)抓斗計算模型的使用，從抓斗點的挖掘變為面的挖掘。