信標機高精度定位技術在水上拋石施工中的應用

秦雯 于一博 中交一航局第三工程有限公司

1.技術應用背景

大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程三標段水上拋石施工，由五爪山上料碼頭裝填拋石船，采用自航開底方駁經(jīng)海上運輸至清淤換填區(qū)，本次施工船舶海上運距14km，拋填方量高達1800萬m3。拋填水域長度3890m，寬度43 5m，拋填底標高-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)受風浪影響較小。

原工藝采用開體駁進行石料運輸，進入拋填區(qū)后采用定位方駁定位拋石?？紤]到本次施工工程體量巨大，高峰期開體駁舶多達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，對開體駁施工定位工藝進行改進，將信標機軟件定位技術應用于本次拋石施工中。

2.工藝比選

2.1 施工技術參數(shù)確定

2.1.1 拋填長度、寬度計算

本次施工擬采用500-1200m3開體駁進行施工，根據(jù)船舶尺寸參數(shù)，對拋填寬度、深度進行計算。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)，水拋考慮在無水流、風向等影響的理想狀態(tài)下進行，開體駁艙門打開后，石料在水下的擴散角度暫按15°控制，拋填水深平均深度按17m考慮，計算各型號船舶拋填網(wǎng)格長度和寬度。

①500m3開體駁：

長度方向：30+17×2tg15°=39m

寬度方向：1.4+17×2tg15°=10.5m

②1000m3開體駁：

長度方向：33+17×2tg15°=42m

寬度方向：2.5+17×2tg15°=11.6m

③1200m3開體駁：

長度方向：40+17×2tg15°=49m

寬度方向：3+17×2tg15°=12m

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

2.1.2 搭接寬度

為避免實際形成棱臺尺寸小于計算拋石形成棱臺尺寸，造成相鄰拋石網(wǎng)格間存在間隙，導致底部淤泥夾雜于石料內(nèi)，影響施工質(zhì)量，拋石作業(yè)時相鄰拋石網(wǎng)格需進行搭接拋填，考慮搭接寬度過大將影響拋填標高及平整度，擬定相鄰網(wǎng)格搭接寬度為0.5m。實際拋填網(wǎng)格劃分為500m3開體駁拋填長度38.5m，拋填寬度10m，1000m3開體駁拋填長度41.5m，拋填寬度11m，1200m3開體駁拋填長度48.5m，拋填寬度11.5m。

2.1.3 分層厚度計算

根據(jù)上述各型號船舶拋填網(wǎng)格劃分結果，所有船舶均按滿載計算，假設石料入水后形成棱臺，計算各船型拋石厚度如下。

表1 船舶參數(shù)統(tǒng)計表

①500m3開體駁：單次拋石厚度：500/(39×10.5)=1.2m

②1000m3開體駁：單次拋石厚度：1000/(42×11.6)=2m

③1200m3開體駁：單次拋石厚度：1200/(49×12)=2m

第一層拋填完成后，對拋填區(qū)域水深進行測量，根據(jù)水深數(shù)據(jù)對二層拋石網(wǎng)格重新進行劃分。

上述參數(shù)確定完成后，船舶運輸至拋填區(qū)域，依靠定位措施精確定位后進行拋填作業(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行施工。使用安裝在定位船的GPS導航先進行粗定位，引導定位方駁通過拋錨、絞放錨纜的方式將方駁定位至欲拋填網(wǎng)格內(nèi)，根據(jù)開體駁料艙縱向軸線至開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，測量人員使用手持GPS進行精確定位，校核定位船位置是否準確。開體駁靠泊后，由兩名測量員持GPS于定位船艏、艉兩點，校正定位船里程、偏移是否準確，于定位船上在里程方向立活動導標一對，檢查料艙橫向軸線上標記好的導標與定位船導標是否在一條直線上，當導標與標記三點一線時，開體駁里程方向正確，利用GPS檢查位置是否正確，充分考慮開體駁與定位船間距離。若存在偏差，通過絞錨調(diào)整定位船位置。當位置達到規(guī)定拋石位置后，開體駁開艙拋出石料。

依靠定位方駁形式進行拋填作業(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測量，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 信標機定位施工示意圖

2.3 信標機定位工藝

信標機是一種通過發(fā)射電磁信號并與雷達配合接收信號工作的電子設備。使用信標機進行定位時，原理為在船艙首、尾處中軸線上各安裝GPS信號發(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，顯示船舶實時位置，船舶按信標機指示航行至已劃分完成的拋填網(wǎng)格內(nèi)，根據(jù)信標機顯示船身位置微調(diào)船身，待船艙準確進入拋填網(wǎng)格后，停穩(wěn)船身，開啟艙門進行拋石作業(yè)。經(jīng)測算，船舶采用信標機技術完成一次拋石作業(yè)用時5min，且可多艘開體駁同時進行定位作業(yè)，船舶無需停船等待。

3.施工效果分析

項目選取200×200m區(qū)域為試驗段進行典型施工，拋填完成后，對拋填區(qū)域水深進行了多波束水深測量，并繪制斷面圖，并與拋填前水深斷面進行對比分析，本次拋填施工標高控制效果較好，部分區(qū)域拋填標高位于-14.5m～-13.5m，拋填區(qū)域四周形成邊坡均小于1:3，滿足縱斷面邊坡不大于1:3的設計要求。

通過試驗段施工效果，對信標機定位技術在水上拋石施工中的應用進行分析。首先可以確定施工參數(shù)推算較合理，拋填網(wǎng)格劃分準確，石料入水擴散角度、分層厚度、拋填標高較合理，可滿足拋填設計要求。施工采用信標機定位方式，未出現(xiàn)超拋、漏拋、重復拋填等現(xiàn)象，且拋石均在各船舶指定拋填網(wǎng)格內(nèi)進行，定位效果較好，施工效率高，定位精度可滿足施工要求。

對比兩種施工工藝，信標機定位技術的應用減少了船舶等待定位船定位、調(diào)整船身位置的時間，可多艘船舶同時進行作業(yè)，大大提升了施工效率；對比定位方駁租賃費用，信標機軟件成本低，且一次購買后無后續(xù)費用，減少了施工成本；信標機技術定位方式為實時定位，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題，大幅提高了施工質(zhì)量。

4.結束語

通過大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程三標段水上拋石的實際應用，驗證了信標機技術在水上拋石施工中的應用可行性，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)濟效益，同時可向其他類似施工環(huán)境的工程提供數(shù)據(jù)及理論支持。