挖掘機、甲板駁拋石施工技術及應用

周衛文 劉詞振 伍耀華

(湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430050)

拇指斗挖掘機、甲板駁，在GIS技術、GPS技術的輔助下進行拋石的施工技術，在長江干、支流堤防治理中，取得了很好的效果。我們將該技術應用于天門張港崩岸應急整治工程，針對2020年汛前水位高、流速大、施工工期短的特點，在GIS技術、GPS技術輔助下，采用甲板駁進行裝運料、定位，拇指斗挖掘機代替傳統的人工拋投，實現了對拋投區質量的動態控制，具有施工速度快、質量好、塊石破碎率低、人工用量少、施工安全有保障等優點，快速有效地完成了施工任務，達到了汛前脫險的工程目的。

1 工程概況

天門張港崩岸應急整治工程，位于漢江張港險段，樁號為漢左216+450～216+580，崩岸段長130m，崩垮最寬處約為30m。整治好該處崩岸險工，可該河段河岸穩定起到控制性作用，同時也能保護張港上下游的護岸工程，確保大堤安全。

整治方案：對漢左樁號216+480～216+580長100m段進行水上削坡減載、護坡、水下拋石護腳等；拋石范圍：漢左樁號216+480～216+580，長100m；橫向，根據險段水下坡度崩塌強弱程度，從枯水平臺拋至深泓附近。

該項目于2020年6月初承接，由于長江流域已經進入主汛期，江水隨時可能上漲，必須于2020年6月30日前完成水下拋石施工，時間非常緊迫。

2 技術原理

拇指斗挖掘機、甲板駁拋石施工系統由兩大部分組成：GIS數據收集、處理系統和水上定位拋投系統。GIS數據收集、處理系統由數字測深儀、GPS定位設備及測量導航軟件、計算機及CASS成圖軟件等組成；水上定位拋投系統由GPS定位測控和岸上導標、甲板駁和挖掘機等運、拋設備組成。GIS系統組成見圖1。

圖1 GIS系統組成

開工前，利用GIS系統收集拋投區數據，繪制水下地形圖、拋投斷面圖，劃定拋投網格，確定拋投方案和質量控制措施。

根據施工水域的流速、水深，及工程規模，選擇300～500t的甲板駁作為拋石船(兼做定位船)，開工前挖掘機在岸坡上待命；開工時，拋石船靠岸，挖機自行至甲板駁上，挖掘機拋投作業連續進行。

拋石作業時，由GPS精確定位甲板駁后，挖掘機開始拋投作業。挖掘機、甲板駁拋石施工見圖2。

圖2 挖掘機、甲板駁拋石施工

挖掘機在完成臂長所及的范圍內拋投作業后，將甲板駁移至下一個拋投網格，進行下一個網格的拋投作業。

在完成每一船的拋投作業后，利用GIS系統收集已拋投區的數據，繪制水下地形圖、拋投斷面圖，并與設計拋投斷面進行比較，檢查拋投效果，確定下一步的施工計劃。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖3。

圖3 挖掘機配合甲板駁、甲板駁拋石施工工藝流程

3.2 挖掘機、甲板駁拋石施工

首先，通過GIS設備，結合GPS定位技術，對施工水域進行水下地形測量。平面測量采用GPS，高程(水位)測量采用水準儀，水深測量采用數字回聲測深儀，流速測量采用流速儀。測量時通過GIS系統的水下測量導航軟件，進行船位和斷面控制。數據采集完成后用南方測繪成圖軟件CASS繪制1∶200或1∶500水下地形圖。在地形圖上根據治導線劃分L×b的方格網。方網格的長度L與甲板駁船甲板長度一致，一般為20m；寬度b，由挖掘機的臂長所能形成的拋投寬度決定,一般為1.5m。

方格網劃定后，計算每一網格的拋投工程量和每一個拋投網格拋填后的高程。拋投作業前，根據網格位置、漂距、定位提前量等參數，計算甲板駁定位坐標，并繪制成表。拋石作業時，根據岸上預設的導標先對甲板駁初定位，再由GPS精確定位，然后挖掘機開始拋投作業。拋投作業順序：垂直水流方向，由深水區向岸邊拋投，順水流方向先上游后下游。挖掘機在完成臂長所及的范圍內拋投作業后(即2個網格的拋投作業量)，將甲板駁通過收放錨纜的方式移至下一個網格，進行拋投作業。

3.3 操作要點

3.3.1 甲板駁定位方式

定位采用定位船、拋石船合二為一的方式，即棄用專用定位船，將拋石船-甲板駁作為定位船使用，這樣既便于在狹小水域展開，又減少了設備投入。甲板駁定位方式可分為豎一字形、橫一字形兩種，見圖4、圖5。

3.3.1.1 豎一字形定位

豎一字形定位是甲板駁船體平行于水流方向固定。豎一字形定位主要適合于水流速度較大的拋投區域。船只順流定位較為穩定、安全。

甲板駁沿順水方向采用“五錨法”固定方法，在船首用一個領水錨固定，在船體前半部和后半部分別用錨固定，見圖4。錨和船體之間采用鋼纜連接，甲板駁靠船前后兩個絞盤絞動五根鋼絲繩實現向上、下游及橫向移動。

圖4 甲板駁定位方式——豎一字形

3.3.1.2 橫一字形定位

橫一字形定位是甲板駁船體垂直于水流方向固定。橫一字形定位主要適合于水流較緩的水域，水流較急時船只難以固定，比較危險。甲板駁采用“五錨法”固定，在船體迎水側用兩根錨纜固定，背水側用兩根錨斜拉,靠岸側(船首)用一個錨固定于岸上，見圖5。如果拋石區順岸線方向呈條帶狀分布，且水流速度小，采用橫一字形定位方式，效率比較高。

圖5 甲板駁定位方式——橫一字形

3.3.2 漂距的確定

漂距根據現場試驗確定。

a.拋投試驗前先測量水深、流速、流向，然后按下式計算理論漂距：

式中：Ld為拋石水平落距,m；H為水深,m；vf為表面流速,m/s；G為塊石重量,kg。

b.根據理論漂距，進行試拋，然后進行測量，根據實測結果修正漂距。根據修正后的漂距，繪制成水深、流速、流向和漂移距離對應表格供拋投作業參考。根據流速、水深確定定位方式、方法。

3.3.3 拋投斷面、作業單元、拋投網格的劃分

施工前，對拋投區做三個層次的劃分：垂直于岸線方向按照甲板駁甲板長度劃分拋投斷面，每個斷面的長度等于甲板駁的甲板長度；每個拋投斷面按照甲板駁寬度×2+1.5m×2(1.5m為挖機拋投寬度)劃分作業單元；每個作業單元按照挖機拋投寬度(1.5m)劃分拋投網格。在天門張港崩岸應急整治工程中甲板駁甲板長度20m，甲板駁寬度6m，挖機拋投寬度1.5m，那么，每個斷面的拋投長度為20m，作業單元為20m×15m(15m=6m×2+1.5m×2)，拋投網格尺寸為20m×1.5m。拋投作業單元及拋投網格，見圖6。

圖6 拋投作業單元及拋頭作業網格示意圖

根據水下地形圖與設計工程量計算出每個拋投網格的工程量，及每個拋投網格完工后的高程，以便在施工過程中做到定點定量拋石，從而控制拋石施工質量。

拋投網格劃定后，拋投作業前，根據網格位置、漂距、定位提前量等參數，計算甲板駁定位坐標，并繪制成表。

根據試驗確定的漂距，在拋投斷面的分界線堤岸上對應位置設置一組導標，便于甲板駁初步定位。

3.3.4 甲板駁的定位和移動

施工前，根據網格位置、漂距、定位提前量等參數，計算甲板駁定位坐標，并繪制成表。

甲板駁在進入拋石區后，先通過岸上導標進行初步定位后，依次拋下上水錨、下水錨和船艏錨。再通過GPS數據，靠收放錨纜來精確定位到作業單元和拋投網格。錨纜通過甲板駁上的電動絞冠進行收放，從而控制甲板駁的移動和定位。

3.3.5 拋投作業

為減少塊石擠壓造成的破碎，我們將挖掘機的矩形斗改為拇指斗，這樣既提高了拋投的準確性、效率，又確保了塊石料的完整性。拇指斗見圖7。

圖7 拇指斗

甲板駁精確定位于拋投網格后(根據漂距定好提前量)，開始拋投作業。作業時船體左右舷均衡拋料，見圖8。

圖8 拋投作業布置圖

在拋投過程中，嚴格按照計劃的拋石作業斷面、作業單元和網格拋投，控制每次移船位置和拋投量，做到定點定量拋投，并做好施工記錄，確保不漏拋不重拋。

以圖9中的網格為例，一個船位拋投兩個網格，左右船舷各一個。一船塊石料根據設計工程量可拋投兩個以上的網格。船舷左右的網格拋投完成后，通過收緊錨纜，順拋石方向移動一個網格(即1.5m)，進行下一個網格拋石作業。依此循環，直到完成一個作業單元(15m，甲板駁移動4次)的作業。

圖9 網格法拋投示意圖

挖機拋投作業時，甲板駁左右舷均衡取料拋投，以確保甲板駁不發生較大的傾斜。

4 GIS技術應用

采用挖掘機、甲板駁拋石施工技術，在完成一個作業單元的施工后，立即通過GIS技術，在GPS技術配合下，測量水下地形圖，繪制斷面圖，并與設計拋投斷面比較，評估施工質量是否符合要求。

GIS系統由計算機系統、數據采集設備——數字測深儀、空間數據采集設備(GPS)、海洋測量軟件、成圖軟件以及相關存儲、輸入、輸出設備組成。在采集測區數據時，以上設備統一由海洋測量軟件協調管理，見圖10、圖11。

圖10 海洋測量軟件界面

圖11 水上測量航線控制界面

數據采集完成后，通過GIS數據接口將數據導入CASS成圖軟件，自動生成水下地形圖，再利用CASS的工程應用功能，繪制斷面圖，然后導入設計線，即可對施工斷面質量進行評估。CASS制圖見圖12、圖13。

圖12 CASS繪制水下地形圖

圖13 CASS繪制斷面圖

5 材料、設備及質量控制

5.1 材料與設備配置

本技術不需要特殊材料，所需設備見表1。

表1 材料及設備配備表

5.2 質量控制

5.2.1 嚴格執行相關標準、規范

根據《堤防工程施工規范》(SL 260—2014)、《堤防工程施工質量驗收評定標準》(SL 634—2012)的要求，做好對工程質量的控制工作。

結合拋區的網格計劃，按照《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》(SL 176—2007)的規定進行工程項目劃分。網格拋石量偏差應在設計拋石量的±5%范圍內，單元工程拋石量不小于設計拋石量。測點增厚值、斷面增厚值滿足設計和規范要求。

5.2.2 塊石采購及計量

塊石的粒徑、容重、抗壓強度等指標檢驗應符合設計要求，按規范要求頻次取樣送檢，檢測合格后使用。

計量方式采取首船稱重計量，即在船舶首尾標志清晰滿載和空載標線，石場裝料在監理工程師旁站監督下進行稱重裝料并造冊記錄，每船需以空載線進場裝料并裝至滿載線，按石方堆積密度系數計算實際單船拋石方量，堆積密度經現場實測確定。

塊石運輸船舶要求相對固定，并建立每艘船舶的資料檔案，確定每艘船舶的運輸方量。施工現場收方時觀察空載線和滿載線，實行欠載不收、超載不計的收方制度，確保拋投量準確。

5.2.3 拋石過程質量控制

a.采用網格化精準拋投。施工過程嚴格按照劃定的網格定點定量拋投，通過采用GIS技術，加強水深檢測和斷面高程控制，控制好每個網格拋石量，拋完一個網格立即做好記錄，然后移船至下一個網格拋投。

b.準確定位，定量拋投。水位標尺設專人記錄，每天上、下午各一次，水位上漲較快時，每小時測一次水位，便于隨時調整起拋點。施工中要勤測流速、水深等參數，計算調整好拋石提前量。

c.驗方時，嚴格按監理工程師指示進行，杜絕虛方。拋石過程中嚴格填寫“拋石三聯單”，分送監理和供貨商備查，并做好水上拋石施工記錄，確保每個網格拋投量的準確。

6 效益分析

經過現場施工總結，挖掘機、甲板駁進行水上塊石拋投作業，具有施工速度快、施工安全有保障、勞力使用量少等優點；同時，降低了勞動強度，連續作業的可能性得到了保證。如果使用人工拋投，需要使用大量人力，安全隱患多、施工成本高。

施工成本比較：以一個作業單元來分析。一個作業單元兩艘200m3甲板駁，1天完成拋投。如果采用人工拋投，400m3需要28個勞力，目前一個普工的工日單價為300元，28個工人一天的費用是8400元；如果采用挖掘機拋投，400m3只需一臺1.6m3挖掘機即可。一臺挖掘機臺班費為2000元。機械作業費相當于人工作業費的23.4%，顯著降低了拋投作業成本。

另外，采用GIS和GPS技術，能夠快速采集拋投區數據，快速成圖，節省了人力，節約了時間，提高了功效。

7 安全、環保措施

按照船舶航行內河避碰規則做好船舶水上航行安全工作，采取可靠安全措施，確保水上作業人員安全。

做好作業船舶的廢水、廢油、廢液，以及船員的生活垃圾的收集處理工作，確保不污染江水。

8 結 語

經過“天門張港崩岸應急整治工程”的檢驗，采用拇指斗挖掘機、甲板駁在GIS和GPS技術輔助下進行拋石施工，解決了人工施工速度慢、安全風險多、不能連續高強度作業的問題，節省了投資，減少了勞力用量，降低了安全風險，同時縮短了施工周期，確保了崩岸治理項目的汛前脫險，其具有以下優點：

a.網格化精準定位，確保了拋石斷面施工質量。采用GIS和GPS技術，根據原始地形和已拋投區高程的變化，監控拋投區施工質量，具有數據采集、處理速度快，能夠及時實現對施工過程的了解、控制，確保了施工質量。

b.改進設備，減少塊石的破損率。將挖掘機的挖斗改進為拇指斗，減少了石方的破損，確保了施工質量，提高了功效，降低了成本。

c.將定位船與拋石船合二為一，減少了設備投入，降低了成本。該施工技術適用于流速v<3m/s、風速低于6級工況條件下的堤防整治項目。