水下基床整平測量系統的研發與應用

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，在進行深水基床整平作業時，使用整平船和深水整平機共同進行作業。在進行水下作業時，需要對整平船和整平機進行測量定位，傳統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相結合進行整平船和整平機的測量定位調整，但是由于受風浪因素影響大，作業天數減少，安全生產受到威脅；同時，由于人工水下作業，受到水深壓力的限制，人工作業困難，潛水整平有效作業時間短，作業效率低，且勞動強度大，不能有效進行精確測量定位，費時費力。在此形勢下，機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目工程，具體施工內容為沉箱海堤、沉箱碼頭、方塊海堤以及沉箱防波堤，其中所有區段的拋石基床均采用Grade200石料，基床頂標高范圍為-11.0～6.5 m，基床兩側坡比范圍為1∶1.25～1∶2，基床海側坡面結構采用土工布、塊石墊層、扭王字塊護面。項目海域三面無遮擋，在每年的下半年期間極易經受強烈的西南風和臺風的侵襲，風浪條件惡劣。項目安全環保要求高，關于施工區域潛水作業、水質保護和附近居民的噪音保護管理執行非常嚴格，加之為DCM 基礎，基床整平作業窗口縮短和潛水作業風險較大。

2 水下整平機測量定位系統的組成及原理

水下整平機測量定位系統由3個獨立的測量系統組成：船體雙GPS 定位系統、整平架測量系統、滾輪標高測量系統。船體雙GPS 定位系統主要作用為工作母船拋錨定位提供精確位置坐標；整平架測量系統主要作用為整平架提供定位、調平信息；滾筒標高測量系統主要是對平后標高進行實時測量，并收集工作標高數據，為施工控制和驗收提供依據［2］。

整平架測量系統主要由安裝在整平機矩形封閉框架4 個角上的測量塔組成，每個測量塔上頂部安裝有GPS，是整個測量系統的關鍵主體（見圖1）。在測量塔頂部布置1 根3 m 固定套管（內徑200 mm，壁厚20 mm）和15 m 滑動桿（外徑197 mm，壁厚20 mm）。在整平架移出船舷邊，通過伸縮機構將滑桿提升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 小型電動葫蘆（2倍卷繞）提升，伸縮桿停止時，由設在測量塔固定外套管頂部的抱閘式剎車自動抱緊裝置將伸縮桿抱緊，防止伸縮桿下滑及由于內外套管間隙引起的晃動。測量滑桿提升系統設置限位裝置，當測量滑桿提升到上限位時，小型電動葫蘆自動停止剎車，抱緊裝置鎖緊測量滑桿（見圖2）。在布料管后側安裝一套滾輪系統，并在頂部安裝5 號GPS（見圖3）。布料管縱橫移時，滾輪隨著布料管行走，并在滾動的時候隨著整平后的碎石面高低作上下浮動，頂部5 號GPS 跟隨滾輪一起浮動，實時測量和記錄工后碎石層頂標高和位置數據，并在測量系統軟件中以不同顏色展示不同標高；此外，可在整平結束后導出成果數據作為基床整平驗收的依據。

圖1 整平測量塔Fig.1 Measuring Tower

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

圖3 滾輪標高測量系統及工作示意圖Fig.3 Roller Elevation Measurement System and Working Diagram

司機室放置GPS 1、GPS 2、GPS 3、GPS 4、GPS 5主機，通過臺式計算機微處理單元將整平機三維姿態顯示在定位軟件界面，并在駕駛室內分屏顯示；駕駛室內放置GPS 6、GPS 7 主機，通過計算機微處理單元將工作母船三維姿態顯示在定位軟件界面（見圖4）。應用項目自主研發的“應廣三維可視化定位系統”專業軟件在計算機上可實現對整平機施工位置定位，實時收集整平機的三維位置數據。此外，還安裝了姿態儀，通過軟件分析，可在計算機上直觀看到整平機的姿態信息，從而實現水下整平機測量精確定位［3］。

圖4 測量系統平面布置Fig.4 Measurement System Layout Plan

3 水下整平機測量定位系統的應用

3.1 水下整平機測量定位

本項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的起吊上下水及定位，天車吊裝一臺整機重量約為83 t 的水下高精度液壓整平機和喂料，整平機入水后，操作起重機使整平機緩慢下沉，整平定位分為粗定位和精定位。在整平機緩慢下沉到整平機指定位置的過程為粗定位，在粗定位時，根據待整平基床的位置、駁船的位置、起重機的跨距［4］，將GPS 定位信息傳輸到計算機中，通過“應廣三維可視化定位系統”界面可直觀地指導駁船和天車粗定位，使用掛在整平機鋼絲繩上的尼龍繩進行輔助控制，使整平機平穩落在需要整平的基床上［4］。整平機著地后，根據定位系統顯示的位置信息初步判斷整平機的位置與待整平的位置是否一致，如果不一致，需將整平機輕微吊起進行調整，直至滿足要求，完成整平機粗定位。粗定位完成后，對整平機進行精定位，根據預先導入定位系統的基床整平設計底圖（CAD 格式文件），顯示出整平架的設計位置與實際位置的差值和調整方向，指導操作手精確調整機位（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與整平架定位系統來實現，船舶定位過程中，工程人員通過可視化軟件界面可實時觀察船舶在施工水域的實際位置［5］。

3.2 水下整平測量數據采集

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

圖6 整平前實測地形Fig.6 Topographic before Leveling the Foundation Bed

獲取實測地形后，根據不同顏色的方格（高程范圍），制定該施工位置的具體整平方案：如果發現塊石面高程有超限的方格，超低則進行補料，超高則先不喂料，降低布料管對該方格進行粗刮平。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方的滾輪高程測量系統進行整平后高程數據采集，滾輪滾過整平后的基床時，滾輪會隨著地形上下浮動，浮動將帶動頂部的GPS 同時上下浮動，通過GPS 測量基床實時的高程，并經數據線輸送至司機室計算機中“應廣三維可視化系統”中，通過軟件的可視化處理，形成整平后的地形圖。一個整平位置完成后，可從軟件中調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計要求，同時可導出具體的高程數據作為驗收依據（見圖7）。

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

3.3 傳統測量方法與水下整平機測量定位系統的數據對比

以傳統測量方法做基準復核，水下整平機測量定位系統作為實驗數據研究，通過試驗應用獲得大量的測量數據，現采取2020 年10 月4 日試驗區域4 區里程CH0+140-155 基床頂面（試驗現場風速3～5 m/s，浪高小于0.5 m，海況較好）的應用數據進行分析：早上08：30 整平試驗開始，于10：47 完成試驗前準備工作，歷時137 min；10：47～11：22，歷時35 min，布料管空走試機、GPS 測量系統調試及拉繩測距檢查。試機結果顯示整平機橫向整平長度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桿方式進行，測量員在岸上架設全站儀觀測（見圖8），獲取基床面相應于水下整平機定位系統測點位置的高程（見表1）［6］。

表1 傳統測量方法與水下整平機測量定位系統采集高程數據匯總Tab.1 Summary of Elevation Data Collected by Traditional Measurement Methods and Underwater Leveling Machine Measurement Positioning System

圖8 傳統人工測量方法Fig.8 Traditional Manual Measurement Methods

試驗效果：本次實際整平面積約為216 m2，試驗整平功效為14.48 m2/h（正常施工可達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要求限差±25 mm，但存在部分凹陷部位，局部位置高差達50 mm 左右，試驗基床頂面高程平整度較好；與傳統測量方法采集的高程數據對比，差值普遍在20 mm以內，最大高差為23 mm，滿足設計限差技術要求，說明水下整平機測量定位系統采集的高程數據準確可靠。試驗總用時14 h 3 min，整平定位全過程系統運行正常，相比傳統手持GPS 進行定位的方法，船舶測量定位系統效率比其高出3 倍以上，且全程機械化、可視化指導施工，視覺更直觀，操作更靈活［7］。

4 整平對比分析

對比分析傳統潛水整平工藝如表2所示。

表2 對比分析Tab.2 Comparative Analysis

整平機測量定位系統對比傳統潛水整平具有以下優點：

4.1 安全生產

離岸深水重力式水工結構施工，由于受風浪因素影響較大，作業天數減少，安全生產受到威脅。隨著作業水深加大，潛水作業所需減壓時間增長，潛水員若減壓不充分，將會嚴重損害健康，甚至帶來生命威脅，水深越大，這種危險因素越大，嚴重影響安全生產［8］。

整平機測量定位系統實現了全自動化的控制，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配合，并且整平船抗風浪、水流的能力很強，因此，采用整平機測量定位系統進行整平工作安全性很高，且降低人員投入成本［9］。

4.2 環境保護

整平機測量定位系統可清晰了解拋石基床地形情況，多刮少填，精準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象，施工時不易發生污染海域環境情況，對施工水域周圍的生態環境影響小。

4.3 施工效率高

由于深水整平船具有較強的抗風浪能力，每個月水上可作業天數大為提高。而且水下基床整平測量系統實現了可視化指導施工，使得施工目標更清晰、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，很大程度降低勞動強度和不安全因素的影響，并節約成本［10］。

5 結論

隨著經濟的快速發展，海港工程建設開始逐步向深水水域發展，而深水海港工程的施工多處于外海無掩護水域，自然條件惡劣，可施工窗口期短，傳統的人工測量配合潛水員水下作業方式已無法滿足施工要求，并且潛水作業人工成本急劇增長，在此形勢下，機械化施工替代人力施工已是大勢所趨。水下液壓式整平機測量系統的發明和應用，克服了傳統人工整平的缺點，實現了經濟、高效、安全的目標。整平機測量系統整合施工機械及測量設備為一體，實現可視化、智能化及信息化施工，測量系統建造和維護成本較低、施工效率高、最高單日可定位指導施工整平面積達510 m2，整平質量效果較好，整平誤差可控制在±5 cm內，不受作業水深影響，在精度效率、成本、環保、安全性上優勢顯著，可為類似深水碼頭基床整平施工提供經驗借鑒。